Diese Arbeit sucht nach Möglichkeiten, in Bürogebäuden Gleichstromnetze aufzubauen und anzuwenden. Als Objekt für die Untersuchung dient ein Hochhaus mit Hotel- und Büroflächen, das in der Stadt Berlin gebaut werden soll. Im Rahmen dieser Arbeit wird am Beispiel dieses Gebäudes untersucht, ob Gleichstrom im Gebäude angewendet werden kann und welche Vorteile Gleichstromnetze gegenüber dem herkömmlichen Wechselstromnetz aufweisen.
Es wird erforscht, ob elektrische Anlagen ohne verlustbehaftete Vorschaltgeräte oder Netzteile direkt ans Gleichstromnetz angeschlossen werden können. Dabei werden unter anderem Bürogeräte, Beleuchtung, Telekommunikationsanlagen, Ladestationen, sowie Gleichstrommotoren als Verbraucher in Betracht gezogen. Für deren Stromversorgung werden verschiedene Gleichstromquellen behandelt und abschließend die geeigneteste für die Gebäudeelektroversorgung ausgewählt. Es werden mögliche DC-Stecker Konzepte zur Vermeidung oder Löschung von dem durch Trennen von Steckkontakten auftretenden Lichtbogen vorgestellt.
Eine mögliche Änderung an USV-Anlagen wird als Folge der Gleichstromanwendung im Gebäude überprüft. Bei der Planung der elektrischen Versorgung des Beispielsgebäudes wird zur Ermittlung des gesamten Leistungsbedarfs eine Leistungsbilanz erstellt. Ferner soll für die elektrische Energieversorgung des Bürogebäudes eine Auswertung verschiedener Gleichstromquellen, vor allem regenerative Energiequellen durchgeführt werden.
Inhaltsverzeichnis
Erklärung
Kurzfassung
Abstract
Danksagung
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Symbolverzeichnis
1 Einleitung
2 Leistungselektronik für Gleichstromtechnik
2.1 Gleichrichter
2.1.1 Brückengleichrichter
2.1.2 Glättung
2.2 Gleichstromsteller
2.2.1 Tiefsetzsteller
2.2.2 Hochsetzsteller
3 Vor- und Nachteile Gleichstrom- gegenüber wechselstromversorgung
3.1 Historie
3.2 Betrachtung des Schaltlichtbogens
3.2.1 Erzeugung des Lichtbogens
3.2.2 Lichtbogenlöschung durch Gleichstromschaltgeräte
3.2.3 Lichtbogen beim Trennen der Steckkontakte
3.3 Elektrische Sicherheit für Niederspannungsgleichstromsysteme
3.3.1 Normative Anforderungen
3.3.2 Schutzmaßnahmen
4 Mögliche Gleichstromquellen für die Gebäudeversorgung
4.1 Allgemein
4.2 Photovoltaik-Anlage
4.2.1 Photovoltaik-Generator
4.2.2 Flächenbedarf
4.3 Gleichstromgeneratoren
4.3.1 Erzeugung der Gleichspannung
5 Speichermöglichkeiten
5.1 Batterie
5.2 Batterie USV
6 Mögliche Aufbauten von Gleichstromnetzen
6.1 Forschungstand Gleichstromnetze
Inhaltsverzeichnis VI
6.2 Gleichstromnetz mit einem optimierten zentralen Netzteil
6.3 Gleichstromnetz mit mehreren Gleichspannungswandlern
6.4 Weiterer Aufbau Gleichstromnetz
7 Gleichstromanwendung
7.1 Beleuchtung
7.1.1 Allgemeine Beleuchtung
7.1.2 Sicherheitsbeleuchtung
7.2 Bürogeräte
7.2.1 Desktop-Computer
7.2.2 Monitor
7.2.3 Notebook
7.2.4 Drucker
7.2.5 Telefonanlage
7.3 Informationstechnik und Kommunikation
7.4 Motoren
7.4.1 Jalousiemotoren
7.4.2 Lüftungsanlagemotoren
7.5 Weitere Anwendungen
7.5.1 Reinigungsroboter
7.5.2 Ladestation für Elektroauto
8 Planung der Stromversorgung eines Beispielsbürogebäudes
8.1 Versorgung mit regenerativen Energiequellen
8.1.1 Merkmale des Standortes
8.1.2 Ermittlung der Globalstrahlung auf horizontale Fläche
8.1.3 Ermittlung der Globalstrahlung auf geneigte Fläche
8.1.4 Realisierung der Peakleistung und Ermittlung des Energieertrages
8.1.5 Ermittlung des täglichen Energiebedarfs
8.1.6 Batteriekapazität
8.1.7 Jahresenergieertrag
8.1.8 Kosten pro Kilowattstunde
8.1.9 Energieertragsprognose
