In den kommenden Jahren werden Tausende neue Ladestationen, elektrische Energiespeicher und Gleichstromverteilungssysteme in Betrieb genommen. Diese Systeme sind gewissermaßen das Rückgrat der Energiewende. Der Ausbau der Lade- und Speicherkapazitäten ist jedoch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Eine davon ist der wirksame Schutz der Infrastruktur vor Schäden durch Kurzschlüsse. Nur so kann die ständige Verfügbarkeit der Anlagen und Geräte gewährleistet werden.
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 Schrank, in dem die Sicherungen installiert sind.
Spezialist für Fehlerstromschutz
Mersen hat neue Gleichstromsicherungen bis zu 1500 V auf den Markt gebracht, die die elektrischen und mechanischen Anforderungen künftiger DC-Anwendungen erfüllen. Die Entwicklung ist ein kompaktes DC-Sicherungskonzept (PowerPack-Sicherung) für Anwendungen bis zu 1000 V 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
Das Unternehmen hat das Wärmemanagement für die neuen Sicherungen entwickelt und stützt sich dabei 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 deutlich niedriger bleibt.
Der Gewinn beträgt schätzungsweise 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 A bis 1000 A bei einer Kühlplatte von 65 °C. Das Kühlkonzept der Sicherungen ist vor allem im Hinblick auf die
Kompakte Bauform für schnelles Auslösen
Das PowerPack-Wärmemanagement ist nicht der einzige Vorteil der neuen Sicherungen von Mersen. 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 viel schneller unterbrochen.
Ein weiteres Merkmal ist die kompakte Größe, die nur ein Drittel der Größe von Standardsicherungen beträgt. Das schnelle Auslösen der neuen Kompaktsicherungen von Mersen führt dazu, dass der Stromfluss unterbrochen wird und somit nachgeschaltete Komponenten geschützt werden. Dieses Prinzip bietet einen Schutz gegen Kurzschlüsse bis hin zum Überlaststrom.
Das Design des PowerPacks erlaubt es, die Wärmeentwicklung im Schaltschrank zu eliminieren. Wie bei Halbleitermodulen (SiC oder Si) ermöglicht das PowerPack-Sicherungsmodul die Ableitung der von den Sicherungselementen erzeugten Wärme durch die Grundplatte des Moduls zu einem Kühlkörper. So wird die im Schaltschrank erzeugte Wärme eliminiert. Dieses Design spart nicht nur Platz, sondern bietet auch weitere Vorteile, beispielsweise eine bessere Zykluszeit.
Einfache Installation durch genormte 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. Das macht es den Herstellern leicht, sie in ihre Anwendungen zu integrieren.
Der Entwicklungsprozess für das neue Sicherungskonzept dauerte etwas mehr als ein Jahr. Die Experten von Mersen setzten bei der Entwicklung numerische Werkzeuge ein, 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 zudem, dass das neue 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 1.000 A wurde beispielsweise ein Mindestausschaltvermögen von 3.600 A gemessen – das entspricht dem 3,6-fachen des Nennstroms. Das maximale Ausschaltvermögen der Kompaktsicherung wurde bis zu 30 kA getestet, was nicht der maximalen IR dieser Sicherung entspricht.
Weiterentwicklung des Sicherungsdesign
Die neuen gekühlten Kompaktsicherungen von Mersen sind ein leistungsstarkes elektrisches Schutzkonzept für Gleichstromanwendungen bis 1.000 V. Das Forschungs- und Entwicklungsteam von Mersen arbeitet bereits an einer Verbesserung des Sicherungsdesigns. Die nächste Version wird auch für DC-Anwendungen bis 1.500 V geeignet sein.
