Mit Sonnenkraft voraus!

Relais für zukünftige Gleichstromnetze


Nachdem die Nutzung der Kernfusion auf der Erde technisch nicht absehbar ist, gilt es die Strahlung der Kernfusion im Inneren der Sonne zu nutzen, die uns hoffentlich noch eine Weile erhalten bleibt. Es zeigt sich, dass dies sehr erfolgreich mit Solarzellen möglich ist und mit gutem Wirkungsgrad realisiert wird. Da Solarzellen Gleichstrom erzeugen, ist es naheliegend sich über eine Infrastruktur mit Gleichstromnetz Gedanken zu machen [1], die jedoch neue Schaltelemente benötigt.

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



Abb. 1: Potentialverlauf im Lichtbogen


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

Die DC Abschaltung benötigt allerdings den 50-100 fachen Kontaktabstand bei einer mit Wechselstrom vergleichbaren Schaltleis-tung. Das ist technisch zwar möglich, aber die Bauteile werden damit viel zu groß für den praktischen Einsatz. Deshalb verlängert man den Lichtbogen üblicherweise mit einem externen Magnetfeld. Weitere konstruktive Möglichkeiten bieten Löschbleche und Schutzgase. Ein interessanter Aspekt ist hier die Wechselwirkung des Lichtbogens mit dem Gas der Umgebung. Ein frei brennender Lichtbogen in Luft hat einen Spannungsabfall von ca. 30 V/mm. Bei Einsatz von geeigneten Gasen kann man dem Lichtbogen auf gleichem Raum mehr Energie entziehen, der Spannungsabfall pro zurückgelegtem Weg vergrößert sich und der Lichtbogen benötigt eine höhere Spannung um zu bestehen.

Dies geschieht im Detail durch folgende Prozesse:
Die Elektronen aus der Kathode werden im elektrischen Feld beschleunigt und geben Ihre Energie durch Stoßprozesse an das umgebende Gas ab, überwiegend durch Stoßionisation. Die dabei entstehenden freien Elektronen werden wiederum beschleunigt und erzeugen noch mehr freie Elektronen, sodass ein Lawinen-effekt einsetzt. Dies geschieht in der Ionisationszone, an der Grenze zwischen Kathodenfallgebiet und Bogensäule. Je nach Gasdichte und Medium ändert sich die freie Weglänge und damit der Energieaustauch pro Wechselwirkung. Diese Abhängigkeiten las-sen sich nutzen, um eine geeignete Kombination aus Art des Gases, Druck und Kontaktabstand herzustellen um diesen Lawineneffekt zu unterbrechen.



Abb. 2: Vergleich eines Ausschaltlichtbogens bei Wasserstoff und Luftatmosphäre

Abbildung 2 zeigt exemplarisch einen Vergleich für den Abschaltvorgang eines DC-Relais in Luft- und Wasserstoffatmosphäre bei 300 VDC und 1000 A. Sehr gute Ergebnisse erzielt man neben Wasserstoff auch mit Stickstoff, das den Lichtbogen deutlich schneller löscht. Messungen der Lichtbogenbrenndauer für ein kompaktes DC-Relais mit Kupferkontakten und 5 mm Kontaktabstand in verschiedenen Medien finden Sie hier in der Tabelle:


Wasserstoff
Helium
Stickstoff
Luft
Lichtbogen-
Brenndauer in ms
400 VDC / 10 A
1,7
3,9
2,8
5

Tabelle: Lichtbogenbrenndauer von verschiedenen Gasen bei Normaldruck für Kupferkontakte bei 5 mm Öffnungsweite.


Mit Wasserstoff gefüllte Trennschalter wie die EV/EP Serie von Panasonic werden zurzeit hauptsächlich im Automobilbereich verwendet. Diese Technologie kann aber auch für zukünftige Relais im Industriebereich in DC-Netzen eingesetzt werden.



Literatur
[1] Direct Current Components + Grid, European ENIAC project, www.eniac.eu, www.dcc-g.eu.
[2] Anheuser, M.; Behrens, V.; Berger, F.; Mützel,
T.: Schaltende Kontakte und deren Werkstoffe, Einführungsvortrag, VDE-Fachbericht 71, 23. Albert-Keil-Kontaktseminar, Karlsruhe, 2015


Dr. Dieter Volm, Panasonic Electric Works Europe AG



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Update 04/11/2016