DC-Applikationsbeispiel E-Mobilität: Ladestationen enthalten eine Vielzahl von empfindlichen elektronischen Komponenten – für eine hohe Verfügbarkeit müssen sie gegen transiente Überspannungen und Blitzeinwirkungen geschützt werden. (Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH)
Störimpulse und deren Folgen
Wechselrichter, Gleichrichter und DC-DC-Wandler bestehen meist aus elektronischen Komponenten, die mit möglichst geringeren Verlusten arbeiten und die Spannung konvertieren sollen. Aufgrund der niedrigen Störfestigkeit reagieren diese Komponenten sensibel auf Überspannungsereignisse. Da die unerwarteten Störimpulse häufig weit über die Störfestigkeit der Bauteile hinaus gehen, sind diese den Belastungen ausgesetzt und werden dadurch vorgeschädigt oder sogar zerstört. Die Störimpulse entstehen durch direkte und indirekte Blitzeinschläge in das Erdreich oder in die elektrische Installation sowie durch transiente Überspannungen aufgrund von Schalthandlungen im Versorgungsnetz. Blitzeinschläge sind zwar meist energiereich, allerdings je nach Region teilweise recht selten. Die Blitzenergie reicht aus, um die elektrischen und elektronischen Systeme zu zerstören oder Brände zu verursachen. Zudem erzeugen Blitzeinschläge am Einschlagsort Spannungserhöhungen von mehreren tausend Volt. Schlägt ein Blitz etwa in ein Gebäude mit einem äußeren Blitzschutz ein, oder auch in einen Baum in der Umgebung, wird das Erdpotential angehoben. So kann zwischen Energieleitung und den geerdeten Teilen eine Potentialdifferenz von mehreren zehntausend Volt entstehen. Dies übersteigt häufig die Spannungsfestigkeit von Geräten und führt zu Überschlägen in der Installation oder in den eingebauten elektronischen Komponenten. Bei direkten Blitzeinschlägen in die Peripherie sucht der Blitzstrom immer den widerstandsarmen Weg zur Erde. Aufgrund einer galvanischen Kopplung in der elektrischen Installation kann der Blitzimpuls über einen PE-Leiter an die Leistungselektronik gelangen und diese zerstören. Ein anderes physikalisches Phänomen ist die Einkopplung von Überspannungen durch ein äußeres Blitzschutzsystem. So erzeugt beispielsweise der Stromfluss in den Ableitungen vom äußeren Blitzschutzsystem ein elektromagnetisches Feld um sich herum, das wiederum Überspannungen in die parallel verlaufende Versorgungsleitung induziert. Eine andere Ursache für häufige Überspannungen sind Schalthandlungen im Versorgungsnetz. Diese können bis zu mehreren tausend Volt betragen und beispielsweise durch Ein- und Ausschaltvorgänge von nahegelegenen elektrischen Ausrüstungen, Erd- und Kurzschlüsse sowie durch das Auslösen einer Sicherung entstehen. Dabei können die Überspannungen die funktionsfähige Leistungselektronik vorschädigen und dadurch die Lebensdauer der Komponenten deutlich reduzieren. Wer derartige Ausfälle durch Störimpulse vermeiden und seine Investitionen in hochwertige Leistungselektronik schützen möchte, kommt an einem umfassenden Überspannungsschutzkonzept nicht vorbei.
Schutzmechanismen für die DC-Anwendung
Mit zunehmender Anzahl der DC-Systeme werden auch neue sicherheitsrelevante Anforderungen an DC-Schutzgeräte gestellt, da die physikalischen Eigenschaften bei Gleich- und Wechselspannung unterschiedlich sind. Denn die Gleichspannung hat im Gegensatz zur Wechselspannung keinen Nulldurchgang – der entstandene Lichtbogen beim Schaltvorgang wird nicht selbständig gelöscht und kann zu einem Brand führen. Ziel ist es nun, im Fehlerfall den entstanden Lichtbogen im DC-Überspannungsschutzgerät mithilfe einer geeigneten Abtrennung oder einer Vorsicherung frühzeitig zu löschen. Damit der Anwender seine Anlage optimal schützen kann, wurde die neue Produktfamilie Valvetrab SEC-DC entwickelt.
