Elektromechanischer Schutzschalter für Gleichstromnetze

Das im Rahmen der Open Direct Current Alliance (ODCA) entwickelte Systemkonzept DC-Industrie2 [1] beschreibt hierfür eine offene, skalierbare Architektur für industrielle DC-Versorgungsnetze bis 800 V für die zukünftige Gleichstromfabrik. Neben Einspeisern und Verbrauchern rücken insbesondere Schutz- und Schaltgeräte in den Fokus, da sie maßgeblich zur Betriebssicherheit beitragen. Bei Überstromschutzschaltern für diese Spannungsbereiche bestanden bislang noch Lücken im Produktangebot: Diese schließt E-T-A [2] mit dem Schutzschalter 8365-T (Bild 1).

Lastcharakteristik in industriellen DC-Netzen

Industrielle DC-Netze zeichnen sich durch eine hohe Vielfalt an angeschlossenen Betriebsmitteln aus. Typische Lasten sind beispielsweise DC/DC-Wandler, Frequenzumrichter, Servoregler oder Industrieroboter. Auch Konzepte für Beleuchtungssysteme für höhere Gleichspannungen existieren bereits (Bild 2).

Zu beachten ist, dass in modernen Anlagen bidirektionale Leistungsflüsse auftreten, etwa durch rückspeisefähige Antriebe oder Energiespeicher. Das DC-Industrie2-Systemkonzept beschreibt daher erhöhte Anforderungen an den Überstromschutz hinsichtlich Schnelligkeit, Selektivität und sicherer galvanischer Trennung einzelner Netzsegmente.

Elektromechanischer Schutzschalter – eine kosteneffektive Schutzlösung

Vor diesem Hintergrund stellen elektromechanische Schutzschalter eine kosteneffektive Schutzlösung dar. Im Vergleich zu rein elektronischen oder hybriden Schutzschaltern bieten sie eine hohe Robustheit, sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und kommen ohne zusätzliche Hilfsenergie oder Parametrierung aus. Der Schutzschalter 8365-T von E-T-A basiert auf einem hydraulischmagnetischen Auslöseprinzip und erfüllt die Anforderungen der Normen IEC 60934:2019 RLV [3] sowie DIN EN 60947-2 (VDE 0660-101):2020-11 [4] mit Trennfunktion.

Durch den vollständigen Verzicht auf Elektronik eignet sich das Gerät insbesondere für industrielle Umgebungen mit hohen EMV-Belastungen und rauen Umgebungsbedingungen. Gegenüber der Schmelzsicherung spielt der Schutzschalter seine Vorteile weiterhin aus. Er ist nach einer Überstromauslösung sofort rücksetzbar, wodurch die abgesicherte Last wieder in Betrieb ist. Das Vorhalten von Ersatzsicherungen entfällt.

Erfüllung der Anforderungen aus DC-Industrie2

Das Systemkonzept DC-Industrie2 definiert Spannungsbänder zwischen DC 400 V und DC 800 V. Der 8365-T ist der erste elektromechanische Schutzschalter, der einpolig bis DC 400 V sowie zweipolig bis DC 800 V schalten kann. Vereinfacht gesagt stellen die Werte DC 400 V und DC 800 V die in der DC-Industrie2-Systembeschreibung definierten Grenzen dar. Dazwischen liegen die Nennspannungen (UDC) von DC 540 V und DC 650 V. Sie ergeben sich aus den Effektivwerten der üblichen AC-Einspeisespannungen am Übergang des AC-Netzes in das DC-Netz der Gleichstromfabrik. Der Vorteil ist, dass existierende Geräte und Installationen für den Einsatz in den DC-Netzen geeignet sind. Sie müssen nicht geändert werden.

Üblich bei den hier angesprochenen DC-Netzen sind AC-seitig geerdete Netze. DC-seitig ergeben sich zwei Potentialschienen mit ±UDC/2, also ±DC 325 V. Im DC-Netz sind alle DC-Abzweige mit einem zweipoligen Trennschalter und einem zweipoligen Schutzschalter auszuführen. Der Schutzschalter 8365-T stellt einen platzsparenden, sicheren und normenkonformen Überstromschutz dar, da die folgenden Eigenschaften erfüllt werden:

• Pro Pol können DC 400 V abgesichert werden. Eine Reihenschaltung von mehreren Schutzschaltern mit niedrigerer Bemessungsspannung, beispielsweise DC 250 V bei einem Standard-Leistungsschutzschalter, ist nicht erforderlich. Das spart Platz im Schaltschrank, da ein zweipoliger Schutzschalter vom Typ 8365-T nur 38 mm Einbaubreite benötigt im Vergleich zu vier Polen eines Standard-Leistungsschutzschalters mit einer Breite von je 17,6 mm (total 70,4 mm).
• Er erfüllt die Anforderungen an einen Trennschalter. Aufgrund des mechanischen Aufbaus erfolgt eine galvanische Trennung. Im Gegensatz zur Schmelzsicherung kann auch jederzeit die Stromversorgung zur Last unterbrochen werden, beispielsweise zu Wartungszwecken.
• In seiner zweipoligen Ausführung wird jeweils ein Pol abgesichert. Im Falle eines Überstroms wird die Last sicher zweipolig abgeschaltet – im Gegensatz zu einer Schmelzsicherung, die lediglich einpolig wirkt.

Ein weiteres zentrales Kriterium ist die Abschaltgeschwindigkeit. Kurzschlussströme in DC-Netzen steigen sehr schnell an und können erhebliche thermische und mechanische Belastungen verursachen. Der Schutzschalter 8365-T verfügt über eine Auswahl von mehreren Kennlinien und erreicht Abschaltzeiten von unter 10 ms. Damit erfüllt er die im Systemkonzept DC-Industrie2 formulierten Anforderungen an eine schnelle Fehlertrennung, die Voraussetzung für eine selektive Schutzkoordination in segmentierten DC-Netzen ist.