12 minElektrifizierungVeröffentlicht am 18. Juni 2024

SACE Infinitus für die Stromverteilung der Zukunft: Der erste seiner Art

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Intro

Die einzigartige, zertifizierte All-in-one-Lösung SACE Infinitus eröffnet neue Perspektiven für den Schutz von vorhandenen und zukünftigen Gleichstromnetzen. Mit integrierter Leistungselektronik, Mechanik, Kühlung, Steuerung, Sensorik und Kommunikation setzt das Gerät neue Maßstäbe in puncto Fehlerschutz und -isolierung im Niederspannungsbereich.

Im Zuge der fortschreitenden elektrischen Transformation und der intensiven Bemühungen um CO₂-Neutralität gewinnen Gleichstromlösungen in der elektrischen Energieverteilung und insbesondere im Niederspannungsbereich (NS) zunehmend an Bedeutung. Aufgrund der im Vergleich zu Wechselstrom-Lösungen (AC-Lösungen) höheren Effizienz ermöglichen Gleichstrom-Lösungen (DC-Lösungen) die Elektrifizierung einer Vielzahl neuartiger Lasten, z. B. im Transportwesen, in der Industrieautomation, in der Klimatechnik usw. Dies wiederum treibt die Integration von erneuerbaren Energien und die Implementierung von Energiespeichern im Stromnetz voran.

Aufgrund der wirtschaftlichen Vorteile, die die DC-Technologie in den verschiedenen Anwendungen ermöglichen kann, gilt deren Wachstumspotenzial als äußerst vielversprechend. Dies gilt besonders im Hinblick auf die höhere Effizienz und die dadurch geringeren Energiekosten, die mithilfe DC-gekoppelter Energiespeicher noch weiter verbessert werden können. Aufgrund dieses Effizienzvorteils werden DC-Lösungen bereits heute zunehmend in der Schifffahrt eingesetzt. Dennoch gibt es bedeutende Hürden, z. B. im Hinblick auf den Fehlerschutz und die Fehlerisolierung.

Die Hauptherausforderung resultiert aus der für diese Hochleistungs-DC-Systeme charakteristischen geringen Induktivität im Gesamtleistungspfad, deren Auswirkung im Fehlerfall in der Kombination mit zusätzlichen, direkt DC-gekoppelten Hochleistungs-Energiespeichern noch verstärkt wird. Kommt es zu einem Kurzschluss, ist die Anstiegszeit des resultierenden, sehr hohen Fehlerstroms aufgrund der geringen Induktivität und des geringen spezifischen Widerstands erheblich kürzer als bei AC-Anwendungen – mehrere Hundert Mikrosekunden oder weniger, was eine erhebliche Herausforderung für einen konventionellen Leistungsschalter darstellt.

Um den Fehlerstrom zu begrenzen und zu löschen, muss das Gerät schnellstmöglich eine Gegenspannung aufbauen, die mindestens der Nennbetriebsspannung des Systems entspricht. Bestehende DC- und AC-Systeme mit elektromechanischen Leistungsschaltern nutzen dazu Löschmechanismen, die den entstehenden Lichtbogen teilen, kühlen und die Lichtbogenenergie über eine Lichtbogenkammer abführen. Diese Methode eignet sich zwar zur Stromunterbrechung in den meisten bestehenden Anwendungen, ist aber – je nach Schaltergröße – mit mehreren Dutzend Millisekunden zu langsam für die sich entwickelnden neuen DC-Anwendungen.

Prinzip der ultraschnellen Fehlerstromabschaltung mithilfe der SSCB-Technologie.

Halbleiterbasierte Leistungsschalter (Solid-State Circuit Breakers / SSCB) nutzen sogenannte Leistungshalbleiter mit hoher Stromtragfähigkeit und Schaltgeschwindigkeiten im Mikrosekundenbereich, um die erforderliche Freischaltung des Stromkreises und eine ultraschnelle und sichere Unterbrechung der erwähnten schnell ansteigenden Fehlerströme in DC-Anwendungen zu gewährleisten.

