Sicheres Trennen von DC-Lasten in Solar-Akku-Hybridsystemen

AKTUELL: Für den Energiewandel technologische Potenziale nutzen


Die sichere Trennung der DC-Seite von Solaranlagen, gekoppelt mit einem Akkusystem zur Stromspeicherung, wird von einer Vielzahl von Anwendern gefordert. Um die Leistung sicher ins Netz einzuspeisen müssen potenzielle Fehlerquellen detektiert und die Quelle vom Verbraucher getrennt werden. Dazu wurden Schaltgeräte entwickelt, die diesen neuen Marktanforderungen Rechnung tragen.

Die Zukunft der Energieversorgung ändert sich. Während in der Vergangenheit die Stromabrechnung für den Kunden überwiegend durch den Verbrauch bestimmt wurde, wird in Zukunft der Zeitpunkt des Verbrauchs eine entscheidende Rolle spielen. Das Überangebot an Solar- und Windstrom zu bestimmten Tageszeiten erfordert eine Strukturreform, um Angebot und Nachfrage in Einklang zu bringen.
„Der politische Raum ist der Hauptkampfplatz dieses strukturellen Energiekonflikts, was nicht zu trennen ist von dem Kampf um die öffentliche Meinung“ [1].

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 Energiespeicherung, als einer der thematischen Schwerpunkte in der Solarbranche gilt [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 zwischen 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 Batterie-Management-Systeme (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 zu Luft- und Kriechstrecken erfüllen. Zum Schalten hoher Gleichstromlasten bis zu 300 kW sind bisher nur wenige Lösungen am Markt erhältlich.
Es benötigt viel technischen Know-hows, um DC-Lasten zu beherrschen und im Störfall sicher zu trennen.

In den folgenden Abschnitten wird dargelegt, wie kompakte DC-Lastrelais aufgebaut sein können und welche physikalischen Prinzipien dabei zur Anwendung kommen [4] [5].

Löschverfahren und Schaltmedien für DC-Lastrelais
Weit verbreitet sind Löschmedien wie Wasserstoff, SF6 oder Stickstoff, die in einer gekapselten, sogenannten Lichtbogenlöschkammer, die zu trennenden Kontaktstücke umschließen. Wasserstoff hat dabei das geringste Molekulargewicht und damit eine sehr gute Wärmeableitung vom Plasma des Lichtbogens. Daher eignet es sich hervorragend als Schaltmedium. Die Elektronen und Ionen aus dem Lichtbogen werden bei Zusammenstößen optimal gekühlt. Ein weiterer Vorteil ist die erhöhte Spannungsfestigkeit im Vergleich zu Luft. Die Nachteile liegen in der leichten Flüchtigkeit des Wasserstoffgases und der damit verbundenen schwierigen Verarbeitung im Produktionsprozess. Die Schaltkammer wird daher vorzugsweise mit einer Keramik gekapselt. Die Kammer muss eine sehr geringe Leckrate aufweisen, um über einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren den Wasserstoffgehalt ausreichend hoch zu halten.

