Schutzkonzept für Gleichstromanwendungen
Keine Angst vor Kurzschluss
Die Energiewende bringt zahlreiche neue Gleichstromanwendungen hervor, die einen Schutz gegen Überlast und Kurzschluss erfordern. Diese Einsatzgebiete stellen eine Herausforderung für das Design der aktuellen Sicherungen dar. Darüber hinaus ist die Beseitigung eines Fehlerstroms in einem Gleichstromkreis schwieriger als in einem Wechselstromkreis. Um diesen anspruchsvollen Gleichstromanwendungen gerecht zu werden, hat Mersen ein neues Sicherungsdesign entwickelt: Es zeichnet sich durch schnelles Auslösen, niedriges i2t sowie eine hohe Zyklusleistung aus.
In den kommenden Jahren werden Tausende von neuen Ladestationen, elektrischen Energiespeichern und Gleichstromverteilungssystemen in Betrieb genommen werden. Diese Systeme sind gewissermaßen das Rückgrat der Energiewende. Der Ausbau der Lade- und Speicherkapazitäten ist jedoch mit Herausforderungen verbunden. Eine davon ist der wirksame Schutz der Infrastruktur vor Schäden durch Kurzschlüsse. Derzeit werden Infrastrukturen durch Standardsicherungen geschützt. Diese werden in der Regel in einem externen Stromkreis installiert und benötigen daher einen gewissen Einbauraum sowie eigene elektrische Anschlüsse. Zusätzlich zu den elektrischen Eigenschaften erfordern neu entstehende Gleichstromanwendungen kompakte und leichtere Sicherungen, einen einfachen Anschluss sowie eine minimale Wärmeentwicklung im Schaltschrank.
Bild: Mersen Deutschland Eggolsheim GmbHKünftige Anforderungen erfüllen
Mersen hat neue Gleichstromsicherungen bis zu 1.500V auf den Markt gebracht, die die elektrischen und mechanischen Anforderungen künftiger DC-Anwendungen erfüllen. Die neueste Entwicklung ist ein kompaktes DC-Sicherungskonzept (PowerPack-Sicherung) für Anwendungen bis zu 1.000V DC. Bei einer Standardsicherung wird die Wärme des Sicherungseinsatzes größtenteils über seine Anschlüsse, Stäbe und Kabel sowie den Sicherungskörper abgeleitet. Diese Wärmeleitpfade befinden sich jedoch außerhalb der Zone mit ohmschem Widerstand. Um die Strombelastbarkeit der Sicherungen zu erhöhen und dennoch einen niedrigen I2t-Wert beizubehalten, wurde eine neue Kühllösung erforscht.
Neues Konzept für die Entwärmung
Mersen hat ein neues Wärmemanagement für die neuen Sicherungen entwickelt. Dabei stützt sich das Unternehmen auf sein Wissen über die Kühlung von Leistungshalbleitermodulen. Die Sicherungselemente sind durch eine DCB- und Grundplattenschicht so nah wie möglich an einem Kühlkörper positioniert, was eine effiziente Wärmeübertragung ermöglicht. Da die von den PowerPack-Sicherungselementen erzeugte Wärme im Vergleich zu einer Standardsicherung effizient gehandhabt wird, kann mit diesem neuen Design mehr Strom übertragen werden, wobei der I2t-Wert niedriger bleibt. Der Gewinn beträgt nach Schätzungen des Unternehmens 30 Prozent beim Nennstrom, 50 Prozent beim Spitzen-Durchlassstrom und 10-mal weniger I2t im Vergleich zu einer Standardsicherung. Die PowerPack-Nennströme der kompakten gekühlten Sicherungen reichten von 330 bis 1.000A bei einer Kühlplatte von 65°C. Das Kühlkonzept der Sicherungen ist vor allem im Hinblick auf die zunehmende Leistungsdichte elektronischer Komponenten wichtig.
Bild: Mersen Deutschland Eggolsheim GmbH/LANDRIVON, SimonKompakte Bauform für schnelles Auslösen
Das Wärmemanagement ist nicht der einzige Vorteil der neuen Sicherungen. So trägt das bessere Wärmemanagement der Sicherungselemente dazu bei, deren Größe zu reduzieren, was im Falle eines Kurzschlusses zu einem schnelleren Auslösen führt. Fehlerströme werden deshalb schneller unterbrochen. Das Design des PowerPacks erlaubt es außerdem, die Wärmeentwicklung im Schaltschrank zu eliminieren. Wie bei Halbleitermodulen (SiC oder Si) ermöglicht das Sicherungsmodul die Ableitung der von den Sicherungselementen erzeugten Wärme durch die Grundplatte des Moduls zu einem Kühlkörper. Dieses Design spart nicht nur Platz, sondern bietet auch Vorteile wie z.B. eine bessere Zykluszeit.
