Gleichstromkontakte
Den Lichtbogen sicher bändigen
Gleichstromnetze verbessern die Effizienz, steigern Wirkungsgrade und vereinfachen die Installation. Dem gegenüber stand bisher jedoch das erhöhte Sicherheitsrisiko, denn Lichtbögen sind brandgefährlich. Dieser Herausforderung begegnet Phoenix Contact mit dem DC-Steckverbinder der Serie ArcZero.
Viele Länder haben sich weltweit das Ziel gesetzt, ihren Netto-CO2-Ausstoß auf Null zu reduzieren. Hierfür ist es einerseits nötig, erneuerbare Energien weiter auszubauen und ihre Speicherung voranzutreiben. Aber auch eine Steigerung der Energieeffizienz ist sehr wichtig. Dabei reichen die Potenziale von der Modernisierung von Kraftwerken über energieeffiziente Motoren und energieeinsparende Industrieprozesse bis hin zur energetischen Sanierung von Gebäuden und dem Einsatz energieeffizienter Geräte.
Die meisten Elektronikgeräte und Produktionsmaschinen laufen mit Gleichstrom. Diese Aussage mag angesichts globaler AC-Netze überraschen. Wer aber genau hinschaut, entdeckt im privaten wie gewerblichen Umfeld vorwiegend Gleichstrom. Mit diesem Bild vor Augen erscheint es schon merkwürdig, dass die Gleichstromtechnik spätestens mit dem Aussterben von Gleichstrommotoren in der Fabrik aus dem Bild gefallen war. Aber Gleichstrom kommt zurück – in Gestalt intelligenter DC-Grids innerhalb einer stromgeführten Energiewende.
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Mit Gleichstrom in die Zukunft
In den Anfangsjahren elektrischer Energienetze verbrauchten vor allem Beleuchtung und kleinere Elektromotoren elektrischen Strom. Heutzutage gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Geräte, und ein Trend zeichnet sich deutlich ab: Der Anteil an Gleichstromverbrauchern nimmt kontinuierlich zu. Vor einigen Jahren waren Glühlampen beispielsweise die Standardbeleuchtung, aber energieeffiziente LED-Beleuchtungen ersetzen diese zunehmend. Auch der steigende Bedarf in der IT-Infrastruktur, in Mobilfunknetzen oder Rechenzentren erfordert letztendlich Gleichstrom. Und was ist mit Elektromotoren? Um ihre Effizienz zu steigern, werden sie häufig mit einem Umrichter betrieben, der ebenfalls Gleichstrom im Zwischenkreis verwendet.
Dies gilt auch für die Energieerzeugung. Wenn beispielsweise ein Generator Wechselstrom aus Wind- oder Wasserkraft erzeugt, wird auch hier ein Gleichstrom-Zwischenkreis benötigt, um präzise 50 Hz für die Einspeisung ins Netz zu erzeugen. Darüber hinaus liefert die Photovoltaik direkten Gleichstrom aus ihren Modulen. All das macht deutlich, dass der Einsatz von Gleichstrom sowohl bei der Energieerzeugung als auch beim Energieverbrauch immer wichtiger wird und in verschiedenen Bereichen der Gesellschaft eine zentrale Rolle spielt (Bild 1).
Anforderungen an die DC-Steckverbinder
Verdrängt der Gleichstrom den Wechselstrom, ändern sich die Anforderungen an die eingesetzten Komponenten: Schutzkonzepte können nicht immer eins zu eins aus Systemen mit Wechselspannung übernommen werden, und das Netzverhalten unterscheidet sich deutlich. Kurzschlussströme können stark variieren, Erdungskonzepte müssen angepasst werden, Netzstrukturen werden dezentraler und Spannungsbereiche und Quellen vielfältiger, nur um ein paar Aspekte zu nennen.
Ein entscheidender Unterschied zwischen Gleich- und Wechselstrom ist dabei der Lichtbogen bei Schalt- und Trennvorgängen. Bei Wechselstroman-wendungen oszillieren Strom und Spannung und es kommt somit 100-mal in der Sekunde zu Nulldurchgängen mit Polumkehr. Es können sich daher nicht so leicht stabile Lichtbögen ausbilden, wie das bei Gleichstrom der Fall ist. Daher sind in dieser Netzform die Schäden an Kontakten und Gehäusen tendenziell größer und es besteht ein größeres Risiko für den Bediener.