Kontaktwerkstoffe und Blasmagnete zur Lichtbogenwanderung
Wichtig ist es, den Lichtbogen, der mehrere 1000° C heiß ist, in Bewegung zu halten, um großflächiges Aufschmelzen des Kontaktmaterials zu verhindern.
Diese Bewegung wird durch zwei Größen bestimmt. Zunächst ist das Kontaktmaterial bestimmender Faktor. Auf reinen Materialien wie Kupfer verdampft das Material am Lichtbogenfußpunkt und der Lichtbogen wandert sehr rasch ohne äußeren Einfluss durch den entstehenden Gasdruck, der dabei erzeugt wird. Er lässt sich daher mit einem zusätzlichen externen Magnetfeld sehr schnell in eine Löschkammer ablenken. Das Kontaktmaterial zeigt dabei relativ wenig Abbrand. Bei heterogenen Werkstoffen wie AgSnO2 verweilt der Lichtbogen auf der Komponente mit höherer Siedetemperatur (SnO2), weil das Material mit niedriger Siedetemperatur (Ag) verdampft und den Lichtbogen quasi festhält. Um den Lichtbogen dennoch zu bewegen, müssen die Schaltstücke entsprechend geformt werden und das Magnetfeld muss stärker sein als bei reinen Kupferkontakten. Die Magnete (Blasmagnete) werden dazu möglichst nahe an den Kontaktstücken platziert, um das Plasma mit maximaler Feldstärke abzulenken. Stromrichtung und Magnetfeld müssen dabei senkrecht zueinander stehen und entsprechend gepolt sein, damit der Lichtbogen in die Löschkammer abgelenkt wird und um die effektive Lichtbogenstrecke zu vervielfachen. Diese Anordnung der Löschkammer kann einen Lichtbogen nur optimal in eine Stromrichtung abschalten. Dies erfordert bei wechselnden Polaritäten den Einsatz von zwei DC-Lastrelais, die gegeneinander gepolt sind.

Stromführung und Kurzschluss
Neben niedrigem und stabilem Kontaktwiderstand ist vor allem die Verschweißfestigkeit bei Über- oder Kurzschlusslast ein entscheidendes Kriterium. Ist der Kontakt geschlossen, treten bei hoher Strombelastung Kräfte auf, die der Kontaktkraft entgegenwirken. Moderne Akkusysteme können Kurzschlussströme von mehreren 1.000 A entwickeln. Das Kontaktsystem muss mit einer entsprechenden Federkraft geschlossen sein, um ein Öffnen des Kontakts im Kurzschlussfall zu vermeiden. Die Abhebekraft steigt dabei mit dem Quadrat des Stroms. Bei 5.000 A benötigt man für das beschriebene System mindestens 12 N, um ein Abheben der Kontaktfeder (Repulsion) zu vermeiden [6]. Würden sich die Kontaktstücke kurzzeitig öffnen, entstünde ein Lichtbogen, der weit über der üblichen Spezifikation liegt und zu einem sofortigen Verschweißen führt. Bei noch höheren Lichtbogenströmen kann die Schaltkammer explodieren. Daher muss zusätzlich eine Sicherung im Stromkreis vorhanden sein.

Bestehende Lösungen
Bei der EP-Relais-Serie von Panasonic wurden die oben beschriebenen physikalischen Prinzipien konsequent umgesetzt. Die Kontaktöffnung wird durch einen Brückenkontakt realisiert mit reinem Kupfer als Kontaktwerkstoff. Die Kontakte befinden sich in einer mit Wasserstoff gefüllten Keramikkammer.

Ein Permanentmagnet (ca. 15 mT) erzeugt ein nahezu homogenes Magnetfeld. Durch diese Anordnung kann die Kontaktöffnung auf ein Minimum reduziert werden.
EP-Relais


Abbildung 1 zeigt einen Ausschnitt der Kontaktkammer mit abgelenktem Lichtbogen. Die effektive Bogenlänge wird um mehr als das zehnfache verlängert und an den Keramikwänden gekühlt. Als Folge kann deshalb die Schalteinheit sehr kompakt gebaut werden. In der Ausführung bis 300 A erreicht die Kontaktkraft 15 N und ist geeignet um Kurzschlussströme bis zu 6.000 A für 5 ms zu führen, ohne dabei zu verschweißen.
Die Spulenverlustleistung wird in diesem Relais nach einem Strom-impuls beim Einschalten, durch einen internen Steuerkreis auf 3,6 W Halteleistung abgesenkt, ohne dass sich die Kontaktkraft verringert.
Das EP-Relais ist mit Schraubanschlüssen versehen, um eine effektive Wärmeabfuhr zu ermöglichen.


Abbildung 1: offene Kontaktkammer
mit abgelenktem Lichtbogen

In Abbildung 2 ist das Schaltvermögen bzw. die Anzahl der zu erwartenden Schaltspiele über dem Strom, in Abhängigkeit von der Schaltspannung, aufgetragen/gezeigt.