9 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit sucht nach Möglichkeiten in Bürogebäuden Gleichstromnetze aufzubauen und anzuwenden. Als Objekt für die Untersuchung dient ein Hochhaus mit Hotelund Büroflächen, das in der Stadt Berlin gebaut werden soll. Im Rahmen dieser Arbeit wird am Beispiel dieses Gebäudes untersucht, ob Gleichstrom im Gebäude angewendet werden kann und welche Vorteile Gleichstromnetze gegenüber dem herkömmlichen Wechselstromnetz aufweisen. Es wird erforscht, ob elektrische Anlagen ohne verlustbehaftete Vorschaltgeräte oder Netzteile direkt ans Gleichstromnetz angeschlossen werden können. Dabei werden unter anderem Bürogeräte, Beleuchtung, Telekommunikationsanlagen, Ladestationen, sowie Gleichstrommotoren als Verbraucher in Betracht gezogen. Für deren Stromversorgung werden verschiedene Gleichstromquellen behandelt und abschließend die geeigneteste für die Gebäudeelektroversorgung ausgewählt. Es werden mögliche DC-Stecker Konzepte zur Vermeidung oder Löschung von dem durch Trennen von Steckkontakten auftretenden Lichtbogen vorgestellt. Eine mögliche Änderung an USV-Anlagen wird als Folge der Gleichstromanwendung im Gebäude überprüft. Bei der Planung der elektrischen Versorgung des Beispielsgebäudes wird zur Ermittlung des gesamten Leistungsbedarfs eine Leistungsbilanz erstellt. Ferner soll für die elektrische Energieversorgung des Bürogebäudes eine Auswertung verschiedener Gleichstromquellen, vor allem regenerative Energiequellen durchgeführt werden.
Abstract
This Work focusses on the possibilities to establish and apply DC power networks in office buildings. The object used in the study is a high-rise building with a hotel and office space, which is to be built in the city of Berlin. Within the scope of this work, we use the example of a building to examine whether direct current can be applied in the building and what advantages direct current grids have over the conventional alternating current grid. Research is being carried out to determine whether electrical systems can be connected directly to the DC grid without loss of ballasts or power supplies. Consumers include office equipment, lighting, telecommunications systems, charging stations, DC motors and cleaning robots. For their power supply, different DC power sources are treated and finally the most suitable one for building the electrical supply is selected. Possible DC plug concepts for the avoidance or extinction of the arc caused by disconnecting plug contacts are presented. A possible change in UPS systems is checked as a result of the direct current application in the building. When planning the electrical supply of the building in question, a power balance is drawn up to determine the total power requirement. In addition, an evaluation of various direct current sources, in particular regenerative energy sources, for the electrical energy supply of the office building is to be carried out.
Danksagung
Zunächst möchte ich Professor Andreas Wagner danken, der mich während der gesamten Arbeit mit konstruktiver Kritik und hilfreichen Beiträgen unterstützt hat. Des Weiteren möchte ich Herr Joerg Balow und Herr Maurice Liebold von der Firma Arup Deutschland GmbH für das Vergeben dieses wissenschaftlichen Themas und für die Betreuung während der gesamten Arbeit danken. Dank gilt auch allen anderen Korrekturlesern. Abschließend möchte ich noch meinen Eltern ganz herzlich danken, die mir durch ihre finanzielle und moralische Unterstützung dieses Studium ermöglicht haben.
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
1 Einleitung
Am 19. Mai 2010 wurde die Gebäuderichtlinie „Richtlinie 2010/31/EU der Europäischen Union vom europäischen Parlament und dem Rat der Europäischen Union verabschiedet. Diese Richtlinie besagt, dass Gebäude ab 01.01.2021 nur annähernd energieneutral gebaut werden dürfen. Anders gesagt, sollen ab diesem Zeitpunkt lediglich Niedrig-Energiegebäude zugelassen werden. Die Schonung fossiler Energieträger und die Reduzierung von Treibhausgas-Emissionen erfordern unter anderem eine Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden, die in Europa derzeit für etwa 40% des Energieverbrauchs verantwortlich sind [1].
