Sicherheitsisolierung per Relais für intelligente Strominfrastrukturen

Die Energiewende – die Kombination aus Elektrifizierung und Umstellung auf erneuerbare Energien – erfordert intelligente Lösungen für die gesamte Versorgungsinfrastruktur, einschließlich Smart Grid, Pre-Grid und Edge-of-Grid-Anlagen. Von entscheidender Bedeutung ist, Versorgungsschwankungen zu minimieren und gleichzeitig die Nachfrage zu priorisieren und zu steuern.

Sicherheit am Netzrand

Zu den Edge-of-Grid-Anlagen gehören zum Beispiel intelligente Haushaltsgeräte sowie AC-Ladegeräte für Privathaushalte und Gewerbe oder Industrie, auch bekannt als Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE - Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge). Ein gängiger Typ ist das Ladegerät der Kategorie 3, in der Regel eine Wallbox oder ein Standgerät, das über einen eigenen Stromkreis dauerhaft an das Wechselstromnetz angeschlossen ist.

Ein Wechselstrom-Ladegerät muss aus Sicherheitsgründen und für einen korrekten Betrieb ordnungsgemäß geerdet sein. Die Erdung ist eine wichtige Sicherheitsvorrichtung, die Stromschläge verhindert und sowohl den Benutzer als auch das Elektrofahrzeug schützt. Um einen ausreichenden Trennschutz zu gewährleisten, ist ein Fehlerstromschutzschalter (FI-Schutzschalter) des Typs RCCB (Residual Current Circuit Breaker) oder RCD (Residual Current Device, deutsch: Reststromschutzgerät) vorgeschrieben. Die Notwendigkeit, Fehlerstrom zur Erde (Leckstrom) zu erkennen, steigt erheblich, wenn ein Elektrofahrzeug angeschlossen ist.

Das Problem entsteht, wenn das Bordladegerät (OBC - Onboard Charger) eines Fahrzeugs möglicherweise Gleichströme über 6 mA verursacht, die einen Fehlerstromschutzschalter vom Typ A beschädigen oder „blind“ machen können. Dieser Schwierigkeit begegnet man durch spezifische elektrische Sicherheitsnormen, die in erster Linie vorgeben, einen fortschrittlicheren Fehlerstromschutzschalter des Typs B oder ein separates Gleichstrom-Fehlerstromerkennungsgerät (RDC-DD - Residual Direct Current Detecting Device) zu verwenden. Dadurch wird verhindert, dass die Auslösespule dieses FI-Schutzschalters gesättigt wird, und sichergestellt, dass er im Falle eines Wechselstrom- oder Gleichstromfehlers ordnungsgemäß funktioniert.

Klar ist, dass das Laden von Elektrofahrzeugen sowohl in der Einfahrt als auch am Arbeitsplatz und an anderen Orten außerhalb des eigenen Zuhauses immer mehr zur Normalität werden wird. Es gibt also starke Anreize dafür, dass Geräte einfacher und kostengünstiger werden, ohne dabei die bestehenden hohen Sicherheitsstandards zu beeinträchtigen.

Die Norm IEC 61851-1 für EVSE verlangt, dass Ladegeräte eine Vielzahl von Fehlerströmen erkennen und insbesondere vor AC- und pulsierenden DC-Leckströmen sowie gleichmäßigen DC-Strömen (>6 mA) schützen. Ladegeräte sind von Natur aus elektrisch verrauscht, daher sind beide erforderlich, um eine effektive Fehlererkennung zu erreichen. Der RDC-DD muss die Anforderungen der Norm IEC 62955 erfüllen.

Relais, die für den Betrieb mit RDC-DDs gemäß IEC 62955 geeignet sind, erfordern eine Kurzschlussstromfestigkeit von bis zu 10 kA. Gewährleistet ein Relais ebenfalls einen Kontaktabstand von 4 mm, bietet es den Abstand, der einem RCCB gemäß IEC 61008-1 (Norm für Haushaltsschutzschalter) entspricht. Dies kann zwar zur Vereinfachung von Mode-3-Ladegeräten beitragen. Jedoch können nur wenige der derzeit erhältlichen Relais garantieren, dass 100 Prozent der gelieferten Komponenten einen Kontaktabstand von 4 mm erreichen.

Die neuesten Aktualisierungen der Omron-G9KC-Relais gewährleisten eine Kurzschlussstrombelastbarkeit von 10 kA und einen garantierten Kontaktabstand von 4 mm. Die Verwendung dieser Relais kann Herstellern von Mode-3-Ladegeräten dabei helfen, sich auf die erwartete Integration von vorgelagerten Sicherheitsvorrichtungen in Wallboxen und Ladestationen vorzubereiten. Darüber hinaus erfüllt die garantierte 4-mm-Kontaktkappe die Anforderungen für die Messung im Ladegerät - ein zunehmender Trend bei Mode-3-Geräten für gewerbliche, industrielle und öffentliche Ladeeinrichtungen. Das G9KC eignet sich daher für alle Anwendungen vor, in oder hinter dem Zähler.

Durch die Erfüllung sowohl der Mess- als auch der Schutzanforderungen können diese Relais die Versorgungs- und Lastschaltungen für mehrere gruppierte Ladeeinheiten vereinfachen, indem sie die vorgeschriebene Sicherheitsbarriere bereitstellen und gleichzeitig eine Fehlerübertragung zwischen Wallboxen verhindern.