Abbildung 2: Schaltvermögen




Kompakte Innovation, HEV-1000 V
Für die kommenden Aufgaben für Anwendungen bei Hausinstallationen mit Speichersystemen bis 5 kW ist es ausreichend, Ströme bis 20 A bei 800 bis 1.000 V DC zu schalten. Bei der Relaisserie HEV-1000V wurde auf eine gekapselte Schaltkammer verzichtet.
Es wird eine sogenannte Hartgaslöschung verwendet. In Hartgas-Schaltern wird der zur Löschung notwendige Wasserstoff aus der Wand der Löschkammer gewonnen, die aus einem organischen Isolator besteht. Dazu wird der Lichtbogen durch ein Magnetfeld so abgelenkt, dass er eine möglichst große Fläche des Isolators überstreicht.
Allerdings lassen sich damit nur wenige Abschaltungen durchführen, da sich das feste Isoliermaterial verbraucht.
HEV-1000 V DC-Trennrelais
in der Klasse bis 20KW

Die Anzahl der Sicherheitsabschaltungen muss daher in enger Abstimmung mit der Anwendung bestimmt werden. Üblicherweise liegen diese in einer Größenordnung von 10 bis 100 Schaltzyklen bei Maximallast. Im Normalbetrieb wird jedoch überwiegend lastfrei geschaltet.
Da der Schaltlichtbogen in Luft geführt wird, muss die Kontaktöffnung gegenüber den gasgekapselten Systemen deutlich erhöht werden. Erreicht wird dies durch das Hintereinanderschalten von zwei Brückenkontakten. Damit erreicht man einen Kontaktabstand von >10 mm. Als Kontaktmaterial wurde AgNi gewählt. Damit sind im Gegensatz zu Kupferkontakten mehrere tausend Schaltspiele möglich.
Der Lichtbogen wird auch hier durch ein Magnetfeld in die Hartgaslöschkammer geblasen, dabei effektiv verlängert und in kürzester Zeit gelöscht. Selbst bei 20 A/(800-1000) VDC beträgt die Lichtbogenbrenndauer lediglich 20 ms. Dadurch können 10 Schaltspiele erreicht werden, was für viele Anwendungen ausreichend ist. Reduziert man die Spannung auf 600 V DC, sind 10.000 Schaltspiele möglich.
Das neue HEV-1000V Relais ist mit Lötanschlüssen ausgestattet und erlaubt ein kompaktes Layout auf der Leiterplatte. Bei geringeren Schaltspannungen bis 500 V können die zwei Kontakte auch einzeln bzw. in Parallelschaltung verwendet werden.

Fazit
Die zunehmenden Diskussionen um effizientes Energiemanagement und besseren Brandschutz bei Solaranlagen führt sicher in naher Zukunft zu einem vermehrten Einsatz von elektronisch gesteuerten DC-Trennrelais, welche die manuellen Schalter ersetzen.


Dr. Dieter Volm, Panasonic Electric Works Europe AG


Literatur
  • [1] Hermann Scheer, "Der Energetische Imperativ“, Kunstmann Verlag
  • [2] Photon 2012-06 Juni, Seite 99
  • [3] Greg Zimmer, „Die Lektionen für das Batterie-Management sind gelernt“, Elektronik Automotive, 6/7 2011
  • [4] Peter Meckler, „Fehlerquelle mit Brandgefahr“, Elektronik Informationen 6. 2012
  • [5] Proceedings of ICEC-ICREPEC2012, E. Carvou, N. Ben Jema, „Contact behaviour of electric vehicle-battery junction box under high shorting and breaking current.”
  • [6] E. Vinaricky,“Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen“, Springer-Verlag
  • [7] Claudiu Ciobotaru, „Wenn eine Trennung unumgänglich erscheint“, Elektronik Industrie, März 2011


Positionspapier:
Elementarrelais –
CE-Kennzeichnung




©2016 Forum Innovation der
Deutschen Schaltrelais-Hersteller im ZVEI
Update 04/11/2016