Als Folge der Expansion des Gebäudesektors wird sich der Gebäudeenergieverbrauch weiter erhöhen[2]. Daher sind die Senkung des Energieverbrauchs und die Verwendung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen wesentliche Maßnahmen, die zur Verringerung der Nutzung fossiler Energieträger und der damit verbundenen Beeinträchtigungen der Umwelt benötigt werden.
Der Energieverbrauch im Gebäude sowie die möglichen Maßnahmen zu seiner Reduzierung sind somit ein wichtiges Thema und Gegenstand zahlreicher Forschungsprojekte. Dementsprechend werden von mehreren europäischen Forschungsministerien Energieeffizienzprojekte gefördert. Als Projekt gibt es z.B. das DC Components and Grid (DCC-G) zur Entwicklung eines optimierten 380-Volt- Gleichstromnetzes für kommerzielle Gebäude [3]. Typischerweise werden solche Projekte in Kooperation von Projektpartnern aus der Industrie und der Forschung durchgeführt.
Die hier erstellte „Untersuchung zum Aufbau und zur Anwendung von Gleichstromnetzen in Bürogebäuden“ soll eine Alternative für Bürogebäude, welche heute noch überwiegend mit Wechselstrom versorgt werden, aufzeigen. Zum einen soll untersucht werden, ob Bürogeräte, Telekommunikationsanlagen und weitere elektrische Anlagen ohne Netzteile direkt ans Gleichstromnetz angeschlossen werden können. Zum anderen sollen geeignete Strukturen für die Gleichstromversorgung im Gebäude gefunden werden, welche kostengünstig sind und gleichzeitig geringe Umwandlungsverluste aufweisen. Außerdem soll für die elektrische Energieversorgung des Bürogebäudes eine Auswertung verschiedene Gleichstromquellen durchgeführt werden. Insbesondere sollen regenerative Energiequellen unter Berücksichtigung des angenommenen Gebäudestandorts Berlin auf ihre Eignung untersucht werden.
Die Arbeit ist wie folgt gegliedert. Nach der Einführung in das Thema sowie der Erläuterung der Aufgabenstellung und der Struktur dieser Arbeit werden im Kapitel 2 die leistungselektronischen Grundlagen für die Gleichstromtechnik dargelegt. Kapitel 3 stellt die Vor- und Nachteile von Gleichstromversorgung und Wechselstromversorgung gegenüber.
Dabei wird zunächst kurz auf die Historie der Entwicklung der elektrischen Versorgungsnetze eingegangen. Des weiteren wird der Schaltlichtbogen im Gleichstromnetz erläutert. Kapitel 4 beschreibt und bewertet mögliche Gleichstromquellen für die Gebäudestromversorgung und legt als Vorzugsvariante die Photovoltaikanlage fest. Kapitel 5 gibt einen Überblick über die Speichermöglichkeiten. Im Kapitel 6 liegt der Fokus auf den möglichen Strukturen von Gleichstromnetzen. Dabei wird zunächst der Forschungsstand Gleichstromnetze dargestellt und anschließend geeignete Strukturen für das Beispielgebäude abgeleitet. Kapitel 7 befasst sich mit der Gleichstromanwendung. Es wird untersucht, welche elektrischen Verbraucher unmittelbar an Gleichspannungsquellen angeschlossen werden können. Im Kapitel 8 wird eine Planung von einer Photovoltaikanlage zur Stromversorgung eines Beispielsbürogebäudes durchgeführt. Das letzte Kapitel liefert die Zusammenfassung der Arbeit.
2 Leistungselektronik für Gleichstromtechnik
2.1 Gleichrichter
Gleichrichter dienen in der Elektrotechnik und Elektronik zur Umwandlung der Wechselspannung in Gleichstrom. Sie gehören wie Wechselrichter und Umrichter zu den Stromrichtern.
2.1.1 Brückengleichrichter
Er besteht aus zwei parallelgeschalteten Diodenpaaren. Durch die Einordnung der Halbleiterdioden in der Schaltung fließt der Wechselstrom in zwei verschiedenen Richtungen durch die Schaltung. Durch die Diodenschaltung wird der Stromfluß der zweiten Halbwelle der Eingangsspannung hochgeklappt.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Ein- und Ausgangspannung bei Brückengleichrichter
Die Zweipuls-Brückenschaltung wird heute in der Elektronik am häufigsten verwendet. Da immer zwei Dioden leitend sind, fällt die doppelte Diodenspannung am Gleichrichter ab.