Einfache Installation dank genormter Abmessungen
Um eine schnelle Integration der Sicherungen in Stromverteilungs- und Speichersysteme zu ermöglichen, hat Mersen die Sicherungen mit denselben Abmessungen versehen, wie sie für Halbleitermodule typisch sind. Auch die Installation wird durch das Design der Sicherungsmodule vereinfacht. Die Verbindung mit einer lamellierten Stromschiene wird einfacher, was auch zu einer geringeren Streuinduktivität führt. Darüber hinaus haben die neuen Sicherungsmodule nur ein Drittel des Gewichts, das Standardsicherungen aufweisen.
Neue Simulationsverfahren
Der Entwicklungsprozess für das neue Sicherungskonzept dauerte etwas mehr als ein Jahr. Dabei wurden numerische Werkzeuge eingesetzt, die mit multiphysikalischen Simulationsverfahren modelliert wurden. Es zeigte sich, dass ein kompaktes Sicherungsdesign mit Kühlfunktion nicht nur zu einem niedrigeren l2t-Wert, sondern auch zu einem geringeren Spitzenstrom als bei Standardsicherungen führt. Die thermische Simulation ergab auch, dass das Konzept die Leitfähigkeit der Sicherung um mindestens 30 Prozent im Vergleich zu einer ungekühlten Sicherung erhöht, wenn sie auf einer Kühlplatte mit einer Temperatur von 65°C montiert wird. Darüber hinaus bestätigten Kurzschlusstests die Leistung der gekühlten Kompaktsicherung gemäß den Normen für Gleichstromsicherungen. Bei einer Nennspannung von 1.000A wurde z.B. ein Mindestausschaltvermögen von 3.600A gemessen - das entspricht dem 3,6-fachen des Nennstroms. Das maximale Ausschaltvermögen der Kompaktsicherung wurde bis zu 30kA getestet, was nicht der maximalen IR dieser Sicherung entspricht.
Weiterentwicklung geplant
Die gekühlten Kompaktsicherungen stellen ein leistungsstarkes elektrisches Schutzkonzept für Gleichstromanwendungen bis 1.000V dar. Das Forschungs- und Entwicklungsteam von Mersen arbeitet bereits an der Verbesserung des Sicherungsdesigns. Die nächste Version wird auch für DC-Anwendungen bis zu 1.500V geeignet sein.
Die Energiewende bringt zahlreiche neue Gleichstromanwendungen hervor, die einen Schutz gegen Überlast und Kurzschluss erfordern. Diese Einsatzgebiete stellen eine Herausforderung für das Design der aktuellen Sicherungen dar. Darüber hinaus ist die Beseitigung eines Fehlerstroms in einem Gleichstromkreis schwieriger als in einem Wechselstromkreis. Um diesen anspruchsvollen Gleichstromanwendungen gerecht zu werden, hat Mersen ein neues Sicherungsdesign entwickelt: Es zeichnet sich durch schnelles Auslösen, niedriges i2t sowie eine hohe Zyklusleistung aus.
In den kommenden Jahren werden Tausende von neuen Ladestationen, elektrischen Energiespeichern und Gleichstromverteilungssystemen in Betrieb genommen werden. Diese Systeme sind gewissermaßen das Rückgrat der Energiewende. Der Ausbau der Lade- und Speicherkapazitäten ist jedoch mit Herausforderungen verbunden. Eine davon ist der wirksame Schutz der Infrastruktur vor Schäden durch Kurzschlüsse. Derzeit werden Infrastrukturen durch Standardsicherungen geschützt. Diese werden in der Regel in einem externen Stromkreis installiert und benötigen daher einen gewissen Einbauraum sowie eigene elektrische Anschlüsse. Zusätzlich zu den elektrischen Eigenschaften erfordern neu entstehende Gleichstromanwendungen kompakte und leichtere Sicherungen, einen einfachen Anschluss sowie eine minimale Wärmeentwicklung im Schaltschrank.
Mersen Deutschland Eggolsheim GmbH
Dieser Artikel erschien in GEBÄUDEDIGITAL 4 (Juni) 2025 - 02.06.25.Für weitere Artikel besuchen Sie www.gebaeudedigital.de
