Leistungsschalter Die Zukunft gehört dem Gleichstrom

Für den sicheren Betrieb in Gleichstromanwendungen werden Leistungsschalter benötigt, die in der Lage sind, Betriebsströme zu führen und zu schalten sowie Fehlerströme oder Kurzschlüsse zu unterbrechen. Daher ist es von großer Bedeutung, die physikalischen Vorgänge, die beim Ein- oder Ausschalten eines Gleichstromkreises ablaufen, nachvollziehen zu können.

Die Zukunft der Energieerzeugung ändert sich. Infolge einer steigenden Anzahl dezentraler Erzeugungsanlagen sowie neuer Verbrauchertechnologien wie Stromspeichersysteme oder Elektrofahrzeuge erwachsen neue Herausforderungen für Bauteilehersteller. Das zuverlässige und kostengünstige Speichern elektrischer Energie ist der Schlüssel, um einen wechselseitigen Energiefluss zwischen Energieerzeugern und -verbrauchern zu ermöglichen und gleichzeitig das Netz zu stabilisieren. Der weitere Ausbau der Photovoltaik wird entscheidend davon abhängen, wie sie sich in das bestehende Netz integrieren lässt.

Dies ist ein Grund dafür, dass „Electricity Storage“, also Energiepeicherung, als einer der thematischen Schwerpunkte in der Solarbranche gilt [1, 2]. Auf dem Markt bieten, neben der herkömmlichen Blei-Säure-Technik, Lithium-Ionen-Akkus einen Kompromiss aus Leistung, Energiedichte und Wirkungsgrad. Die einzelnen Speichereinheiten lassen sich leicht skalieren und werden in verschiedenen Systemen zusammen mit Solarwechselrichtern von 2 bis 50 kWh angeboten.

Die hohe Energiedichte - z.B. bei Lithium-Ionen-Akkus - kann im Kurzschlussfall Ströme von mehreren 1.000 A verursachen, die zu Explosionen oder Brandschäden führen. Es ist deshalb unbedingt notwendig, entsprechende Batteriemanagementsysteme (BMS) in die Applikation zu integrieren. Sie sind zuständig für den aktiven Zellspannungsausgleich, die Strom- und Spannungsüberwachung sowie entsprechende Sicherheitsfunktionen. Viele Erfahrungen können aus dem Bereich der Elektrofahrzeuge übernommen werden, in denen Hochvoltakkus seit vielen Jahren erfolgreich im Einsatz sind [3].

Um die bei Solaranlagen gegebenen Spannungen bis über 1.000 V auch im Störfall sicher trennen zu können, werden DC-Lastrelais als sogenannte DC-Lasttrennschalter verwendet. Diese müssen die auftretenden Leistungen beherrschen und die Normen über Luft- und Kriechstrecken erfüllen. Zum Schalten hoher Gleichstromlasten bis 300 kW sind bisher nur wenige Lösungen am Markt erhältlich. In den folgenden Abschnitten wird dargelegt, wie kompakte DC-Lastrelais aufgebaut sein müssen und welche physikalischen Prinzipien dabei zur Anwendung kommen [4, 5].

Grundlagen der Stromführung und Überstromverhalten bei einem Schaltkontakt Im Bereich der Energietechnik mit Strömen bis zu einigen 100 A ist es notwendig, den Übergangswiderstand von Schaltkontakten so zu optimieren, dass keine nennenswerte Erwärmung auftritt. Um die umgesetzte Leistung an der Engestelle des Kontaktes gering zu halten, strebt man einen Bereich an zwischen 100 µΩ und 1 mΩ. Damit bleibt der Leistungsabfall am Kontakt im Bereich von wenigen Watt, die über die Zuleitungen oder Kühlkörper abgeführt werden müssen. Bei einem Strom von 100 A und einem Kontaktwiderstand von 1 mΩ sind das 10 Watt Verlustleistung. Der Übergangswiderstand RK ist im Wesentlichen von zwei Faktoren abhängig: von der Wahl des Kontaktmaterials und der Kontaktkraft FK . Dies wird in Formel 1 verdeutlicht, die in einer ersten Näherung die gegenseitige Abhängigkeit aufzeigt:

left parenthesis 1 right parenthesis space italic gamma times square root of H over F subscript K end root

Hierin gelten: H = Härte des Kontaktwerkstoffs, FK = Kontaktkraft und γ = spezifischer Widerstand des Kontaktwerkstoffs.