Mit dem Ziel, eben jene DC-Systeme der Zukunft zu ermöglichen und somit den Weg für eine nachhaltige Energiewende zu ebnen, hat ABB den SACE Infinitus entwickelt, einen einzigartigen halbleiterbasierten Leistungsschalter, der die Problematik des Fehlerschutzes und der Fehlerisolierung mit einem einzigen All-in-one-Gerät löst

RB-IGCT – eine starke Lösung

Von der traditionellen bidirektionalen IGCT-Anordnung zum neuen RB-IGCT des SACE Infinitus.

Eine bisher bestehende Hürde beim Einsatz von halbleiterbasierten Leistungsschaltern sind die höheren Durchlassverluste aufgrund des größeren Spannungsabfalls über dem Halbleiter im Vergleich zum typischerweise geringen Kontaktwiderstand in einem herkömmlichen elektromechanischen Leistungsschalter. Ein weiterer Nachteil höherer Verluste – neben der verringerten Effizienz – ist die sich dadurch ergebende Notwendigkeit zur Abfuhr der entstehenden Wärme. Selbst das effizienteste Kühlsystem kann die unerwünschte Zunahme der Größe, Komplexität und Kosten nicht kompensieren.

Ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ist nicht nur in der Lage, Ströme schnell und effektiv ein- und auszuschalten, er lässt sich auch leicht steuern. IGBTs stellen den Stand der Technik bei Stromrichteranwendungen dar, weisen aber in Leistungsschalteranwendungen höhere Durchlassverluste auf, was besonders bei hohen Nennströmen eine erhebliche Herausforderung darstellt.

Vergleich der Verluste beim RB-IGCT mit anderen Halbleitern.

Im Jahr 1996 hat ABB den IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) in Verbindung mit Mittelspannungs-Umrichtern auf den Markt gebracht. Der IGCT zeichnet sich durch eine niederinduktive Ansteuereinheit (Gate-Treiber) und ein vollständig steuerbares Gate aus. So kann der Halbleiter ähnlich wie ein Thyristor Strom einschalten und mit sehr geringen Verlusten leiten und gleichzeitig wie ein IGBT oder ein Transistor auch abschalten – eine gute Grundlage für einen halbleiterbasierten Leistungsschalter.

Der SACE Infinitus geht noch einen Schritt weiter. Er nutzt einen speziellen rückwärts sperrenden IGCT (RB-IGCT), der einen Thyristor und eine in Reihe geschaltete Diode zum Schutz gegen Rückwärtsspannungen in einem einzigen Siliziumwafer integriert. Durch diese Integration auf Waferebene wird ein besonders niedriger Spannungsabfall in Durchlassrichtung erreicht. Im Zusammenspiel mit einem antiparallel geschalteten zweiten RB-IGCT, der das Durchleiten und Abschalten in entgegengesetzter Richtung ermöglicht, lassen sich bidirektionale Stromflüsse kontrollieren. Das Ergebnis sind um 70 % geringere Leistungsverluste im Vergleich zu einer IGBT-basierten Lösung. Die (RB-)IGCT-Lösung von ABB erreicht einen Wirkungsgrad von 99,9 % bei 1 kA und 1 kV, verglichen mit 99,5 % für IGBT-basierte Lösungen. Diese drastische Senkung der Leistungsverluste geht einher mit einer entsprechenden Reduktion des CO₂-Fußabdrucks.

Aufbauend auf dieser optimierten RB-IGCT-Lösung präsentierte ABB im Jahr 2019 auf der Hannover Messe das bahnbrechende Konzept für einen solchen halbleiterbasierten Leistungsschalter.

All-in-one-Konzept

Neben der Bewältigung der Herausforderungen bei der Entwicklung eines optimalen Halbleiters und Kühlsystems spielt vor allem die vollständige Produktintegration eine wichtige Rolle. Im Jahr 2022 präsentierte ABB nun den revolutionären SACE Infinitus, die erste All-in-one-Schutzlösung, die alle notwendigen Komponenten – Leistungselektronik, Mechanik, Kühlung, Steuerung, Sensorik und Kommunikation – nahtlos in einer installationsfreundlichen und kompakten Lösung integriert. Die Einfachheit des Designs sorgt dabei für eine Minimierung des Aufwands und somit der Kosten, die beim Einsatz des Produkts im Vergleich zu einer komplexen und potenziell fehleranfälligen sonderangefertigten Lösung mit mehreren Geräten entstehen. Mit dem SACE Infinitus entfallen der zusätzliche Aufwand und der Platzbedarf für einen externen Trennschalter und dessen Ansteuerung, die für den Wartungsfall erforderlich sind. Dies vereinfacht die Installation, erhöht die Sicherheit und senkt die Kosten.

