Gleichstrom-Leistungsschalter (DC-CB) für lokale DC-Stromnetze

Gleichstrom (DC) gilt als Schlüssel zur Energiewende – von Photovoltaik-Anlagen über Batteriespeicher bis hin zu Industrie-Microgrids. Doch der Schutz dieser Netze ist eine Königsdisziplin: Weil bei DC der natürliche Nulldurchgang fehlt, wird die Unterbrechung eines Kurzschlusses zur physikalischen Herausforderung. Dieser Übersichtsartikel beleuchtet die komplexen Verfahren zur Lichtbogenlöschung, von traditionellen mechanischen Systemen bis hin zu den ultraschnellen Halbleiter-Lösungen, und zeigt, wie Initiativen wie die Open DC Alliance (ODCA) die Standards für eine sichere DC-Zukunft setzen.

Die Herausforderung der Gleichstrom-Unterbrechung 

Die Unterbrechung von Kurzschlussströmen in Gleichstrom-Netzwerken (DC) stellt eine weitaus größere technische Herausforderung dar als in Wechselstrom-Netzwerken (AC). Der Hauptgrund hierfür ist das Fehlen eines natürlichen Nulldurchgangs beim Gleichstrom. Im AC-System wird der Lichtbogen zwischen den Kontakten eines Leistungsschalters bei jedem Nulldurchgang der Spannung und des Stroms auf natürliche Weise gelöscht. Im DC-System existiert dieser Nulldurchgang nicht.

Um einen DC-Kurzschluss zu unterbrechen, muss der Leistungsschalter den Strom aktiv auf Null zwingen und einen Lichtbogen im Kontaktspalt löschen, der ohne spezielle Maßnahmen stabil bleiben würde. Hinzu kommt, dass in modernen DC-Microgrids und Energiespeichersystemen (wie z.B. bei Batterien oder PV-Anlagen) die Fehlerstromanstiegsrate deutlich höher sein kann, was eine extrem schnelle Reaktion des Schutzsystems erfordert.

Verfahren zur Lichtbogenlöschung bei Gleichstrom 

Um den DC-Lichtbogen künstlich zu eliminieren und den Stromfluss zu stoppen, werden verschiedene technologische Ansätze verfolgt:

1. Mechanische DC-Leistungsschalter

Traditionelle mechanische DC-Leistungsschalter (z.B. in der Bahntechnik oder älteren industriellen Systemen) erzeugen den künstlichen Nulldurchgang durch das Gegenstrominjektionsprinzip. Dabei wird ein Kondensator über eine Hilfsschaltung (LC-Resonanzkreis) entladen, um einen Stromimpuls in entgegengesetzter Richtung in den Fehlerstromkreis zu injizieren. Dieser Impuls zwingt den resultierenden Strom für einen Augenblick auf Null, sodass die mechanischen Kontakte bei minimalem Strom oder Spannung trennen können. Die eigentliche Energie des Lichtbogens wird durch große Lichtbogenkammern, Magnetspulen zur Ablenkung des Lichtbogens (Blow-out-Coils) und Löschbleche verteilt und so gelöscht. Die Blaswirkung des Magnetfeldes ist dabei essenziell: Sie dehnt den Lichtbogen in eine lange, kühle Lichtbogenkammer aus, wodurch der Widerstand steigt und der Lichtbogen schließlich erlischt. Trotz dieser Optimierungen sind die Abschaltzeiten mechanischer DC-CBs im Vergleich zu elektronischen Lösungen relativ langsam (mehrere Millisekunden), was in modernen, empfindlichen DC-Netzen zu lange sein kann.

2. Hybride DC-Leistungsschalter

Hybride Schalter kombinieren die Vorteile der Leistungselektronik mit der Robustheit mechanischer Kontakte. Halbleiter-Schaltkomponenten sind permanent parallel zu den Hauptkontakten geschaltet. Im Fehlerfall schalten die Halbleiter den Strom in Millisekunden auf einen Hilfspfad um, auf dem der Strom gezielt auf Null gedrückt wird (z.B. über Varistoren). Anschließend öffnen die mechanischen Kontakte unter nahezu Nulldurchgang-Bedingungen, um die galvanische Trennung herzustellen. Der Vorteil liegt hier in der Balance zwischen Geschwindigkeit und Leitungsverlusten: Im Normalbetrieb fließt der Strom verlustarm über die geschlossenen mechanischen Kontakte. Nur im Fehlerfall wird die Halbleiterelektronik zugeschaltet, was eine sehr schnelle Reaktion ermöglicht und gleichzeitig die Verlustleistung im Normalbetrieb minimiert.