2.1.2 Glättung
Die meisten Verbraucher wie Computer benötigen sehr konstante Gleichspannung, deswegen müssen die Wellentäler und Wellenberge ausgeglichen werden. In der Regel erfolgt die Glättung durch einen parallel zum Verbraucher geschalteten Kondensator mit einer ausreichenden Kapazität. Dieser Kondensator verhindert das Pulsieren der Ausgangsspannung des Gleichrichters. Alternativ kann diese Glättung auch durch Induktivitäten in Reihe zum Verbraucher erfolgen.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Brückengleichrichter mit Kondensator zur Glättung der pulsierenden Gleichstrom- Ausgangsspannung
Die Brummspannung1 ist umso kleiner, je
- größer die Kapazität vom Ladekondensator CL ist.
- größer der Lastwiderstand RL bzw. kleiner der Laststrom IL durch den Lastwiderstand ist.
- größer die Frequenz der Brummspannung UBrumm (Abbildung 2) ist.
2.2 Gleichstromsteller
Auch DC/DC-Wandler genannt, Gleichstromsteller dienen zur Umrichtung von Gleichspannung in eine höhere oder niedrigere Gleichspannung. Sie verwenden Transistoren oder GTOs (abschaltbare Thyristoren) als Schaltelemente. Im Gegensatz zu Thyristoren können diese Schalter zu beliebigen Zeiten ein- und wieder ausgeschaltet werden [4]. Man unterscheidet zwischen fremdgeführten und selbstgeführten Stromrichter. Während fremdgeführte Stromrichter, Schaltungen sind, bei denen die Kommutierungsvorgänge2 in ihrem zeitlichen Ablauf und in ihrer Reihenfolge von äußeren Spannungen (Netzspannung) beeinflusst werden, führen selbstgeführte Stromrichter die Kommutieren ohne Verwendung äußere Spannungen durch.
Bei Thyristoren sorgen die Netzspannungen dafür, dass der Strom im kommutierenden Ventil zu Null wird und das Ventil beim Nulldurchgang des Stromes löscht [4]. Deswegen können sie bei Gleichstromstellern im allgemeinen nicht eingesetzt werden. Gleichstromsteller sind also selbstgeführte Stromrichter, da sie keine Netzwechselspannung zur Kommutierung benötigen.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Allgemeine Anordnung bei dem Gleichstromsteller
2.2.1 Tiefsetzsteller
Auch unter dem Begriff Abwärtswandler oder buckconverter, ist der Tiefsetzsteller ein Gleichstromsteller, der die Gleichspannung in eine andere Gleichspannung umwandelt. Dabei ist die Ausgangsspannung immer kleiner als die Eingangsspannung. Die Abbildung 4 zeigt das Schaltprinzip eines Tiefsetzstellers. Zu dem Aufbau, gibt es eine Konstante Gleichspannungsquelle, einen Schalter, der mit einem Tastverhältnis D schaltet. Der Schalter kann ein MOSFET, GTO oder ein Transistor sein.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Beim Zuschalten des Schalters fließt der Strom über die Induktivität, dabei wird die Spule geladen. Die Diode liegt in Sperrrichtung. In ausgeschaltetem Zustand entlädt sich die Spule und die Diode schaltet.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Schaltung eines Tiefsetzstellers
2.2.2 Hochsetzsteller
Der Hochsetzsteller im Gegensatz zum Tiefsetzsteller, wandelt die Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung um.
Die Induktivität L ist in Reihe mit einer Freilaufdiode D geschaltet, hinter der ein Ladekondensator ܥ2, der die Ausgangsspannung aufsummiert. An der Spule fällt nun die Eingangsspannung 1 ab.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Beim Öffnen des Schalters wird der Stromfluss durch die Spule aufrechterhalten. Die Spannung an dem sekundären Ende der Spule steigt sehr schnell an, bis die am Kondensator ܥ2 anliegende Spannung 2 übersteigt und die Diode schaltet. Der Strom fließt im ersten Moment unverändert weiter und lädt den Kondensator weiter auf. Das Magnetfeld wird dabei abgebaut und gibt seine Energie ab, indem es den Strom über die Diode in den Ladekondensator und zur Last treibt.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Schaltung eines Hochsetzstellers
3 Vor- und Nachteile Gleichstrom- gegenüber wechselstromversorgung
Man unterscheidet im Prinzip Gleichstrom und Wechselstrom.
