Gleich- oder Wechselstrom – quo vadis Steckverbinder?

| Autor / Redakteur: Jonas Bachmann * / Kristin Rinortner

Gleichstrom-Steckverbinder: Für Datenzentren werden jetzt DC-Steckverbinder normiert. Der GP21 von Schurter ist der erste kommerziell verfügbare Gerätestecker für 400 V-DC-Systeme bis 2,6 kW nach IEC TS 62735-1.
Gleichstrom-Steckverbinder: Für Datenzentren werden jetzt DC-Steckverbinder normiert. Der GP21 von Schurter ist der erste kommerziell verfügbare Gerätestecker für 400 V-DC-Systeme bis 2,6 kW nach IEC TS 62735-1. (Bild: Schurter)

In Datenzentren macht der durchgängige Betrieb mit Gleichstrom bereits heute Sinn. Wesentlicher Vorteil ist die Energieeffizienz. Im Moment werden auf Geräteseite neue DC-Steckverbinder genormt. Wir werfen einen Blick auf aktuelle Entwicklungen und Normungsaktivitäten.

Der „Stromkrieg“ Ende des 19. Jahrhunderts war der erste Formatkrieg der Industriegeschichte. Die Befürworter des Wechselstroms (Nicola Tesla und George Westinghouse) kämpften gegen Thomas Edison, der sich für den Gleichstrom (DC) stark machte. Den Ausgang kennen wir: Wechselstrom setzte sich damals durch. Doch schon ein kurzer Blick in die Gegenwart zeigt: Im digitalen Zeitalter stehen ganze Heerscharen DC-betriebener Geräte im Einsatz.

Mächtige Treiber, den Gleichstrom wieder hoffähig zu machen, sind die Telekom- und Datenindustrie. Der Ansatz, ein Datenzentrum mit Gleichspannung zu versorgen, macht Sinn. Wenn die Server schon mit Gleichstrom gespeist werden, wäre es nur vernünftig, diesen durchgängig auch so zu verarbeiten. Vom Netz bis zum Chip. Die DC-Architektur enthält deutlich weniger Komponenten. Sie wird dadurch günstiger und weniger störungsanfällig.

Gleichstrom mit der besseren Energieeffizienz

Dadurch, dass diverse Transformationen und Umwandlungen wegfallen, ergibt sich zudem eine deutlich verbesserte Energieeffizienz. Berechnungen und Studien (ABB, Amstein + Walthert, Stulz) belegen eine Effizienzerhöhung von der Einspeisung bis hin zum Server von 10%. Bei den reinen Investitionen für die elektrische Infrastruktur wird eine Reduktion von 15% angenommen.

Neben Datenzentren bietet sich ein weites Feld an Anwendungen an, welches noch gar nicht abgeschätzt werden kann. Naheliegend wäre etwa die Gebäudetechnik – oder Smart- und Microgrids. Gerade Letztere sind durch die Möglichkeit eines autarken Betriebs auf eigene Stromerzeuger oder -speicher angewiesen, die Gleichstrom liefern. Beispiele für Microgrids wären etwa kritische Infrastrukturen, Krankenhäuser oder Blaulichtzentralen. Doch auch in Entwicklungsländern werden Microgrids eine zentrale Rolle einnehmen. Insbesondere in schwierig zu erschließenden Regionen.

AC-Betrieb versus Gleichstrom-Standards

Im klassischen Leistungsbereich um 250 V Wechselspannung sind die Gerätesteckverbinder standardisiert nach IEC 60320, ausgereift und in fast allen Belangen auch ausgereizt. Hier und dort finden sich Ansätze für Verbesserungen und Zusatzfunktionen. Weltbewegendes ist aber nicht zu erwarten – wobei höhere Betriebstemperaturen durchaus Potential zur Erneuerung zeigen.

Seit August 2015 existiert aufseiten der Leistungsverteilung die technische Spezifikation IEC TS 62735-1 für Systeme bis 2,6 kW. Für Leistungen bis 5,2 kW, welche nicht mehr unter Last (Lichtbogen) getrennt werden dürfen, wurde der Standard IEC TS 62735-2 im Dezember 2016 verabschiedet. Auch geräteseitig sind die Normierungen in vollem Gange. Einer Lösung auf der Netzseite wird also eine auf der Seite der Geräte hinzugefügt.