Trotz der erheblichen Herausforderungen, die mit der Integration einer solchen breiten Palette von Technologien verbunden sind, ist es ABB gelungen, eine einzigartige halbleiterbasierte Leistungsschalterlösung zu realisieren. Die Nutzung eines einzigen Gehäuses mit optimierten Unterteilungen für die Hauptbaugruppen sorgt nicht nur für eine kompakte Baugröße, sondern ermöglicht auch eine einfache Installation und Wartung des Leistungsschalters. Das von den ausfahrbaren Leistungsschaltern bekannte und bewährte Einschubsystem findet in den zwei Unterteilungen Verwendung. Eine umfasst die Leistungselektronik mit der integrierten Flüssigkeitskühlung und den Schnellverschlusskupplungen und die andere den Schalter für die galvanische Trennung.

Darüber hinaus können Kommunikationsmodule aus der ABB Ekip-Reihe eingesteckt werden, um den halbleiterbasierten Leistungsschalter auf digitaler Ebene ins System zu integrieren. Die im Leistungsschalter integrierten Spannungs- und Stromsensoren ermöglichen dabei eine kontinuierliche (Fern-)Überwachung der elektrischen Parameter einschließlich der Leistungsmessung.

Vereinfachte Kühlung

Auch wenn der SACE Infinitus erheblich niedrigere Durchlassverluste aufweist als vergleichbare IGBT-Lösungen, sind sie mit etwa 3 kW bei einem Stromkreis mit einem Bemessungsstrom von 2.500 A nicht unerheblich. Um die Temperatur der Halbleitersperrschicht – dort treten im Betrieb die höchsten Temperaturen auf – im sicheren Arbeitsbereich (Safe Operating Area) zu halten, ist eine integrierte Flüssigkeitskühlung erforderlich. Bei einem herkömmlichen IGCT-Package dienen die Druckkontakte der Scheibenzelle neben der elektrischen Kontaktierung auch gleichzeitig als thermische Schnittstellen zur beidseitigen Kühlung des Siliziumchips. Dies hat allerdings seinen Preis, denn das Kühlsystem muss isoliert werden. Typischerweise geschieht dies mittels einer isolierenden Kühlflüssigkeit, z. B. entionisiertem Wasser bei Mittelspannungs-Motorantrieben. Doch die Kühlung mit entionisiertem Wasser kann unpraktikabel sein, da sie eine zusätzliche Vorrichtung zur Aufbereitung des Wassers erfordert.

Daher hat ABB eine gewichts- und platzsparende innovative Lösung entwickelt, die ohne die Nachteile gängiger Konzepte in puncto Komplexität die richtige Isolierung und Kühlung bietet. Das daraus resultierende Kühlkonzept des SACE Infinitus basiert auf Aluminiumnitrid-Kühlkörpern. Diese kombinieren die gewünschte elektrische Isolierfähigkeit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, die der von Aluminium sehr nahekommt. Damit kann als Kühlflüssigkeit die bekannte Mischung aus Wasser und Glykol verwendet und auf zusätzliche Ausrüstung verzichtet werden, was neben der Platzersparnis auch die Installation und den Betrieb wesentlich vereinfacht.

Der SACE Infinitus integriert Kühlung, Schutz, Induktivität, Leistungselektronik und Trennschalter in einem einzigen, einfach zu installierenden Gerät. Die Einschublösung ist mit elektrischen und ­hydraulischen Anschlüssen ausgestattet.

Steuerung und Schutz

Das Herzstück der Steuerungs- und Schutzfunktion des SACE Infinitus ist eine mikroprozessorbasierte Auslö-seeinheit, die sowohl die herkömmlichen „langsamen“ LSIG-Schutzfunktionen (Überlastschutz, verzögerter Kurzschlussschutz, unverzögerter Kurzschlussschutz und Erdschlussschutz) im Millisekunden- und Sekundenbereich als auch einen ultraschnellen Kurzschlussschutz im Mikrosekundenbereich bereitstellt. Darüber hinaus sichert sie das wichtige Zusammenspiel der Leistungselektronik und des elektromechanischen Trennschalters. Für die ultraschnelle Strommessung – eine Voraussetzung und gleichzeitig auch Herausforderung in DC-Systemen – war die Entwicklung spezieller Stromwandler mit Hallsensoren erforderlich, deren Bandbreite groß genug ist, um Stromtransienten bis 80 A/µs zu unterscheiden.

