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Elektrische Lebensdauer von Gleichstromschützen in Hochspannungs-Batteriespeichersystemen
Ein Gleichstrom-Schütz kann in einer Testumgebung Tausende von mechanischen Zyklen normal funktionieren, aber diese Zahl sagt nicht die ganze Geschichte aus.
In einem Batteriespeichersystem kann es erforderlich sein, dass der Schütz unter bestimmten Spannungs- und Strombedingungen einen Gleichstromkreis ein- oder ausschaltet. Jeder Schaltvorgang beansprucht die Kontakte und das Lichtbogenkontrollsystem elektrisch.
Aus diesem Grund verdient die elektrische Dauerfestigkeit bei der Bewertung eines Gleichstromschützes für BESS-Anwendungen besondere Beachtung.
Mechanische Lebensdauer und elektrische Lebensdauer sind unterschiedlich
Die mechanische Belastbarkeit gibt an, wie oft ein Schütz unter festgelegten Bedingungen physisch betätigt werden kann.
Die elektrische Belastbarkeit hängt mit dem Schalten einer tatsächlichen elektrischen Last zusammen.
Diese beiden Figuren dürfen nicht als austauschbar betrachtet werden.
Ein Schütz kann eine hohe mechanische Lebensdauer aufweisen, da sein Mechanismus wiederholt betätigt werden kann, ohne eine signifikante elektrische Last zu tragen. Sobald jedoch Spannung und Strom angelegt werden, wird der Schaltvorgang anspruchsvoller.
Die tatsächliche elektrische Lebensdauer hängt von den Bedingungen ab, unter denen die Kontakte geöffnet und geschlossen werden.
Für BESS-Anwendungen sind die Daten zur elektrischen Ausdauer daher nützlicher, wenn sie im Verhältnis zur tatsächlichen Schaltbelastung des Systems bewertet werden.
Der Schaltstrom hat eine direkte Wirkung
Der durch einen Schütz fließende Strom beeinflusst sowohl seine normale Betriebstemperatur als auch die beim Schalten auftretende Belastung.
Wird der Stromkreis unterbrochen, verschwindet die elektrische Energie nicht einfach. Der Schütz muss den entstehenden Lichtbogen kontrollieren, bis der Stromkreis sicher unterbrochen ist.
Höhere Stromstärken führen im Allgemeinen zu anspruchsvolleren Schaltbedingungen.
Aus diesem Grund sollte man nicht automatisch davon ausgehen, dass ein Schütz, der für einen bestimmten Dauerstrom ausgelegt ist, die gleiche elektrische Lebensdauer aufweist, wenn dieser Strom wiederholt geschaltet wird.
Die tatsächlichen Entstehungs- und Bruchbedingungen müssen berücksichtigt werden.
Gleichspannung macht Unterbrechungen anspruchsvoller
Das Unterbrechen von Gleichstrom unterscheidet sich vom Unterbrechen von Wechselstrom, da der Strom während jedes Zyklus nicht naturgemäß den Nulldurchgang durchläuft.
Sobald sich die Kontakte trennen, muss der Schütz den Gleichstromlichtbogen kontrollieren und löschen.
Mit steigender Systemspannung werden die Anforderungen an die Lichtbogenführung des Schützes immer höher.
Dies ist insbesondere für Hochspannungs-BESS-Plattformen relevant.
Daher muss der Schütz anhand der Spannungs- und Strombedingungen bewertet werden, denen er beim Schalten tatsächlich ausgesetzt sein wird, und nicht nur anhand eines Nennstromwerts.
Das Betriebsprofil ist wichtig
Nicht jedes BESS nutzt seine Schütze auf die gleiche Weise.
Ein System kann den Hauptschütz vorwiegend während der Anfahr-, Abfahr- und Wartungsisolation betreiben.
Ein anderes System kann je nach Steuerungsstrategie und Systemarchitektur häufigere Schaltvorgänge aufweisen.
Typische Ereignisse können Folgendes umfassen:
- Systemstart
- Systemabschaltung
- Batterieanschluss
- Batterietrennung
- Wartung
- Schutzbezogene Operation
Bei der Bewertung der elektrischen Belastbarkeit sollte die Anzahl der Schaltvorgänge während der erwarteten Lebensdauer berücksichtigt werden.
