Die ersten Gleichspannungsnetze wurden ab 1880 durch Thomas Alva Edison entwickelt und in Form von Inselnetzen betrieben. Bis heute werden Gleichspannungsnetze aus historischen Gründen in bestimmten Applikationen genutzt, etwa für U-Bahnen und Straßenbahnen. Es gibt zahlreiche weitere Applikationen, die entweder hauptsächlich mit DC versorgt oder erst beim Netzausfall auf Gleichspannung umgeschaltet werden. Dabei geht es etwa um die Leittechnik in Kraftwerken und in prozesstechnischen Anlagen, um den Notbetrieb von Kraftwerken sowie um zahlreiche Notbeleuchtungsanlagen in unterschiedlichen Installationen.
Durch die Weiterentwicklung von Leistungselektronik können heute hohe Leistungen mit hohem Wirkungsgrad erzeugt werden. Hierbei werden die DC-Systeme nicht nur effizienter und kostengünstiger. Auch Wechselrichter, Gleichrichter und DC-DC-Wandler werden kompakter, weil sich auf der Leiterplatte weniger Komponenten befinden. So sind zahlreiche neue Applikationen entstanden – von der Energiegewinnung aus regenerativen Quellen bis hin zum Aufbau dezentraler Kraftwerke. Auch Telekommunikation und Rechenzentren profitieren von den Vorteilen der DC-Spannungsversorgung und entwickeln neue Konzepte. Zusätzlich kommen neue Applikationen mit Batteriespeichersystemen und E-Mobilen hinzu. Um die empfindliche Leistungselektronik vor Schäden durch Überspannungen zu schützen und dadurch die Verfügbarkeit der Anlagen
sicherzustellen, ist ein wirksames Schutzkonzept für die DC-Anwendung erforderlich.
Störimpulse und deren Folgen
Wechselrichter, Gleichrichter und DC-DC-Wandler bestehen meist aus elektronischen Komponenten, die mit möglichst geringeren Verlusten arbeiten und die Spannung konvertieren sollen. Aufgrund der niedrigen Störfestigkeit reagieren diese Komponenten sensibel auf Überspannungsereignisse. Da die unerwarteten Störimpulse häufig weit über die Störfestigkeit der Bauteile hinausgehen, sind diese den Belastungen ausgesetzt und werden dadurch vorgeschädigt oder sogar zerstört. Die Störimpulse entstehen durch direkte und indirekte Blitzeinschläge in das Erdreich oder in die elektrische Installation, sowie durch transiente Überspannungen aufgrund von Schalthandlungen im Versorgungsnetz.
Blitzeinschläge sind zwar meist energiereich, allerdings je nach Region teilweise recht selten. Die Blitzenergie reicht aus, um die elektrischen und elektronischen Systeme zu zerstören oder Brände zu verursachen. Zudem erzeugen Blitzeinschläge am Einschlagsort Spannungserhöhungen von mehreren tausend Volt. Schlägt ein Blitz etwa in ein Gebäude mit einem äußeren Blitzschutz ein, oder auch in einen Baum in der Umgebung, wird das Erdpotential angehoben. So kann zwischen Energieleitung und den geerdeten Teilen eine Potentialdifferenz von mehreren zehntausend Volt entstehen. Dies übersteigt häufig die Spannungsfestigkeit von Geräten und führt zu Überschlägen in der Installation oder in den eingebauten elektronischen Komponenten.
Bei direkten Blitzeinschlägen in die Peripherie sucht der Blitzstrom immer den widerstandsarmen Weg zur Erde. Aufgrund einer galvanischen Kopplung in der elektrischen Installation kann der Blitzimpuls über einen PE-Leiter an die Leistungselektronik gelangen und diese zerstören.
Ein anderes physikalisches Phänomen ist die Einkopplung von Überspannungen durch ein äußeres Blitzschutzsystem. So erzeugt beispielsweise der Stromfluss in den Ableitungen vom äußeren Blitzschutzsystem ein elektromagnetisches Feld um sich herum, das wiederum Überspannungen in die parallel verlaufende Versorgungsleitung induziert.