Der Gleichstrom ist ein elektrischer Strom, der immer in gleicher Richtung und mit konstanter Amplitude fließt. Die Ladungsträger bewegen sich dabei in eine Richtung. Beim Wechselstrom dagegen läuft der elektrische Strom periodisch und ändert dabei seine Richtung und seine Amplitude. In Deutschland wird eine Frequenz von 50 Herz verwendet, dass heißt, dass der Strom seine Richtung 50-mal in der Sekunde wechselt. Wo der Hauptunterschied zwischen beiden Stromarten liegt, wird hier anhand des Streits zwischen Edison und Westinghouse genau erläutert.
3.1 Historie
Wechselstrom ist heute weltweit die meist angewandte Form des Einsatzes von elektrischer Energie. Als wichtigste Wechselspannung im Haushalt gilt dabei 230 Volt mit einer Frequenz von 50 Hertz in Europa. Diese Wechselspannung liegt auch unseren Stromnetzen zugrunde. Um genau zu verstehen, warum überhaupt Wechselstrom anstelle von Gleichstrom am meisten angewendet wird, muss man zwei Jahrhunderte zurückblicken. Alles begann im Jahr 1880 in der USA mit dem sogenannten „Stromkrieg“. Damals galt Thomas Alva Edison aus New Jersey bereits als der größte Erfinder seiner Zeit[5]. Nach dem er festgestellt hatte, dass das elektrische Licht die Zukunft sein wird, und dass es eine bessere Alternative zu den gefährlichen Gaslampen darstellte, war er sofort mit der Frage konfrontiert, wie der erzeugte Strom von Kraftwerken in die Häuser transportiert werden kann?
Um diese Frage zu beantworten, setzte Edison auf eine Methode, bei der der Strom nur in eine Richtung durch einen Kupferdraht-Leiter fließt (Gleichstrom). Edison ließ dann seine Gleichstromkraftwerke, die nur eine 110 V Gleichspannung zur Verfügung stellten, mitten in der Stadt bauen, sodass die Endverbraucher nicht mehr als eine Meile davon entfernt waren [6].
Wechselstrom im Vergleich zum Gleichstrom ließ sich unter elektrischer Hochspannung mit wenigen Verlusten über hunderten von Kilometern transportieren, und am Zielort wurde die Spannung dann mit Transformatoren wieder umgewandelt. Edison hat nun ein Problem und sieht in George Westinghouse, dem Erfinder vom Wechselstrom eine Gefahr und ein Konkurrent.
Eine entscheidende Rolle Spielte dabei Nikola Tesla, ein Physiker und Elektroingenieur mit der Entwicklung eines Wechselstrommotors, der ohne verschleißende Bürsten läuft. Westinghouse fand diese Entwicklung genial und kaufte als Geschäftsmann Teslas Patente. Beide Männer begannen zusammen zu arbeiten und erhielten 1893 den Auftrag, die Beleuchtung der großen Weltausstellung in Chicago mit Wechselstrom zu versorgen. Für dieses Beleuchtungsprojekt kam eine große Anzahl der durch Westinghouse neu entwickelten Glühlampe, der sogenannten Westinghouse-Stopper-Lamp, die Edisons Patente umging, zum Einsatz [7].Das Bauen eines Wasserkraftwerks des Westinghouse-Unternehmens bei den Niagarafällen und der Anschluss Buffalos an die elektrische Stromversorgung 1896 markiert das Ende des Stromkriegs, da der Strommarkt sich für die technischen Vorteile des Wechselspannungssystems entschieden hatte. Damit war Edison im Streit besiegt [8]. Einige Städte sind bis in der 20. Jahrhundert weiter mit DC-Netz versorgt worden. Bis zum Ende der 40er hatte die Stadtmitte von Helsinki ihr DC-Netz. In Stockholm wurde das DC-Netz in den 70er außerbetrieb gestellt. [9] Das Energieverteilungsunternehmen Consolidated Edison begann im Januar 1998 innerhalb von New York das Gleichstromnetz, das zur Versorgung seiner noch daran angeschlossenen 4600 Kunden installiert war, abzubauen. Bis 2012 wurden alle Kunden, die an dem früheren DC-Netz noch angeschlossen waren, durch einen AC/DC Gleichrichter mit elektrischem Strom versorgt [10].
