Schnelle Reaktion im Fehlerfall

In DC-Systemen, in denen die Stromquellen in der Regel aus Wechselrichtern mit großen ausgangsseitigen DC-Kondensatorbänken bestehen, führt ein Kurzschluss an der Sammelschiene zu einem Fehlerstrom mit einer hohen Anstiegsrate (dI/dt), der von standardmäßigen elektromechanischen Leistungsschaltern nicht wirksam beherrscht werden kann. Das Schutzsystem des auf Halbleitertechnologie basierenden Leistungsschalters löst dieses Problem (Bild 5). Hier ist die Ausschaltzeit so kurz, dass der Fehlerstrom unterbrochen wird, bevor er mehr als den doppelten Wert des Nennstroms erreichen kann. In der Praxis führt diese schnelle Beherrschung des Fehlerstroms zu einer sofortigen Trennung des Stromkreises. So ist das Gerät in der Lage, den Stromkreis innerhalb von 20 μs bis 50 μs zu trennen. Die induktive Energie des Netzes wird vom parallel zum Halbleiter angeordneten Metalloxidvaristor-(MOV-)Pfad absorbiert, bis der Strom den Wert null erreicht.

In den meisten Anlagen liegt die Anstiegsrate des Fehlerstroms deutlich unter dem kritischen dI/dt-Wert, sodass der Halbleiter innerhalb seiner SOA arbeiten kann. Bei solchen dI/dt-Raten ist das Abschaltvermögen nahezu unbegrenzt. Für die seltenen Fälle, in denen diese Grenze überschritten wird, verfügt das Gerät über eine interne Induktivität, die die dI/dt-Rate auf Werte innerhalb der SOA begrenzt.

Eine Lösung, viele Vorteile

Der Einsatz des halbleiterbasierten Leistungsschalters als hochgradig integriertes Schutzgerät bietet verschiedene Vorteile:

• Extrem kurze Ausschaltzeit (1000-mal schneller als herkömmliche Schutzsysteme) bei maximaler Betriebskontinuität.
• Isolierung der fehlerhaften Zone zur Vermeidung einer kompletten Systemabschaltung.
• Nahezu keine Energiefreisetzung bei Störlichtbögen, was die daraus resultierende Gefahr erheblich entschärft.
• Maximale Energieeffizienz dank Verwendung von Halbleitertechnologie mit den niedrigsten Durchlassverlusten in der Klasse der halbleiterbasierten Leistungsschalter.
• Sehr lange elektrische Lebensdauer zur Erfüllung der hohen Anforderungen zukünftiger Mikronetze (Microgrids).

Neuer Standard

Das Gerät ist der weltweit erste gemäß IEC 609472 zertifizierte Leistungsschalter, der auf Halbleitertechnologie basiert. Eine noch weitergehende, technologiespezifische Normierung über den etablierten Standard hinaus wird zurzeit von den entsprechenden Gremien erarbeitet. Mit der Erfahrung aus dem Sace-Infinitus-Projekt treibt ABB die Entwicklung einer neuen spezifischen IEC-Norm (Projekt PT6094710) für halbleiterbasierte Leistungsschaltertechnologie für DC-und-AC-Anwendungen voran, die voraussichtlich im Jahr 2026 erscheinen wird.

Anwendungsgebiete

Angesichts möglicher Energieeinsparungen von bis zu 20 % werden mittlerweile immer mehr Schiffe mit DC-Verteilsystemen ausgelegt. In dem in Bild 6 dargestellten System verbindet ein Kuppelschalter die steuer- und backbordseitigen Schiffsteilnetze, was eine optimale Nutzung der dieselelektrischen Stromerzeuger ermöglicht. Im Fehlerfall müssen die Teilnetze durch den Leistungsschalter geschützt werden, um einen Totalausfall zu verhindern und durch Trennung des fehlerhaften Teilnetzes die Betriebskontinuität sicherzustellen. Durch die geringen Verluste sowie die schnelle, beinahe störlichtbogenfreie Stromunterbrechung verhindert der halbleiterbasierte Leistungsschalter eine Gefährdung von Menschen und Anlagen. In Anwendungen, in denen der Fehlerstrom nicht das einzige Problem darstellt, bietet es einen schnellen Schutz, der verhindert, dass die DC-Zwischenkreisspannung auf einen Wert abfällt, bei dem das System nicht mehr arbeitet, weil sich die Kondensatoren im DC-Zwischenkreis entladen. Der Leistungsschalter wird zudem mit der für Anwendungen in der Schifffahrt wichtigen DNV-Zertifizierung erhältlich sein.

Die Anwendungsmöglichkeiten für den halbleiterbasierten Leistungsschalter, der für einen Nennstrom von bis zu 2,5 kA und eine Nennspannung von DC 1 000 V (einsetzbar bis DC 1 250 V) ausgelegt ist, beschränken sich nicht nur auf den Schifffahrtssektor. Eine Pilotanlage zum dynamischen Laden von Elektrofahrzeugen und eine industrielle Anwendung zur Verbesserung der Energieeffizienz sind nur zwei Beispiele, die zurzeit unter Verwendung des Geräts realisiert werden.

Literatur

1. ABB Stotz-Kontakt GmbH, Heidelberg: www.abb.com
2. N. N.: Innovations-Highlights: Halbleiter basierter Leistungsschalter für hohe Ströme. ABB Review 1/2022, S. 10
3. Rodrigues, R. et al.: A Review of Solid-State Circuit Breakers.
4. IEEE Transactions on Power Electronics 36 (2021) H. 1, S. 364 – 377
5. Vemulapati, U. et al.: Recent advancements in IGCT technologies for high power electronics applications. 17th European Conference on Power Electronics and Applications (2015), S. 2 308 –2 314
6. Grüning, H.: IGCT Technology – A Quantum Leap for Highpower Converters. https://library.e.abb.com/public/d627aeaa2f9f8b24c1256f-4100480fa0/PT_IGCT.pdf (11. 8. 2022)
7. Agostini, F. et al.: 1 MW bi-directional DC solid state circuit breaker based on air cooled reverse blocking-IGCT. IEEE Electric Ship Technologies Sym posium (ESTS), 2015, S. 287 – 292
8. Vemulapati, U. et al.: Reverse blocking IGCT optimised for 1 kV DC bi-directional solid state circuit breaker. IET Power Electronics 8 (2015) H.12, S. 2 308 – 2 314
9. Cairoli, P. et al.: High Current Solid State Circuit Breaker for DC Shipboard Power Systems. IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS), 2019, https://ieeexplore.ieee.org/document/8847815 (11. 8. 2022).