Gleichstrom-Forschung Auf der Suche nach dem schnellen DC Circuit Breaker

Im Forschungsprojekt NEST-DC haben fünf Projektpartner Sicherungstechniken für Gleichspannungsnetze erforscht und damit die Basis für neue elektronische Leistungsschutzschalter geschaffen.

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Die meisten Hochspannungsleitungen übertragen Wechselstrom. Das hat den Vorteil, dass über Transformatoren das Spannungsniveau auf der Leitung zur Übertragung angehoben und bei Bedarf an den Verbrauchsorten zur Verteilung wieder gesenkt werden kann. Bei der Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) ist technisch komplexe Leistungselektronik nötig, um die Funktion des Transformators zu ersetzen.

Jedoch sind die Netzverluste beim Übertragen von Wechselstrom mit 5 bis 8% grundsätzlich höher als das der Fall bei Gleichstrom ist. Mit Gleichspannung ließe sich die elektrische Energie aus regenerativen Quellen auch effizienter in Energienetze und Energiespeicher einspeisen und die Netzstabilität verbessern.

Somit machen die geringeren Verluste und die Möglichkeit, kompaktere und kostengünstigere Elektrogeräte herzustellen, die Gleichspannung für viele Anwendungen attraktiv. Das Fehlen effizienter und kostengünstiger Sicherungstechniken verhindert es bislang, das Potenzial der Gleichspannung besser auszuschöpfen.

Diese Schutztechnik, etwa Circuit Breaker, muss im Fehlerfall, z.B. Kurzschluss, schnell genug und zuverlässig abschalten. An elektromechanischen Schutzvorrichtungen entstehen zudem Lichtbögen beim Schalten von Gleichspannungen bzw. Gleichströmen und sie sind schwer, wenig robust, teuer und langsam ansprechend.

Ein Circuit Breaker kann bis zu 8 ms brauchen, um einen Stromfluss sicher zu trennen. Das aber ist viel zu lang und selbst eine Reaktionszeit von 5 ms ist noch zu langsam, wenn im Fehlerfall eine Lithium-Ionen-Batterie in einem Elektrofahrzeug unterbrochen werden muss.

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Das Projekt NEST-DC, gefördert durch das BMBF, will einen technologischen Durchbruch in der vollelektronischen Schutzschaltertechnik erzielen: Gleichspannung soll möglichst schnell und sicher ein- und besonders auch wieder ausgeschaltet werden können. Ziel ist ein halbleiterbasierter Schutzschalter für den Spannungsbereich bis 1500 V. Im Projekt werden dazu neuartige Halbleiterbauelemente, wie der Over-Current Blocking Field Effect Transistor erforscht. Halbleiterbasierende Leistungsschutzschalter sollen mit innovativer Aufbau- und Verbindungstechnik und neuen Topologien umgesetzt und für eine beispielhafte Anwendung im Flugzeug-Bordnetz validiert werden.

Die im Projekt zu erarbeitenden neuartigen Schutzschaltungstopologien erlauben eine zukunftsweisende Generation von Gleichspannungschutzschaltern bei selbstständiger interner Absicherung der Halbleiter gegen Überlastung.

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