Blitzschnelle Reaktion im Fehlerfall

Der SACE Infinitus ist in der Lage, Fehler binnen Mikrosekunden abzuschalten, aber wie macht er das? In DC-Systemen, in denen die Stromquellen in der Regel aus Wechselrichtern mit großen ausgangsseitigen DC-Kondensatorbänken bestehen, führt ein Kurzschluss an der Sammelschiene zu einem Fehlerstrom mit einer hohen Anstiegsrate (dI/dt), der von standardmäßigen elektromechanischen Leistungsschaltern nicht wirksam beherrscht werden kann. Das innovative SACE Infinitus Schutzsystem löst dieses Problem. Hier ist die Ausschaltzeit so kurz, dass der Fehlerstrom unterbrochen wird, bevor er mehr als den doppelten Wert des Nennstroms erreichen kann. In der Praxis führt diese ultraschnelle Beherrschung des Fehlerstroms zu einer sofortigen Trennung des Stromkreises. So ist der SACE Infinitus in der Lage, den Stromkreis in bemerkenswerten 20–50 µs zu trennen. Die induktive Energie des Netzes wird vom parallel zum Halbleiter angeordneten Metalloxidvaristor-(MOV-)Pfad absorbiert, bis der Strom den Wert null erreicht.
In den meisten Anlagen liegt die Anstiegsrate des Fehlerstroms deutlich unter dem kritischen dI/dt-Wert, sodass der Halbleiter innerhalb seiner Safe Operating Area (SOA) arbeiten kann. Bei solchen dI/dt-Raten ist das Abschaltvermögen nahezu unbegrenzt. Für die seltenen Fälle, in denen diese Grenze überschritten wird, verfügt der SACE Infinitus über eine interne Induktivität, die die dI/dt-Rate auf Werte innerhalb der SOA begrenzt.

Eine Lösung, viele Vorteile

Der Einsatz des SACE Infinitus als hochgradig integriertes Schutzgerät bietet verschiedene Vorteile:

  • extrem kurze Ausschaltzeit – 100-mal schneller als herkömmliche Schutzsysteme – bei maximaler Betriebskontinuität
  • Isolierung der fehlerhaften Zone – zur Vermeidung einer kompletten Systemabschaltung
  • nahezu keine Energiefreisetzung bei Störlichtbögen, was die daraus resultierende Gefahr erheblich entschärft
  • maximale Energieeffizienz dank neuer Halbleitertechnologie mit den niedrigsten Durchlassverlusten in der Klasse der halbleiterbasierten Leistungsschalter
  • über 100-mal höhere Langlebigkeit – außerordentlich lange elektrische Lebensdauer zur Erfüllung der hohen Anforderungen zukünftiger Mikronetze (Microgrids)

Damit profitieren ABB-Kunden bei ihrem Umstieg auf eine nachhaltige Energieversorgung von einer gesteigerten Effizienz des Gesamtsystems bei geringeren Lebenszykluskosten und einer verbesserten Verfügbarkeit.

Neuer Standard

Der SACE Infinitus ist der weltweit erste gemäß IEC 60947-2 zertifizierte Leistungsschalter, der auf Halbleitertechnologie basiert. Eine weitergehende, technologiespezifische Normierung über den etablierten Standard hinaus wird zurzeit von den entsprechenden Gremien erarbeitet. Mit ihrer Erfahrung aus dem SACE Infinitus-Projekt treibt ABB die Entwicklung einer neuen spezifischen IEC-Norm (Projekt PT60947-10) für halbleiterbasierte Leistungsschaltertechnologie für DC- und AC-Anwendungen voran, die voraussichtlich im Jahr 2025 erscheinen wird.