3. Reine Halbleiter-Schutzvorrichtungen

Moderne DC-Netze, wie sie von der Open DC Alliance gefördert werden, setzen vermehrt auf reine Halbleiter-Leistungsschalter (Semiconductor Circuit Breaker, SCB). Diese bestehen aus IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder Thyristoren und bieten die schnellste aller Lösungen. Sie können den Stromfluss innerhalb von unter 100µs stoppen. Dies ist entscheidend, um die Netzspannung aufrechtzuerhalten und eine hohe Selektivität zu gewährleisten. Die überschüssige Energie des abgeschalteten Stromkreises wird in Varistoren oder anderen Energieableitungssystemen abgebaut. Die extrem kurzen Abschaltzeiten tragen zur Stabilität der gesamten DC-Anlage bei, denn sie erlauben eine schnelle, selektive Trennung fehlerhafter Netzteilnehmer vom Verteilnetz.

Der Nachteil dieser SCBs sind die im Vergleich zu mechanischen Schaltern höheren Durchlassverluste im Dauerbetrieb, was eine sorgfältige thermische Auslegung und Kühlung erfordert.

4. Nicht-wiederverwendbare DC-Schutzvorrichtungen

Neben den komplexen, wiederverwendbaren DC-Leistungsschaltern (DC-CBs), die mechanische, hybride oder Halbleitertechnologien nutzen, spielen auch einmalig auslösende Schutzvorrichtungen eine entscheidende Rolle im Gleichstromnetz, insbesondere bei extrem hohen Strömen oder der Notwendigkeit einer sofortigen, irreversiblen Trennung:

1. Hochleistungssicherungen (Schmelzsicherungen) Konventionelle DC-Schmelzsicherungen sind die älteste und einfachste Form des Überstromschutzes. Sie bieten einen passiven, nicht-wiederverwendbaren Schutz. Im Fehlerfall schmilzt der Schmelzleiter im Inneren, unterbricht den Stromkreis und erzeugt einen Lichtbogen. Dieser Lichtbogen wird durch das spezielle Design des Sicherungskörpers (oft mit Quarzsand) schnell gelöscht. Sie zeichnen sich durch ihre hohe Strombegrenzung und schnelle Auslösung aus und werden typischerweise als Back-up-Schutz für Halbleiter-Schutzvorrichtungen oder zum Schutz von Batterie-Racks eingesetzt.

2. Pyro-Sicherungen (Pyrotechnische Sicherungen) Pyrotechnische Sicherungen (auch als Pyro-Trennschalter bekannt) sind speziell für Anwendungen konzipiert, die eine extrem schnelle und sichere Unterbrechung erfordern, wie sie typischerweise in Elektrofahrzeugen (EV) mit Hochvoltbatterien zu finden ist. Sie funktionieren durch die elektrische Zündung eines pyrotechnischen Elements (Sprengladung), die einen integrierten Leiter in wenigen Mikrosekunden zerstört. Dies gewährleistet die zuverlässige galvanische Trennung der Batterie von der restlichen Fahrzeugelektronik im Falle eines Crashs oder eines kritischen Kurzschlusses. Obwohl sie nur einmal verwendet werden können und danach ersetzt werden müssen, sind sie aufgrund ihrer unübertroffenen Schnelligkeit bei Sicherheitsanwendungen unverzichtbar.

Umsetzung durch Hersteller und die Rolle der ODCA 

Führende Hersteller wie ABB, Eaton, Siemens und andere bieten DC-Leistungsschalter an, die auf diesen Prinzipien basieren. Im industriellen Niederspannungsbereich (bis 1.500 VDC) dominieren traditionell mechanische CBs oder MCCBs, die für DC-Anwendungen optimiert sind. Diese mechanischen CBs werden jedoch zunehmend durch die Notwendigkeit der Selektivität (gezielte Trennung einzelner Komponenten) in komplexen DC-Microgrids an ihre Grenzen gebracht.