AC-Trennrelais sind für die Sicherheit von Wallboxen unerlässlich. Doch steuern sie den gesamten Ladestrom und sind daher auch eine Hauptquelle unerwünschter Wärmeentwicklung im Inneren der Box.

Je nach Betriebsbedingungen kann bereits eine Erhöhung des Kontaktwiderstands um 1 mΩ zu einem Anstieg der Temperatur am Lastanschluss um bis zu 18 °C führen. In der G9KC-Serie sorgt eine Kombination aus mechanisch gekoppelten Doppelunterbrechungskontakten und einem leistungsoptimierten Kontaktkartendesign (Cradle) dafür, dass der Hauptkontaktwiderstand bei Volllast typischerweise unter einem Milliohm liegt (nur 275 VCA 40 A). Dies ist in der Regel 2,5-mal weniger als bei derzeit erhältlichen Konkurrenzprodukten. Dies verbessert nicht nur die Ladeeffizienz, sondern reduziert auch Strom-Hotspots und minimiert die Wärmeabgabe. Es kann die Betriebstemperatur in einer 22-kW-32-A-Wallbox um bis zu 10 °C senken.

Die niedrigere Betriebstemperatur des G9KC trägt nicht nur zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit bei, sondern verringert auch die Wahrscheinlichkeit, dass Stromdrosselungsschwellen erreicht werden, und sorgt so für schnelle und vorhersehbare Ladezeiten. Neben einem niedrigen Anfangskontaktwiderstand sorgt das langlebige Kontaktdesign dafür, dass der Widerstand während der gesamten Lebensdauer des Bauteils niedrig bleibt. Dies ist besonders wichtig, da die Betriebsdauer einer Wallbox in der Regel mehrere Jahre beträgt.

Verbesserung des Schutzes vor dem Netz

Der garantierte Abstand von 4 mm, der geringe Kontaktwiderstand und die hohe Kurzschlussfestigkeit der G9KC-Serie erweitern das Anwendungsspektrum dieser Relais, sodass sie in intelligenten Verteilungsinfrastrukturen vielfältigere Aufgaben übernehmen können. Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) aller Bauarten, einschließlich String-, Hybrid- und Zentralanlagen, erfordern eine automatische Trennvorrichtung zwischen dem Generator und dem öffentlichen Niederspannungsnetz. Die automatische Abschaltung gewährleistet nicht nur die Sicherheit des Personals, sondern schützt auch Geräte und Verbraucher vor Störungen, die zu falschen Spannungen und Frequenzen führen. Omrons G9KC-Serie erfüllt die Anforderungen der Normen DIN VDE0126-1 und VDE0126-2, die die Geräte und Prüfverfahren für die Trennung oder Inselbildung des PV-Ausgangs regeln, und vereinfacht somit die automatische Abschaltung zum Schutz des Netzes.

Austausch des Schützes

Angesichts der Notwendigkeit einer raschen Modernisierung und Aufrüstung der Strominfrastrukturen überall auf der Welt im Rahmen der globalen Bemühungen um eine saubere Elektrifizierung wachsen das Interesse und die Chancen für Relais als kompaktere, effizientere und kostengünstigere Alternative zu Geräten wie Wechselstromschützen.

Ein wesentliches Merkmal von Schützen sind ihre integrierten Hilfsspiegelkontakte, mit denen das System erkennen und sicher reagieren kann, wenn die Hauptkontakte aufgrund von Überstrom verschweißen. Omrons G9KC-Serie umfasst optional Spiegelkontakte, wodurch die Erkennung eines verschweißten Hauptkontakts in einem kompakteren und kostengünstigeren Gerät erleichtert wird.

Die G9KC-Spiegelkontakte entsprechen IEC 60947-4-1 Anhang F und können daher als kompakte, hocheffiziente AC-Unterbrecheralternative zu mehrpoligen Industriekontaktoren betrachtet werden, die eine leistungsstarke Sicherheitsisolierung in Anwendungen gemäß IEC 60364 bieten.

Hochstromrelais zur PCB-Montage wie die G9KC-Serie können bis zur Hälfte kleiner sein als vergleichbare herkömmliche Relais, was eine höhere Leistungsdichte ermöglicht und Schutzprobleme in Anwendungen mit begrenztem Platz löst. Ein weiterer Vorteil sind gelötete Anschlüsse, die wiederholbarer, zuverlässiger und effizienter als herkömmliche Schraubverbindungen sind.

Fazit

Elektromechanische Relais bieten eine physische Isolierung, die für die Sicherheit in der heutigen elektrifizierten Welt unerlässlich ist. Verbesserte Designs, die die Kurzschlussstromfestigkeit erhöhen, den Kontaktwiderstand verringern und einen Kontaktabstand von 4 mm garantieren können, erfüllen die strengsten Anforderungen der geltenden IEC- und VDE-Normen. Kompakte Hochstrom-Leiterplattenbauelemente mit Lötanschlüssen und integrierten Spiegelklemmen bieten die gleichen Funktionen wie Schütze und stellen daher eine kleinere und kostengünstigere Alternative dar.