Einsatz in der Schifffahrt

Die Vorreiterrolle bei der Anwendung der neuartigen DC-Netze hat das Segment der elektrischen Schiffsantriebssysteme übernommen, und ABB gehört zu den führenden Anbietern der erforderlichen Technik. Angesichts möglicher Energieeinsparungen von bis zu 20 % werden mittlerweile immer mehr Schiffe mit DC-Verteilsystemen ausgelegt.

Beispiel eines DC-Verteilnetzes auf einem Schiff mit einem halbleiterbasierten Leistungsschalter als Sammelschienen-Kuppelschalter.

Im System verbindet ein Kuppelschalter die steuer- und backbordseitigen Teilnetze, was eine optimale Nutzung der dieselelektrischen Stromerzeuger ermöglicht. Im Fehlerfall müssen die Teilnetze durch den Leistungsschalter geschützt werden, um einen Totalausfall zu verhindern und durch Trennung des fehlerhaften Teilnetzes die Betriebskontinuität sicherzustellen. In Situationen, in denen herkömmliche Technik aufgrund der hohen und schnell (im (Sub-)Millisekundenbereich) ansteigenden Kurzschlussströme an ihre Grenzen kommt, zeichnet sich der SACE Infinitus von ABB aus.

Mit seinen geringen Verlusten, seiner ultraschnellen, beinahe störlichtbogenfreien Stromunterbrechung eignet sich der SACE Infinitus ideal, um eine Gefährdung von Menschen und Anlagen zu verhindern. In Anwendungen, in denen der Fehlerstrom nicht das einzige Problem darstellt, bietet er einen schnellen Schutz, der verhindert, dass die DC-Zwischenkreisspannung auf einen Wert abfällt, bei dem das System nicht mehr arbeitet, weil sich die Kondensatoren im DC-Zwischenkreis entladen. Der Leistungsschalter wird zudem mit der für Anwendungen in der Schifffahrt wichtigen DNV-Zertifizierung erhältlich sein.

Mit Gleichstrom in die Zukunft

Die Anwendungsmöglichkeiten für den neuen halbleiterbasierten Leistungsschalter von ABB beschränken sich nicht nur auf den Schifffahrtssektor. Der revolutionäre Schalter, der zur Verbesserung der Nachhaltigkeit beiträgt, wird auch die Entwicklung von elektrischen Systemen an Land beeinflussen. Eine Pilotanlage zum dynamischen Laden von Elektrofahrzeugen und eine neue industrielle Anwendung zur Verbesserung der Energieeffizienz sind nur zwei Beispiele, die zurzeit unter Verwendung dieses einzigartigen halbleiterbasierten Leistungschalters realisiert werden.

Der SACE Infinitus ist somit eine Schlüsselkomponente, wenn es darum geht, die Herausforderungen beim Schutz von DC-Systemen zu meistern. Er wurde für Hochstrom-DC-Anwendungen mit Blick auf die Zukunft konzipiert und integriert Schaltfunktion, Isolierung und DC-Schutz in einem einzigen kompakten Gerät, das für einen Nennstrom von bis zu 2,5 kA und eine Nennspannung von 1.000 V DC ausgelegt ist.

Mit einer Leistungselektronik und neuartigen Softwarealgorithmen zur Steuerung, die eine blitzschnelle Unterbrechung extremer Fehlerströme ermöglichen, sind ABB-Kunden bestens gerüstet, um zukünftige Herausforderungen bei der Energieversorgung zu meistern. Mit seinem nutzerfreundlichen und sicheren Design, das die Systemintegration erleichtert, und dem ultraschnellen Schutz bietet der SACE Infinitus eine wirtschaftliche Lösung für die Anforderungen der sich neu entwickelnden Anwendungen.

Mit der Einführung einer ultraschnellen Leistungsschalterlösung für eine neue Generation von DC-Architekturen unterstreicht ABB auch ihr Engagement für eine nachhaltige Nutzung elektrischer Energie. Als weltweit erster IEC-Leistungsschalter auf Halbleiterbasis hat der SACE Infinitus das Potenzial, neue Perspektiven für den sicheren und ökonomischen Bau von Niederspannungs-DC-Netzen zu eröffnen. Damit bietet das innovative All-in-one-Gerät dem Kunden nahezu unbegrenzte (infinite) Möglichkeiten.