Phoenix Contact führt seit mehreren Jahren verschiedene Versuchsreihen im Produktbereich der Geräte- und Feldanschlusstechnik an bestehenden Steckverbindern durch, um DC-Lichtbögen genauer zu verstehen. Es wurden verschiedene Technologien und Prototypen für ein sicheres Stecken und Trennen von Verbindungen in Gleichstromnetzen entwickelt. Das Resultat: der neue Steckverbinder für Gleichstromnetze mit der Bezeichnung ArcZero (Bild 2).
ArcZero zähmt den Lichtbogen
Das besondere Merkmal steckt im Inneren des DC-Steckverbinders. Eine neuartige Elektronik, direkt im Stecker verbaut, löscht aktiv den Lichtbogen. Dies schützt den Anwender und sorgt für das gleiche Sicherheitsniveau, das von AC-Steckverbindern bekannt ist.
Die schnelle Unterbindung des Lichtbogens durch die integrierte Elektronik minimiert den Verschleiß und bildet damit die Basis für die Langlebigkeit des Steckverbinders. Durch das sichere Verbinden und Trennen unter Last können ausgewählte Anlagenteile, zum Beispiel für den Teiletausch oder bei einer Wartung, sicher abgeschaltet werden, während die übrige Anlage weiter in Betrieb bleibt. Stillstandszeiten gehören durch diese hohe Verfügbarkeit der Vergangenheit an.
Verpackt ist das Ganze in ein langjährig etabliertes und erprobtes Gehäusekonzept. Mit Schutzarten bis IP69, einer hohen Schlagfestigkeit bis IK08 und einer langfristigen Outdoor-Eignung kann der Steckverbinder seine Stärken in vielen Einsatzbereichen ausspielen, egal ob drinnen oder draußen. End- und Verteilstromkreise bis 20 A und 400 V respektive 800 V können mit dem ArcZero-Steckverbinder verbunden werden. Dabei bleibt die Bedienung intuitiv einfach: Werkzeug ist nicht erforderlich, denn Anwender müssen keine Tasten oder Schalter betätigen. Für besondere Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit sorgt die große Zahl möglicher Steckzyklen (Bild 3).
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Sichere Trennung unter Last
Im Normalbetrieb fließt der Strom über den Plus- und den Minuskontakt, der Steuerkontakt ist in dieser Position isoliert. Wird der Steckverbinder getrennt, laufen folgende Schritte im Inneren des Steckverbinders ab (Bild). Der Pluskontakt ist etwas kürzer ausgelegt als der Minuskontakt. Somit wird im Trennvorgang dieser als erstes getrennt. Gleichzeitig wird der Steuerkontakt aus dem isolierten Bereich in den leitenden Bereich geführt. Der Strom fließt ab diesem Moment durch die Elektronik, die den Stromkreis sicher öffnet. Der Stromkreis ist geöffnet, und es fließt kein Strom mehr. Im weiteren Trennvorgang trennen Steuerkontakt und Minuskontakt lichtbogenfrei. Der PE ist voreilend ausgelegt, sodass dieser zuletzt trennt. ______________________________________________________________________
Fazit
Steckverbinder mit der ArcZero-Technologie ermöglichen das sichere Trennen in Gleichstromnetzwerken und verhindern das Entstehen von Lichtbögen. Dies macht die Handhabung bei Installation und Wartung denkbar einfach: Muss im Wartungsfall ein Gerät ausgetauscht werden, kann das einfach unter Last erfolgen; Bedienende sparen sich das Freischalten der kompletten Anlage. Das bedeutet weniger Stillstand, eine hohe Anlagenverfügbarkeit und noch mehr Effizienz – und auch die Sicherheit ist uneingeschränkt gegeben.
Der Autor
Andreas Beck
ist Senior Specialist Product Management – Product Marketing Connectors for New Energies, Business Area Device Connectors bei Phoenix Contact.
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