Erneuerbare Energien Relais für zukünftige Gleichspannungsnetze

Autor / Redakteur: Dr. Dieter Volm* / Richard Oed

Beim Schalten von Gleichstromlasten entstehen Lichtbögen, die in möglichst kurzer Zeit gelöscht werden müssen. Dies wird durch eine spezielle Kombination aus Gas, Druck und Kontaktabstand erreicht.

Firmen zum Thema

Bild 1: Potentialverlauf im Lichtbogen mit der Einteilung in Kathodenfallgebiet, Bogensäule und Anodenfallgebiet mit den entsprechenden Übergangszonen.
Bild 1: Potentialverlauf im Lichtbogen mit der Einteilung in Kathodenfallgebiet, Bogensäule und Anodenfallgebiet mit den entsprechenden Übergangszonen.
(Bild: Panasonic Electric Works Europe)

Die Veränderungen im Markt der erneuerbaren Energien, vor allem der dynamische Zuwachs an Solaranlagen und Energiespeichersystemen, erzeugen eine steigende Nachfrage nach Schaltgeräten zum Trennen von Gleichspannungen.

Zudem wird weiterhin intensiv daran geforscht, diese lokal erzeugte regenerative Energie für alle elektrischen Verbraucher in Gebäuden,wie beispielsweise die Beleuchtung, die IT-Infrastruktur, oder auch drehzahlgeregelte Antriebe für Klimaanlagen und Lüftung, über ein Gleichspannungsnetz zu versorgen [1].

Die direkte Nutzung von Gleichspannung bietet Vorteile

Der Vorteil einer direkten Nutzung von Gleichspannung liegt darin, dass die sonst notwendige Gleichstrom/Wechselstrom- und Wechselstrom/Gleichstrom-Umwandlung vermieden wird – was zu einer deutlichen Energieeinsparung führt.

Dies ist ein wichtiges Kriterium in energieintensiven Branchen, wie beispielsweise Rechenzentren, wo der Schritt zu einen 400 VDC Niederspannungsnetz intensiv diskutiert wird. Problematisch ist dabei jedoch der fehlende Nulldurchgang im Spannungsverlauf von Gleichspannungsnetzen.

An Relais werden besondere Anforderungen gestellt

Um einen Verbraucher von einem Gleichspannungsnetz zu trennen, muss wesentlich mehr Aufwand getrieben werden, als wir dies vom herkömmlichen Wechselspannungsnetz her kennen. Einige der Besonderheiten und Anforderungen an Gleichspannungs-Schaltgeräte sowie verschiedene Lösungsmöglichkeiten werden im Folgenden diskutiert.

Das Ausschalten von Gleichspannungen stellt an Relais besondere Herausforderungen, da im Ausschaltmoment ein Lichtbogen entsteht, wie in Bild 1 schematisch dargestellt [2].

Bei Spannungen über ungefähr 12 V und einem Strom über 1 A ist der Lichtbogen die übliche Entladungsform. In der Abbildung ist der Spannungsverlauf zwischen Anode und Kathode beziehungsweise den beiden Kontaktstücken aufgetragen.

Die Lichtbogensäule kann als ein im thermischen Gleichgewicht befindliches quasi neutrales Plasma, bestehend aus Elektronen und Ionen, angesehen werden. Die Lichtbogenspannung setzt sich aus dem Spannungsabfall an der Kathode, der Anode und der Bogensäule zusammen.

Die Temperatur der Bogensäule liegt bei frei brennenden Lichtbögen zwischen 10.000 und 20.000 K.

Gleichspannung benötigt einen größeren Kontaktabstand

Ein Lichtbogen kann nur gelöscht werden, wenn der Kontaktabstand so gewählt wird, dass die Elektronen auf dem Weg von der Kathode zur Anode mehr Energie verlieren, als von der Spannungsquelle aufgebracht wird.

Theoretisch kann man daher jeden Lichtbogen löschen, indem man die Bogensäule entsprechend verlängert.

Die Abschaltung von Gleichspannung bei einer mit Wechselstrom vergleichbaren Schaltleistung benötigt den 50 bis 100-fachen Kontaktabstand. Das ist technisch zwar möglich, aber die Bauteile werden damit für den praktischen Einsatz viel zu groß.

Deshalb verlängert man den Lichtbogen üblicherweise mit einem externen Magnetfeld. Weitere konstruktive Möglichkeiten bieten Löschbleche und Schutzgase.

(ID:44607341)