Forschung und Entwicklung: Schutzschalter für Gleichstromversorgungen

FORSCHUNG & ENTWICKLUNG

In einem Verbundprojekt entwickelt die Technische Universität Ilmenau mechanische Schutzschalter für elektrische Geräte und Anlagen, die auf der Basis von Gleichstrom arbeiten. Bisher basiert das Stromnetz in Deutschland weitestgehend auf Wechselstrom, im Zuge der Energiewende verwenden aber immer mehr Geräte Gleichstrom: Photovoltaikanlagen auf Hausdächern, Elektroautos oder auch Ladestationen für Handys. Zu ihrer Absicherung werden neuartige Schutzschalter benötigt, denn die bisher gebräuchlichen Schalter nutzten die Eigenschaften von Wechselspannung. Das Forschungsprojekt „FASS – Fast and selective Switching“ – schnelles und selektives Schalten – wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie an der TU Ilmenau mit 1,3 Millionen Euro für drei Jahre gefördert.



Gesetztes Ziel der Bundesregierung ist es, den Anteil von Strom auf Basis erneuerbarer Energien zu steigern und gleichzeitig Energieverluste bei Transport und Verbrauch zu verringern. Sowohl die Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien, etwa Photovoltaikanlagen, als auch viele Verbrauchergeräte wie PC, Fernseher oder LED-Beleuchtung basieren bereits heute auf Gleichstrom. Doch die unterschiedlichen Eigenschaften von Wechselstrom und Gleichstrom erfordern neue Technologien, um elektrische Anlagen und Geräte zu schützen. Um sie in nur wenigen Mikro- oder Millisekunden abzuschalten, werden neuartige Schutzschalter benötigt.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung eines Gleichstromschutzschalters ist es, den Stromkreis in jedem erdenklichen Fehlerfall, etwa bei einem Kurzschluss, sicher und schnell abzuschalten. Nachdem der Fehler erkannt wurde, öffnen sich im Inneren des Schutzschalters Schaltkontakte und es entsteht ein Lichtbogen. Um nun den Stromfluss zu unterbrechen und einen Brand zu verhindern, muss dieser Lichtbogen umgehend gelöscht werden. Während aber bei Wechselstrom der Lichtbogen spätestens in dem Moment von selbst erlischt, in dem der Strom seine Richtung ändert, muss bei Gleichstrom – der je nach Bedarf stetig in eine bestimmte Richtung fließt – durch zusätzliche Maßnahmen dafür gesorgt werden, dass der Lichtbogen gelöscht wird. Wie, das wird nun im Fachgebiet Elektrische Geräte und Anlagen der TU Ilmenau unter der wissenschaftlichen Leitung von Prof. Frank Berger erforscht. Seine Idee ist es den Lichtbogen mit Hilfe eines starken Magnetfeldes in eine Löschvorrichtung zu treiben, die den Leistungsbedarf des Lichtbogens erhöht und dadurch auch dessen Widerstand. Um den Stromkreis schnell genug auszuschalten, muss der Lichtbogen möglichst früh, schon mit Öffnung der Kontakte, in wenigen Mikrosekunden in die Löschvorrichtung getrieben werden – und dies muss zudem in jedem einzelnen Fehlerfall absolut zuverlässig funktionieren.

Die Aufgabenstellung der Ilmenauer Wissenschaftler ist, das Verhalten von Lichtbögen in Abhängigkeit eines starken Magnetfeldes zu erforschen.

Koordiniert wird das FASS-Projekt von der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH aus Altdorf bei Nürnberg. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig bringt ihre Expertise in der Messtechnik ein. Unterstützt werden die drei Forschungspartner vom Kompetenzzentrum für Elektrische Kontakte Ilmenau (KEKI) – neben der E-T-A GmbH die Unternehmen SIEMENS, Doduco und Heraeus.

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