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Projekt 'DC-Industrie' - Teil 2: Die Energieverteilung und Antriebstechnik im Gleichstromnetz

Fortsetzung des Artikels von Teil 5.

Die Schutzmaßnahmen im Fehlerfall

Wie bei AC-Netzen können auch bei DC-Netzen unterschiedliche Fehlerfälle auftreten. Diese sind grundsätzlich beherrschbar und daher unkritisch. Allerdings unterscheiden sich die Schutzmaßnahmen bei einer offenen, dezentralen DC-Versorgung in manchen Punkten von denjenigen bei AC-Versorgung. Bei einem Kurzschluss entladen sich alle im DC-Netz vorhandenen Kapazitäten über die Fehlerstelle und es kommt zu hohen Stromspitzen. Diese fließen auch aus nicht defekten Geräten in die Fehlerstelle. Für ein offenes DC-Netz ist es wichtig, dass Geräte dadurch nicht kaputtgehen.

4_Darstellung von zwei Geräten im DC-Netz Bildquelle: © Lenze

Bild 4: Darstellung von zwei Geräten im DC-Netz mit relevanten Bauteilen und möglichen Fehlerstellen: eingangsseitig, Geräte-intern und ausgangsseitig.

Bild 4 zeigt zwei Antriebssysteme, bestehend aus einem Antriebswechselrichter (Gerät 1 und Gerät 2) mit jeweils einem Motor. In der dargestellten Anordnung können Kurzschlüsse (SC: Short-Circuit) und Erdfehler (EF: Earth-Fault) an verschiedenen Stellen auftreten. Während bei AC-seitiger Erdung ein Erdfehler (EF1 oder EF2) immer zum Ausfall des DC-Netzes führt, ist bei der DC-seitigen Erdung (Quasi-IT) unabhängig von der Fehlerstelle ein Weiterbetrieb möglich. Hier haben weder +UDC, noch –UDC eine niederohmige Verbindung zum Erdpotenzial. Ein Abschalten des DC-Netzes ist somit erst bei einem zweiten Erdfehler nötig.

Bei dem Fehler SC3 handelt es sich um einen Kurzschluss an der Motorseite eines Wechselrichters. Die Verhältnisse unterscheiden sich hier prinzipiell nicht von AC-versorgten Geräten; in der Regel wird der Wechselrichter diesen Fehler selber erkennen und abschalten. Den Fehler EF3 – ein Erdfehler an der Motorseite eines Wechselrichters – erkennt in der Regel ebenfalls der Wechselrichter selber. Die Fehlerfälle SC1 und SC2 unterscheiden sich lediglich darin, dass bei SC2 das Gerät 1 defekt ist. Für das Gerät 2 sind die Auswirkungen von SC1 und SC2 identisch. In beiden Fehlerfällen wird sich die Lastzone durch ein Schutzorgan (DC-Abzweig) vom vorgelagerten DC-Netz trennen.

Während des Normalbetriebs sind die Zwischenkreiskondensatoren der Geräte 1 und 2 auf ihre Betriebsspannung aufgeladen. Tritt der Fehlerfall SC1 auf, wird die in den Zwischenkreisen gespeicherte Energie direkt über den Kurzschluss entladen. Im sich ergebenden Stromkreis befindliche ohmsche Anteile (Leitungsbeläge, ESR der Kondensatoren etc.) sowie parasitäre Induktivitäten (Leitungsbeläge, Streuanteil der Gleichtaktdrossel etc.) dämpfen hier die Stromanstiegsgeschwindigkeit und den impulsartigen Spitzenstrom. Messungen haben aber gezeigt, dass bei einem Gerät mit 1 kW Leistung mit einem Spitzenstrom von fast 1 kA zu rechnen ist, obwohl der nominelle Betriebsstrom unter 2 A liegt. Insbesondere die Kondensatoren werden durch den Pulsstrom erheblich belastet und müssen so ausgelegt sein, dass dieser Fall über die Lebensdauer ausreichend oft verkraftet wird.

Ein weiteres Problem entsteht durch die Induktivitäten im Kurzschlusskreis. Diese treiben nach Entladung der Kondensatoren den Strom weiter und führen die Energie wieder in den Zwischenkreis zurück (Schwingkreis). Dieser wird dadurch auf eine negative Spannung umgeladen. Die Freilauf-Dioden des Wechselrichters werden dann leitend und übernehmen den Strom abhängig von ihren Durchlass-Eigenschaften. Auch die Freilauf-Dioden müssen diesen Fehlerfall hinreichend oft aushalten.