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Projekt 'DC-Industrie' - Teil 3: Die Schutz- und Schalttechnik im Gleichstromnetz

DC-Netze anstelle der bisher üblichen AC-Netze in der Fabrik – dieses Ziel steht hinter dem Projekt DC-Industrie. Der dritte Teil der ­Artikelserie zu 'DC-Industrie' befasst sich mit dem Aufbau und der Funktion der hierfür benötigten Schutzschalter.

Schützen und Schalten im Gleichstromnetz Bildquelle: © Weidmüller

Gut 20 Firmen und Forschungsinstitute arbeiten  im Projekt DC-Industrie gemeinsam an der Erarbeitung eines offenen Gleichstromkonzeptes für industrielle Fertigungsanlagen. Dieses industrielle DC-Netz ist über einen zentralen, bidirektionalen und rückspeisefähigen Gleichrichter an das AC-Netz angekoppelt. Die Nennspannung auf der DC-Seite beträgt 650 V für geregelte Gleichrichter (Active Front End) und 540 V für ungeregelte Gleichrichter. Anwendungen und Geräte am DC-Netz, die eine logische Einheit bilden, werden jeweils einer Lastzone zugeordnet – zum Beispiel eine Gruppe von Antrieben, Einspeisern, Speichern oder auch Energie-Erzeugern. Dabei ist jede Lastzone mit dem DC-Netz über einen sogenannten DC-Abzweig verbunden, der die Funktionen Aufladung, Überwachung, Kommunikation, Fehlerschutz und Trennfunktion vereint.

Bild 1 Bildquelle: © DC-Industrie

Bild 1: Übersicht über das industrielle DC-Netz mit Lastzonen (grau) und den DC-Abzweigen (gelb).

Bis dato haben die Anwendungspartner Daimler, Homag und KHS bereits vier Modellanwendungen aufgebaut, in denen das Konzept validiert und überprüft wird. Für den Schutz dieser Anlagen sind etwa 50 DC-Abzweige in vier Leistungsklassen (44/100/200/400 A Nennstrom) erforderlich. Neben den klassischen Funktionen von Leistungsschaltern – sprich Strom führen, Strom messen, Schalten und Isolieren – haben diese Abzweige speziell in den realisierten Modellanlagen weitere Aufgaben zu erfüllen: 

  • Messung der Spannung zwischen DC-Plus und DC-Minus an den Eingangs- und Ausgangsklemmen 
  • Abschalten bei Spannungen außerhalb des definierten Spannungsbandes 
  • Anzeige des Gerätestatus und einiger Messwerte im Display
  • Vorladung der Kapazitäten in den Lastzonen beim ersten Einschalten
  • Kommunikation der Messwerte sowie des Status des Abzweigs

Strommessung und Schutz müssen dabei bidirektional funktionieren – dies ist notwendig wegen der verteilten Speicher in den Lastzonen, die bei einem Fehler in einer anderen Lastzone oder auf dem DC-Bus ihre Energie auch zurück in den Fehlerort entladen. Aufgrund der vielen Kapazitäten steigt im Fall eines Kurzschlusses der Fehlerstrom im DC-Netz sehr schnell an – unter Umständen auf einige 10 A/µs. Daher ist eine schnelle Erkennung und Abschaltung des Kurzschlussstroms zum Schutz der Anlage und der Halbleiter in den Gleich- und Wechselrichtern ein Muss. Rein mechanische Leistungsschalter nach Stand der Technik mit einer Abschaltzeit von mehreren Millisekunden sind in solchen DC-Netzen nicht geeignet, da sie im Fehlerfall die Beeinträchtigung anderer Lastzonen nicht verhindern können. Daher kommen im Rahmen von DC-Industrie Hybridschalter und Halbleiterschalter zum Einsatz. Beide Lösungen schalten den Kurzschlussstrom so schnell ab, dass thermische Auswirkungen auf die Zuleitungen zur Lastzone oder auf die Fehlerstelle bei der Dimensionierung der Schutzschalter keine Rolle spielen.