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Relais für hohe Gleichströme

Dem Lichtbogen keine Chance

22. November 2018, 09:00 Uhr   |  Dirk Wortmann, Phoenix Contact

Dem Lichtbogen keine Chance
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In industriellen Bereichen kommen zum Schalten von Verbrauchern elektromechanische oder halbleiter-basierte Relais zum Einsatz. Sind Gleichstromlasten mit höherer Spannung und oft zugleich höherer Leistung zu schalten, erweisen sich Standardrelais als ungeeignet und fallen oftmals schnell aus.

Anwendungen, bei denen höhere Gleichspannungslasten zu schalten sind, finden sich in den verschiedensten Industriebranchen. In vielen dieser Einsatzbereiche kommen sie häufig vor und sind den Entwicklungsingenieuren respektive Planungsbüros daher geläufig. Als Beispiele seien Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb bis 800 V, Batteriespannungen auf Zügen mit landesspezifischen 72 V, 96 V oder 110 V sowie Photovoltaikanlagen bis 1000 V genannt. Aufgrund der jeweils besonderen Schaltanforderungen bei gleichzeitig hohem Strom haben die Relaishersteller für derartige Applikationen spezielle Relais entwickelt (Bild 1). Die Geräte lassen sich allerdings meist nicht in den Schaltschrank­anwendungen der Automatisierungstechnik nutzen.

In der industriellen Automatisierungstechnik herrschen in den Schaltschränken bekanntermaßen die klassischen Steuerspannungen 24 V Gleich- und 230 V Wechselspannung sowie die Drehstromsysteme überwiegend für elektrische Antriebe vor. Doch auch hier gibt es bei genauerem Hinsehen Gleichspannungssysteme über 100 V, die üblicherweise als batteriebasierte Notstromversorgungen bei einem Ausfall der Netzspannung dienen. Entsprechende Lösungen kommen unter anderem in Serverfarmen und Rechenzentren, auf Flughäfen, in der chemischen Industrie und der Verfahrenstechnik sowie in Kraftwerksanlagen zum Einsatz. Exemplarisch wollen wir im Folgenden näher auf den Anwendungsfall im Kraftwerk eingehen.

Phoenix Contact, Relais
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Bild 1: Leistungsrelais für Gleichstromlasten bis 200 A, wie es beispielsweise in Elektro-Gabelstaplern eingesetzt werden kann.

Um selbst im Fehlerfall den unterbrechungsfreien Betrieb sicherzustellen, verfügen Kraftwerke über Notstromgeneratoren. Fallen diese ebenfalls aus, müssen große Batterieanlagen den Notbetrieb wichtiger Aggregate über eine gewisse Zeit aufrechterhalten. In Europa sind in derartigen Applikationen vorzugsweise 220-V-Batteriesysteme verbaut, während weltweit ebenso 110-V- und 125-V-Lösungen Verwendung finden. Um die sehr hohe benötigte Leistung liefern zu können, ist eine erhebliche Anzahl von Einzelzellen in Reihe sowie parallel zu einer großen Batterieanlage verschaltet. Zahlreiche leittechnische Verbraucher nutzen die Gleichspannung aus diesen Batterien unmittelbar, darunter auch viele Schaltgeräte wie Schütze und Koppelrelais, die praktischerweise im Schaltschrank auf genormten DIN-Tragschienen aufgerastet werden. Die Versorgung von Drehstromverbrauchern aus den Batterien – beispielsweise Pumpen – erfolgt dagegen indirekt über rotierende Umformer oder Umrichter.

Warum Relais ausfallen 

Warum fallen die oftmals aus Unwissenheit in derartigen Applikationen installierten Standard-Koppelrelais – wie eingangs beschrieben – schon nach kurzer Zeit aus? Die Antwort ergibt sich aus dem komplett unterschiedlichen Verhalten von Koppelrelais beim Schalten von AC- und DC-Spannung. Nahezu alle heute angebotenen Standard-Koppelrelais weisen Kontaktabstände von etwa 0,3 mm bis 0,4 mm auf. Diese Distanz reicht problemlos, um AC-Lasten bis 230 V selbst bei höherem Strom abzuschalten. Nach spätestens einer Halbwelle kommutiert die sinusförmige Netzspannung und wechselt das Vorzeichen. Beim Nulldurchgang der Spannung verlöscht der eventuell beim Abschalten entstandene Lichtbogen von selbst.

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Bild 2: Stark unterschiedliche Lastgrenzkurven eines Standard-Koppelrelais für kontaktseitiges Schalten von AC-Lasten (Kurve 1) und DC-Lasten (Kurve 2) – jeweils ohmsche Last.

Bei Gleichspannung kommutiert die Spannung logischerweise nicht, weshalb der maximal zulässige Schaltstrom insbesondere bei höherer Schaltspannung drastisch sinkt. Das AC- und DC-Schaltverhalten wird häufig in Graphen dargestellt, wobei diese als Lastgrenzkurven bezeichnet werden (Bild 2).

Anwendern ist das unterschiedliche Verhalten der Relais oft nicht bewusst, denn bei den in der Automatisierungstechnik weit verbreiteten Spannungen von 24 V (DC) und 230 V (AC) zeigt sich der abschaltbare Strom – wie beim Graph in Bild 2 – als völlig identisch: hier im Beispiel des 10-A-Koppelrelais eben 10 A. Bei einer Applikation, bei der die zu schaltende Gleichspannung erheblich höher ist – beispielsweise 220 V –, kann das 10-A-Koppelrelais lediglich 0,3 A abschalten. Vor diesem Hintergrund kommt es immer wieder zu Fehlanwendungen, die teilweise bereits beim ersten Schaltspiel zu einem Totalausfall der Standard-Koppelrelais führen.

Lichtbogen bei einem Relais

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Die Bildfolge in Bild 3 visualisiert, was passiert, wenn sich die Last – in diesem Fall 1 A bei 220 V (DC) – deutlich oberhalb der DC-Lastgrenzkurve gemäß dem Graph in Bild 2 befindet. Dies soll unterstreichen, dass herkömmliche Koppelrelais mit dem Abschalten höherer DC-Lasten überfordert sind. Die Automatisierungstechnik benötigt also Speziallösungen.

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2. Magnetische und elektronische Lösung

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