Der Hauptunterschied zwischen Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC) liegt in der Art und Weise, wie die elektrische Ladung durch das Netz fließt. Bei Gleichstrom fließt die Ladung konstant in eine Richtung, während sie bei Wechselstrom periodisch ihre Richtung ändert.
Beim Schalten in Gleichstromnetzen verläuft der Strom nicht durch Null, wie bei Wechselstromnetzen. Dies macht das Schalten von Gleichstrom potenziell gefährlicher, da Lichtbögen entstehen können, die schwerer zu löschen sind. Das Messen in Gleichstromnetzen gestaltet sich einfacher, da die Spannung und der Strom konstant sind. In einem Wechselstromnetz werden Effektivwerte gemessen, weil die Spannung und der Strom sinusförmig variieren.
Auch Überwachungssysteme für Gleichstromnetze müssen auf konstante Spannung und konstanten Strom ausgelegt sein. Manche Arten von Fehlern, die in Wechselstromnetzen auftreten, werden möglicherweise nicht erkannt, wie z. B. ein Phasenausfall.
Im Rahmen des Projekts DC-INDUSTRIE2 erforschte Phoenix Contact mit Teilnehmern der Wirtschaft und Forschung das Thema Gleichstromnetze. In diesem Zusammenhang wurden die folgenden Anforderungen an das Schalten im Gleichstromnetz formuliert.
Bei Geräten mit Halbleiterschaltern ist eine zuverlässige Trennung des Stromkreises bauartbedingt nicht immer sichergestellt. Daher wird eine allpolige galvanische Trennung mit elektromechanischen Bauteilen realisiert, ähnlich wie bei Schützen oder Relais.
Die Hauptaufgabe eines Schutzorgans besteht darin, bei Überstrom oder Kurzschluss innerhalb einer angemessenen Zeit sicher abzuschalten. Bei DC-Lasten ist die sichere Abschaltung bei Überstrom oder Kurzschlüssen ebenso wichtig wie bei AC-Lasten. Aus diesem Grund ist eine zuverlässige Abschaltung entscheidend für die Stabilität und Sicherheit dieser Systeme.
Bei zu hohen Spannungen verhindert der Überspannungsschutz insbesondere die Gefahr von Beschädigungen an Verbrauchern.
Der Unterspannungsschutz gewährleistet, dass eine Last bei ausreichend hoher Spannung eingeschaltet wird.
Ungeladene kapazitive Lasten am Ausgang des Schaltgeräts (z. B. Zwischenkreise) erzeugen im Schaltmoment für kurze Zeit den Zustand eines Kurzschlusses. Um diese Stromspitzen zu vermeiden, werden die Kapazitäten vorgeladen, bis die Spannungen von Geräteausgang und Kapazität angeglichen sind.
Ein Erdschluss birgt die Gefahr, Schaden an Menschen und Anlagen zu verursachen. Diese Gefährdungen sind zu berücksichtigen. Während der Kurzschlussschutz bei Fehlern im Gerät abschaltet, schützt der Erdschlussschutz bei Fehlern zwischen Gerät und Erde.
Ein wesentlicher Vorteil von Gleichstromnetzen ist die Möglichkeit, Energie zurückzuspeisen. Diese Anwendung erfordert jedoch präzise Messungen. Energiezähler für sowohl Wechselstrom (AC) als auch Gleichstrom (DC) unterliegen dem Eichgesetz, wenn sie für finanzielle Abrechnungen verwendet werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit und der Reduzierung von Wandlungsverlusten bietet sich in Gleichstromnetzen eine direkte Messung in DC an. Im Gegensatz zu Wechselstromnetzen ist die DC-Messung einfacher, da keine Phasenverschiebung berücksichtigt werden muss.
Messen ist die Vorraussetzung für das Überwachen in elektrischen Netzen. Die Überwachung sieht vor, dass Grenzwerte im System eingehalten werden z. B. die Spannung im DC-Netz darf maximal 650 V betragen. Bei Soll-Wert-Abweichungen muss ein Überwachungssystem reagieren und Gegenmaßnahmen einleiten. Dies kann zum einen das Ausregeln oder im Notfall auch das Abschalten der Anlage bedeuten. Eine Überwachung im Gleichstromnetz gestaltet sich im Gegensatz zum Wechselstromnetz einfacher, da die Spannung "nur" konstant gehalten werden muss. Ein Beispiel ist das G60 von Phoenix Contact. Hier ist der AIC (Active-Infeed-Converter) der Kern für Überwachung und Regelung. Fällt die Spannung im Netz ab, liefert der AIC Energie aus dem Batteriespeicher oder dem AC-Netz nach. Steigt die Spannung im Netz, wird Energie entweder gespeichert oder zurück ins öffentliche Netz gespeist.
Die Integration von Erzeugern, Speichern und Verbrauchern im Gleichstromnetz bringt spezielle Herausforderungen wie dem lichtbogenfreien Schalten. An jedem DC-Abzweig muss sicheres Schalten gewährleistet sein. Mit dem CONTACTRON ELR HDC erscheint der erste multifunktionale DC-Leistungsschalter am Markt, der die Anforderungen für den Einsatz in DC-Netzen erfüllt.
Der Einsatz von Gleichstromnetzen in der Industrie steht noch am Anfang. Daher stellen technische Hürden und fehlende Standards unsere Kunden aktuell teilweise noch vor Herausforderungen. Um dem entgegenzuwirken und den Ausbau von Gleichstromnetzen voranzutreiben, engagiert sich Phoenix Contact bereits seit Jahren in internationalen Forschungsprojekten und Gremien, wie der ODCA, Shift2DC und HybSchaDC zum Thema Gleichstrom und investiert viel in die eigene Produktentwicklung.