Zur Arbeitsgruppe WG8 des IEC Komitees TC23, welches sich um die Erweiterung der Normen für elektrisches Installationsmaterial kümmert, gehören mehr als 30 Experten aus Europa, Nordamerika und Asien. In dieser Arbeitsgruppe laufen Anstrengungen, auf dem bisherigen AC-Standard IEC 60320 Lösungsansätze für DC-Steckverbindungen zu erstellen.

Koexistenz von AC- und DC-Steckverbindern

Tabelle 1: Übersicht der Kompatibilität zwischen AC- und DC-Steckern/Dosen gemäß IEC.
Tabelle 1: Übersicht der Kompatibilität zwischen AC- und DC-Steckern/Dosen gemäß IEC. (Bild: Schurter)

Die Verfügbarkeit von reinen DC-Komponenten steht noch ganz am Anfang. Für einen Erfolg wäre es fraglos hilfreich, wenn Teile der bestehenden Infrastruktur weiterhin eingesetzt werden könnten. Sprich: wenn es einem Server egal sein kann, ob er nun mit Wechselstrom oder Gleichstrom gespeist wird. Technisch ist das geräteseitig keine Hexerei. Bei der Steckverbindung betritt man allerdings Neuland. Denn DC-Steckverbinder unterscheiden sich technisch in einigen Punkten von ihren AC-Pendants. Insbesondere bezüglich der Gefahren bei einer mechanischen Trennung unter Last, worauf später noch detailliert eingegangen wird.

Bei einer Umstellung von Wechselstrom auf Gleichstrom ist es also vorerst wichtig, dass die verwendete Hardware sowohl an 230 V AC als auch an 400 V DC betrieben werden kann. Um sicherzustellen, dass die Versorgung im Gerät korrekt abgegriffen und ein Verpolen verhindert wird, gibt es neue mechanisch kodierte Stecksysteme. Nur der hybride Gerätestecker nimmt sowohl AC- als auch DC-Dosen auf.

Gleichstrom: Wie sieht der DC-Steckverbinder aus?

In den höheren Leistungsbereichen bis 5,2 kW ist ein Ziehen unter Last aufgrund des entstehenden Lichtbogens nicht zulässig. Die IEC 62735-2 beschreibt Komponenten mit einem automatischen oder mechanischen Interlocking. Das bedeutet: Entweder wird der Stromkreis bei Trennen unter Last frühzeitig durch einen Schalter oder ähnlichem automatisch unterbrochen oder ein mechanischer Schalter sorgt für die Ver-/Entriegelung und gleichzeitig dafür, dass der Stromkreis geschlossen bzw. getrennt wird.

Die gängigen Auszugsicherungen, die man von den AC-Produkten nach IEC 60320 kennt (V-Lock, SecureLock, Verriegelungsbügel etc.) haben damit nur wenig gemeinsam.

Geräteseitige Komponenten wie Gerätesteckdose und -stecker werden gegenwärtig in der IEC TS 63236 normiert. Diese ist momentan in der Entwurfsphase und wird voraussichtlich im Jahr 2021 von der IEC publiziert.

Fazit: Die durchgehende Verwendung von Gleichstrom im Datenzentrum macht Sinn, da die Umwandlungsverluste massiv reduziert werden. Leistungsseitig hat die IEC mit der TS 62735-1 den Rahmen abgesteckt. Für einen höheren Leistungsbedarf bis 5,2 kW wurde die IEC TS 62735-2 erarbeitet. Die hierfür passenden Steckverbindungen mit der notwendigen Sicherheitsverriegelung (Cold Switch) sind in der Entwicklung.

Die Lebenszyklen der Versorgungsinfrastruktur (PDU) sind grundsätzlich länger als jene der zu versorgenden Geräte, welche durch die technologischen Weiterentwicklungen häufiger ausgetauscht werden. Unabhängig davon besteht nun das Ziel darin, einen AC-/DC-Gerätestecker bereitzustellen, welcher sowohl den Betrieb des Gerätes an einer AC- wie auch an einer DC-Versorgung zulässt. Damit kann der Wechsel von der heutigen Wechselstromversorgung beliebig auf Gleichstrom umgestellt werden. Es müssen einzig die Versorgungskabel ausgetauscht werden.

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Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 18/2019 (Download PDF)

* Jonas Bachmann arbeitet als Leiter Entwicklung Gerätesteckverbindungen bei Schurter in Luzern / Schweiz.

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