Die Open Direct Current Alliance (ODCA) treibt daher die technologische Entwicklung durch die Forderung nach ultraschnellem und selektivem Schutz voran. Die ODCA schreibt keine bestimmten Produkte vor, sondern legt technische Spezifikationen fest, die eine architektonische Lösung fördern. Die in der VDE SPEC 90037 definierten DC-Microgrids (Nominalband von 620 V bis 750 V DC) erfordern praktisch den Einsatz von Halbleiter-Schutzvorrichtungen oder extrem schnellen Hybridschaltern. Nur diese können die geforderte Selektivität in den komplexen Multi-Source-DC-Netzwerken (mit mehreren Einspeisepunkten, wie PV und Speichern mit verschiedensten Verbrauchern) gewährleisten. Konkret bedeutet das, dass der Schutzmechanismus die Richtung des Fehlerstroms erkennen muss und schnell genug reagiert, um einen Spannungseinbruch im gesunden Teil des Netzes zu verhindern, der zum Abschalten des gesamten Microgrids führen könnte. Die ODCA-Spezifikation ermöglicht es Herstellern, konforme Lösungen zu entwickeln, was die Interoperabilität zwischen Komponenten verschiedener Anbieter stark verbessert. Die SCB-Technologie wird somit zum Standardwerkzeug für die Realisierung ODCA-konformer Netze.

Relevante Normen und Ausblick 

Die Grundlage für die Spezifikation und Prüfung von DC-Leistungsschaltern bildet die Normenreihe der IEC.

Übersicht der zentralen Normen

• IEC/EN 60947-2 (Niederspannungsschaltgeräte): Dies ist die wichtigste Norm für industrielle DC-Leistungsschalter (MCCB/ACB) bis 1500 VDC, die allgemeine Bau- und Prüfanforderungen festlegt. Sie ist die Basis für die meisten DC-Schaltanwendungen.
• IEC/EN 60898-3 (Leitungsschutzschalter): Diese Norm definiert DC-Miniatur-Leistungsschalter (MCB) für Hausinstallationen und ähnliche Zwecke, oft bis 600 VDC oder höher in neueren Versionen. (Deutsche Fassung: DIN VDE 0641-13).
• VDE SPEC 90037 (Systembeschreibung DC-Microgrids): Eine nationale Spezifikation, die über die IEC-Normen hinausgeht und konkrete Anforderungen an die Schutzsysteme in DC-Industrieanlagen stellt, insbesondere im Hinblick auf die ODCA-Systemarchitektur.
• DIN VDE 0100-712 (PV-Anlagen): Definiert die Installationsanforderungen für DC-Schutz in Photovoltaiksystemen, wobei die Notwendigkeit von DC-Schutzgeräten und Überspannungsschutz (SPDs) hervorgehoben wird.
• EN 50123-2 und IEC 60077-3: Spezielle Normen für Gleichstrom-Schnellschalter im Bereich Bahnanwendungen (Unterwerke und Fahrzeuge), wo hohe Ströme und eine robuste Mechanik erforderlich sind.

Ausblick auf kommende Regelungen 

Die zunehmende Verbreitung von DC-Microgrids, PV-Anlagen und Elektrofahrzeugen führt zu einem erhöhten Standardisierungsbedarf. Die IEC arbeitet kontinuierlich an der Erweiterung der Normen, insbesondere für Hochspannungs-Gleichstromsysteme (HVDC). Die Erfahrungen und Anforderungen, die in Projekten wie DC-INDUSTRIE und DC-INDUSTRIE2 und durch den Zusammenschluß der Hersteller in der ODCA (VDE SPEC 90037) gesammelt wurden, werden voraussichtlich in zukünftige internationale Normen für DC-Microgrids einfließen. Experten gehen davon aus, dass die Standardisierung von Halbleiterschutz- und Hybrid-Lösungen einen zentralen Platz in der nächsten Generation von IEC-Normen für Niederspannungs-DC-Anlagen einnehmen wird, um die Energiewende durch robuste DC-Netze zu unterstützen.