Steigende Anforderungen an die Technik im PV-Markt

Je nach Verschaltung der einzelnen Solarmodule werden in PV-Anlagen Spannungen und Ströme gebündelt. Die Reihenschaltung einzelner Module zu einem Strang erhöht die Spannung. Dadurch treten in der Praxis auf der Gleichspannungsseite je nach Anlagengröße eingangseitig am Wechselrichter mehrere Hundert Volt auf. Im Fall eines Leerlaufs (abgeschalteter oder getrennter Wechselrichter) können im Allgemeinen DC 600 V bis 1 000 V erreicht werden, wobei die oberste Grenze laut Niederspannungsrichtlinie bei DC 1 500 V liegt. Der Strangstrom beträgt dabei typischerweise 5 A bis 10 A bei voller Einstrahlung. Weiterhin lassen sich mehrere Stränge parallel schalten – diese Ströme addieren sich entsprechend auf. Bei solchen Spannungen und Strömen ist das Auftrennen des Stromkreises wegen der Gefahr eines Lichtbogens im Kontaktsystem nicht unproblematisch. Dies gilt insbesondere beim Abschalten eines fehlerbedingten Kurzschlusses, aber auch für den Einspeisebetrieb bei bestimmten Wechselrichtertopologien. Im Gegensatz zu den derzeit verwendeten DC-Lasttrennschaltern, welche das Trennen von hohen Gleichspannungen durch eine Serienschaltung von mehreren Löschkammern realisieren, trennt ein Hybridsystem zuverlässig durch die geschickte -Kombination von Mechanik und elektronischem Schaltelement. Dieses speziell für DC-Anwendungen entwickelte Konzept ermöglicht das Trennen von Spannungen bis DC 1 500 V und Strömen bis 30 A auf kleinem Raum mit nur einer Bauvariante. Sowohl die herkömmlichen als auch die Hybrid-Lasttrennschalter werden in der Regel nach der DIN EN 60947-3 (VDE 0660-107) und/oder UL 98B zertifiziert.

Funktion des Hybridschalterkonzepts

Das Funktionsprinzip des Hybridschaltsystems (Bild 1) basiert im positiven Pfad auf zwei in Reihe geschalteten mechanischen Kontaktsystemen (S1 und S2) mit einem elektronischen Schaltelement parallel zu einem mechanischen Schalter (S1). Das elektronische Schaltelement ist im Standardbetrieb spannungsfrei (S1 und S2 geschlossen) und wird nur während des Schaltens sowie im geöffneten Zustand mit der Nennspannung belastet. Die Elektronik verbraucht in dieser Stellung keine Energie. Beim Betätigen des Trenners öffnen S1, S2 und S3. Durch die Potentialdifferenz des an S1 entstehenden Lichtbogens (minimal 16 V) schaltet das elektronische Element durch, das heißt, der Strom von S1 wird übernommen und der Lichtbogen verlöscht. Dadurch ist für das gesamte Hybridsystem keine externe Spannungsversorgung erforderlich. Nach der Kommutierung des Stroms auf das elektronische Schaltelement geht dieses verzögert in den Sperrzustand und unterbricht den Stromfluss. Somit kann der mechanische Kontakt S1 stromlos weiter öffnen. S2 und S3 stellen die zweipolige galvanische Trennung sicher, womit diese Technologie auch für ungeerdete Anlagen geeignet ist. Beim Wiedereinschalten des Trenners beziehungsweise im geschlossenen Zustand hat das elektronische Schaltelement keinen Einfluss. Die Hybrid-Funktion ermöglicht insbesondere auch ein sicheres Trennen bei Strömen weit unter der Nennstromstärke des Trenners. Diese niedrigen Ströme entstehen im Betrieb von PV-Anlagen bei geringer Einstrahlung beispielsweise in den frühen Morgen- bzw. späten Abendstunden. Beim Abschalten mit rein mechanischen Schaltern besteht hier die Möglichkeit, dass der Lichtbogen aufgrund der geringen Stromstärke nicht in die dafür vorgesehene Löschkammer wandert, sondern im Bereich des Kontaktsystems verharrt und diese übermäßig belastet.