Ein Schütz, der nur für gelegentliche Trennungen vorgesehen ist, kann ganz andere Anforderungen stellen als ein Schütz, der im Normalbetrieb wiederholt schalten muss.
Kontaktwiderstand und Langzeiterwärmung
Bei der elektrischen Belastbarkeit geht es nicht nur darum, was passiert, wenn die Kontakte öffnen.
Wenn der Schütz geschlossen bleibt, fließt Strom durch die Kontakte und erzeugt entsprechend dem Kontaktwiderstand Wärme.
Bei steigender Stromstärke kann selbst ein geringer Widerstand zu einer spürbaren Verlustleistung führen.
Dies macht den Kontaktwiderstand zu einem wichtigen Parameter für Hochstrom-BESS-Anwendungen.
Die Umgebungstemperatur, die Anschlussklemmen, die Leiteranordnung und die Gehäusekonstruktion können ebenfalls die Endtemperatur des Schützes beeinflussen.
Bei Systemen, die über lange Zeiträume kontinuierlich betrieben werden sollen, sollten diese Faktoren gemeinsam betrachtet werden, anstatt die Strombelastbarkeit des Schützes isoliert zu betrachten.
Kontaktabrieb kann die Leistung im Laufe der Zeit beeinträchtigen
Wiederholtes elektrisches Schalten kann die Kontaktflächen allmählich beeinträchtigen.
Der Verschleißgrad hängt von Faktoren wie beispielsweise folgenden ab:
- Schaltspannung
- Schaltstrom
- Lastcharakteristik
- Anzahl der Operationen
- Bogendauer
- Kontaktgestaltung
Mit der Änderung der Kontaktbedingungen können sich auch die elektrischen Eigenschaften ändern.
Bei Anwendungen mit häufigem Schalten ist daher die elektrische Dauerfestigkeitsprüfung unter repräsentativen Betriebsbedingungen beim Vergleich verschiedener Schützlösungen von großem Wert.
Die Rolle der Auftragnehmer beim BESS-Schutz
Von einem Gleichstromschütz sollte man nicht erwarten, dass er jeden Fehlerstrom im Batteriestromkreis unterbricht.
In einem typischen Hochspannungs-Batteriespeichersystem haben Schütz und Sicherung unterschiedliche Funktionen.
Der Schütz ermöglicht kontrolliertes Schalten und Trennen, während eine geeignet gewählte Gleichstromsicherung Fehlerströme unterbrechen kann, die über die vorgesehene Schaltleistung des Schützes hinausgehen.
Diese Unterscheidung ist wichtig, wenn es um die elektrische Belastbarkeit geht.
Wenn der Schütz wiederholt Fehlerbedingungen ausgesetzt ist, die über seine vorgesehene Einsatzfähigkeit hinausgehen, können seine Kontakte unnötigen elektrischen Belastungen ausgesetzt sein.
Das Schutzsystem sollte daher so koordiniert werden, dass jede Komponente ihre vorgesehene Funktion erfüllt.
BMS-Steuerung und Schaltfrequenz
Das Gebäudeleitsystem (BMS) bzw. die Systemsteuerung legt fest, wann der Schütz zum Auslösen aufgefordert wird.
Dies bedeutet, dass die Lebensdauer des Schützes teilweise mit der Steuerungsstrategie des Batteriesystems zusammenhängt.
Häufiges, unnötiges Schalten kann die Anzahl der elektrischen Schaltvorgänge während der Lebensdauer des Schützes erhöhen.
Eine Steuerungsstrategie, die einen Schütz im Normalbetrieb geschlossen hält und ihn nur bei erforderlicher Trennung betätigt, kann hingegen zu einem ganz anderen Arbeitszyklus führen.
Der Schütz sollte daher zusammen mit der erwarteten Steuerlogik und nicht unabhängig vom Gebäudeleitsystem bewertet werden.
Vorladevorgang weiterhin wichtig
Vorladeschaltungen werden häufig verwendet, um den Einschaltstrom zu begrenzen, wenn ein BESS-Gleichstrombus mit nachgeschalteten kapazitiven Lasten verbunden wird.
Die Vorladesequenz kann die elektrischen Bedingungen beeinflussen, denen der Hauptschütz ausgesetzt ist.