Eine andere Ursache für häufige Überspannungen sind Schalthandlungen im Versorgungsnetz. Diese können bis zu mehrere tausend Volt betragen und beispielsweise durch Ein- und Ausschaltvorgänge von nahegelegenen elektrischen Ausrüstungen, Erd- und Kurzschlüsse sowie durch das Auslösen einer Sicherung entstehen. Dabei können die Überspannungen die funktionsfähige Leistungselektronik vorschädigen und dadurch die Lebensdauer der Komponenten deutlich reduzieren.
Wer derartige Ausfälle durch Störimpulse vermeiden und seine Investitionen in hochwertige Leistungselektronik schützen möchte, kommt an einem umfassenden Überspannungsschutzkonzept nicht vorbei.
Schutzmechanismen für die DC-Anwendung
Mit zunehmender Anzahl der DC-Systeme werden auch neue sicherheitsrelevante Anforderungen an DC-Schutzgeräte gestellt, da die physikalischen Eigenschaften bei Gleich- und Wechselspannung unterschiedlich sind. Denn die Gleichspannung hat im Gegensatz zur Wechselspannung keinen Nulldurchgang – der entstandene Lichtbogen beim Schaltvorgang wird nicht selbstständig gelöscht und kann zu einem Brand führen. Ziel ist es nun, im Fehlerfall den entstandenen Lichtbogen im DC-Überspannungsschutz gerät mithilfe einer geeigneten Abtrennung oder einer Vorsicherung frühzeitig zu löschen. Damit der Anwender seine Anlage optimal schützen kann, wurde die neue Produktfamilie Valvetrab SEC-DC entwickelt.
Neue Produktfamilie
Valvetrab SEC-DC wurde nach neuen Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit konzipiert und erfüllt alle bis heute bekannten sicherheitsrelevanten Anforderungen aus den Produktnormen IEC 61643-11, EN 50539-11, UL 1449 und der zukünftigen Norm IEC 61643-41. Dank kompakter Bauform – mit nur 12 mm pro Kanal – kann die Installation im Schaltschrank problemlos erfolgen. Der neue Überspannungsableiter für DC-Stromkreise bietet neben der kompakten Bauform auch eine leistungsfähige neuartige DC-Abtrennvorrichtung. Diese ist so ausgelegt, dass im Überlastfall der Schaltlichtbogen sicher gelöscht wird. Mögliche Brandschäden werden also vermieden. Das hohe Eigenlöschvermögen des Überspan- nungsschutzgeräts ermöglicht den Einsatz bis zu einem 200 A perspektiven Kurzschlussstrom ohne Vorsicherung.
Dank des hohen Nennableitstoßstroms von
20 kA sorgen die neuen Komponenten für optimalen Schutz der Anlage. Verfügbar sind sie in den Spannungsvarianten 48, 120, 220 und 380 V. Für isolierte Netze bietet die neue Produktfamilie leckstromfreie Varianten. Damit wird die Isolationsüberwachung in der Anwendung nicht gestört. Diese Varianten sind zusätzlich nach der aktuellen Photovoltaik-Norm EN 50539-11 qualifiziert und können in kleinen PV-Systemen eingesetzt werden.
Zusätzlich bietet die neue Produktfamilie ein hohes Maß an Vertauschsicherheit durch Kodierung für den jeweiligen Stecker im Basiselement. Die Stecker können dort um 180° gedreht eingesetzt werden und erleichtern somit die Lesbarkeit der Produkte in der Installation.
Mithilfe einer optisch-mechanischen Anzeige in jedem einzelnen Stecker und eines integrierten potentialfreien Fernmeldekontaktes im Basiselement kann der aktuelle Status des Überspannungsschutzgerätes jederzeit visuell und elektronisch überprüft werden. Für die Dokumentation bietet Phoenix Contact das Prüfgerät Checkmaster 2 zum Prüfen der einzelnen Stecker nach möglichen Vorschädigungen. Checkmaster 2 prüft steckbare Überspannungsschutzgeräte komfortabel und vollautomatisch – defekte und vorgeschädigte Geräte werden sicher erkannt und können im Rahmen vorbeugender Wartung ausgetauscht werden. Alle Prüfergebnisse werden zudem normgerecht dokumentiert.
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Dipl.-Ing. Andreas Schamber,
Produktmanager Power Protection,
Phoenix Contact
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