Das Ziel ist es, durch die Wahl eines geeigneten Kontaktwerkstoffes mit guter elektrischer Leitfähigkeit und einem effektiven magnetischen Antrieb, der die notwendige Kontaktkraft aufbringt, die gesamte Verlustleistung zu minimieren. Es ist offensichtlich, dass eine Erhöhung der Kontaktkraft durch eine höhere Spulenleistung erkauft wird. Diese liegt ebenfalls im Bereich von 5 bis 10 W für Schaltgeräte im dreistelligen kW-Bereich. Die Kunst besteht nun darin, hier das Minimum zwischen Spulenverlusten und Verlusten am Kontakt zu finden.

Bei einem Kupferkontakt benötigt man eine Kontaktraft von mindestens 10 N, um einen stabilen Kontaktwiderstand unter einem 1 mΩ zu erreichen. Durch Oxidation und Fremdschichten kann der reale Wert deutlich von obiger Formel abweichen, die in ihrer Näherung von einem idealen sauberen Kontakt ausgeht. Zudem ist der Kontaktwiderstand keine konstante Größe, sondern ändert sich über die Lebensdauer - je nach Beanspruchung und Umgebungsbedingungen.

Neben niedrigem und stabilem Kontaktwiderstand ist die Verschweißfestigkeit bei geschlossenem Kontakt bei Über- oder Kurzschlusslast ein entscheidendes Kriterium. Die Schaltelemente müssen in der Lage sein, kurzzeitig hohe Lastströme zu führen und diese auch abzuschalten. Moderne Akkusysteme können Kurzschlussströme von mehreren 1.000 A entwickeln und dabei erhebliche Schäden verursachen.

Bei dieser Strombelastung treten elektrodynamische Kräfte auf, die der Kontaktkraft entgegenwirken. Das Kontaktsystem muss nun so ausgelegt werden, dass ein Überlaststrom nicht zu einer unzulässigen Kontaktkraftverminderung führt. Im Extremfall wird bei einer - durch Lorentzkräfte bedingten - Kontaktkraftverringerung der Kontaktwiderstand steigen; zugleich steigt auch die Temperatur stark an. Wird dabei die Schmelztemperatur überschritten, verschweißen die Kontakte unweigerlich.

Ist der Strom in der Lage, Lorenzkräfte zu erzeugen, die über der Kontaktkraft liegen, so öffnen sich die Kontakte und es entsteht ein Lichtbogen. In diesem Fall steigt der Leistungsumsatz so dramatisch an, dass unter Umständen die Schaltkammer explodiert. Als Folge muss zusätzlich eine Sicherung im Stromkreis eingebaut sein, die den Stromkreis öffnet. Die Abhebekraft steigt dabei mit dem Quadrat des Stroms und kann näherungsweise berechnet werden[1, 6]:

left parenthesis 2 right parenthesis space F subscript A equal 0 comma 1 times I to the power of 2 times italic ln square root of fraction numerator italic pi italic epsilon H over denominator F subscript K end fraction end root

Hierin steht H für die Härte des Kontaktwerkstoffs, I für Strom, FA für die Abhebekraft durch strombedingte Lorenzkraft und FK für die Kontaktkraft sowie ε für den Koeffizienten der Oberflächenbeschaffenheit.

Für eine einfache Abschätzung mit einem AgNi40-Kontaktwerkstoff kann man die Formel zudem reduzieren auf FA = 0,33 · (I/kA)2. Daraus folgt eine Abhebekraft von 8,25 N bei 5.000 A. Falls die Materialparameter nicht bekannt sind, kann die Formel als erste Abschätzung für andere Kontaktwerkstoffe verwendet werden. Für Kupfer mit einer größeren Härte benötigt man bei 5.000 A mindestens 12 N, um ein Abheben der Kontaktfeder zu vermeiden. Die Kontaktkraft bestimmt damit den maximalen Kurzschlussstrom, den ein Relais ohne Beschädigung führen kann. Treten höhere Ströme auf, so sind die Kontakte entsprechend abzusichern.