Durch eine korrekt gesteuerte Abfolge lässt sich der Stress beim Anschluss des Haupt-Gleichstromkreises reduzieren.
Dies bedeutet nicht, dass die Vorladung jegliche Schaltbeanspruchung eliminiert. Die tatsächliche Spannung, der Strom, das Timing und die Schaltungsbedingungen müssen weiterhin bewertet werden.
Aus diesem Grund sollten die elektrischen Eigenschaften des Schützes zusammen mit der gesamten Vorlade- und Hauptstromkreissteuerungsstrategie betrachtet werden.
Die Installationsbedingungen können die Lebensdauer beeinflussen
Die elektrische Leistungsfähigkeit des Schützes wird auch durch die Installationsumgebung beeinflusst.
Ein in einem kompakten Hochspannungsgehäuse installierter Schütz kann höheren Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein als das gleiche Gerät, das in einer offeneren Umgebung betrieben wird.
Auch die Klemmenanschlüsse und die Leiterführung können die Wärmeerzeugung beeinflussen.
Diese Bedingungen sind wichtig, da anhaltende thermische Belastung die Langzeitleistung elektrischer Bauteile beeinträchtigen kann.
Der Schütz sollte daher unter Bedingungen bewertet werden, die die endgültige BESS-Installation angemessen repräsentieren.
Wie man die elektrische Belastbarkeit beurteilt
Bei der Bewertung eines Gleichstromschützes für ein Hochspannungs-Batteriespeichersystem sind mehrere Fragen hilfreich:
- Was ist die maximale Betriebsspannung?
- Was ist der normale Dauerstrom?
- Welche Stromstärke fließt beim Schaltvorgang?
- Wie häufig wird der Schütz auslösen?
- Welche Bedingungen sind für ein erfolgreiches und ein erfolgloses Ergebnis zu erwarten?
- Welche elektrische Belastbarkeit ist für diese Bedingungen erforderlich?
- Wie hoch ist der Kontaktwiderstand?
- Wie beeinflusst die Temperatur den Dauerbetrieb?
- Wie ist der Schütz mit der Gleichstromsicherung abgestimmt?
- Führt die Steuerungsstrategie zu unnötigen Schaltvorgängen?
Die Antworten liefern ein wesentlich klareres Bild als eine einzelne mechanische Lebensdauerangabe.
Auswahl des tatsächlichen Arbeitszyklus
Es gibt keine einheitliche Schützspezifikation, die für jedes BESS geeignet ist.
Ein in einem Heimspeichersystem verwendeter Schütz kann ein anderes Schaltprofil aufweisen als ein Schütz, der in einem gewerblichen oder industriellen Hochleistungs-Energiespeichersystem installiert ist.
Spannung, Stromstärke, Schaltfrequenz, Vorladeverhalten, Fehlerkoordination und thermische Bedingungen müssen alle berücksichtigt werden.
Der am besten geeignete Schütz ist daher nicht unbedingt derjenige mit der höchsten Nennstromstärke oder der längsten mechanischen Lebensdauer.
Es handelt sich um diejenige Batterie, deren elektrische Eigenschaften dem tatsächlichen Arbeitszyklus des Batteriesystems entsprechen.
Elektrische Ausdauer unterstützt die langfristige Zuverlässigkeit von Batteriespeichersystemen
Da von BESS-Systemen ein zuverlässiger Betrieb über lange Betriebszeiten erwartet wird, müssen die Schaltkomponenten innerhalb des Hochspannungskreises nicht nur nach ihren grundlegenden elektrischen Nennwerten bewertet werden.
Bei Gleichstromschützen hängen verschiedene Aspekte der elektrischen Lebensdauer zusammen: Schaltspannung, Schaltstrom, Betriebsfrequenz, Kontaktwiderstand, thermische Bedingungen und die Abstimmung mit dem Schutzsystem.
Die Betrachtung all dieser Faktoren zusammen bietet Ingenieuren eine realistischere Grundlage für die Bewertung der Zuverlässigkeit von Schützen.
Bei Hochvolt-Batteriespeichersystemen ist das Verständnis der tatsächlichen elektrischen Funktion eines Gleichstromschützes ein wichtiger Schritt hin zu zuverlässigem Schalten und Trennen während der gesamten Lebensdauer des Systems.
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