1.9 Jahre nach dem Sieg im „Stromkrieg“ des Wechselstromes (AC) gegen den Gleichstrom
(DC) feiert heute der Gleichstrom seine Rückkehr. Da die Einbindung regenerativer Energiequellen (Wind, Solar, Biomasse, Brennstoffzelle) mit neuen Einspeisequellen und - orten die Netzstruktur ändert, können viele innovative Anwendungen etwa bei Gebäudeinstallationen im Niederspannungsbereich jetzt mit Gleichstrom versorgt werden. Die Vorteile: Verluste bei der Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung sinken, die Energieeffizienz steigt, AC/DC-Wandler entfallen, große Netzteile werden überflüssig, die Investitionskosten sinken.
Die untere Tabelle stellt die Unterschiede Gleichstromversorgung gegenüber Wechselstromversorgung dar.
Tabelle 1: Vergleich Gleichstromnetz und Wechselstromnetz
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
3.2 Betrachtung des Schaltlichtbogens
Beim Trennen zweier stromdurchflossener elektrischer Kontakte entsteht ein Schaltlichtbogen. Die Länge des Lichtbogens hängt davon ab, wie hoch die Spannung und der Strom sind.
3.2.1 Erzeugung des Lichtbogens
Um einen Lichtbogen zu erzeugen, ist eine gewisse Spannungsdifferenz an den Elektroden notwendig, die je nach der Art des Stoffes, aus welchen die Elektroden bestehen, größer oder kleiner sein muss.
Elektroden müssen zunächst in Berührung gebracht werden, wobei die sich berührenden Teile infolge erhöhten Leitungswiderstandes zum Glühen erwärmt werden. Ein Lichtbogen entsteht letztendlich bei der Trennung der Elektroden. Die Abbildung 6 zeigt in drei Schritten, wie sich der Schaltlichtbogen bei der Trennung der Kontakte bildet. Vor der Entstehung des Lichtbogens, wenn die Kontakte noch geschlossen sind, sieht die Stromverteilung (rote Stromfäden) noch homogen aus. Bei Kontakttrennung konzentriert sich der Stromdichte an einem letzten Kontaktpunkt. Bei weiterer Öffnung der Kontakte bildet sich dann an dem Punkt der Lichtbogen aus.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Bildung des Schaltlichtbogens bei Kontakttrennung
3.2.2 Lichtbogenlöschung durch Gleichstromschaltgeräte
Die Lichtbogenlöschung wird im Gleichstromnetz durch einen Gleichstromschalter geführt. Das Gleichstromschaltgerät muss einen Stromnulldurchgang durch die Impedanz des Schaltlichtbogens selbst hervorrufen.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Ohmsch-induktiver DC-Kreis
Folgende Maschengleichung gilt für einen ohmsch-induktiven Gleichstromkreis (Abbildung 7)
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Für einen erfolgreichen Ausschaltvorgang gilt folgende Voraussetzung:
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Nach dem Zünden des Lichtbogens zum Zeitpunkt 0 steht die Lichtbogenspannung über den Schaltkontakten an. Die Lichtbogenspannung steigt mit der Öffnungsstrecke zwischen den Elektroden. Der Strom wird durch den Schaltlichtbogen begrenzt und zu Null gezwungen. Der Lichtbogen erlischt und über den Kontakten liegt die Netzspannung (Abbildung 8).
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8: Prinzipieller Strom-und Spannungsverlauf eines DC Ausschaltlichtbogens
Um Wiederzündungen aufgrund der transienten wiederkehrenden Spannung zu vermeiden, muss die Schaltstrecke spannungsfest sein.
3.2.3 Lichtbogen beim Trennen der Steckkontakte
Bei Wechselstrom verschwindet der Lichtbogen, der beim Trennen zwei unter Strom stehende Kontakte erzeugt wird, sofort wieder beim Stromnulldurchgang, weil der Strom 50-mal in der Sekunde auf null zurückgeht.
Bei Gleichstrom ist das nicht der Fall, da Gleichstrom keinen Stromnulldurchgang hat. Das erschwert die Lichtbogenlöschung.
Mit dem Aufbau vom Gleichstromnetz im Gebäude und somit der Wegfall von Gerätenetzteilen ist der Lichtbogen nicht ausgeschlossen. Hohe Ströme treten immer dann auf, wenn elektrische Geräte vom Netz getrennt werden. Da dies zur Beschädigung oder sogar Zerstörung von Bauelementen führen kann oder auch die Netzsicherung auslösen kann, werden Schutzmaßnahmen oder Verriegelungsbedingungen notwendig. Folgende DC-Stecker Konzepte könnten als Lösungen angesehen werden:
- Stromloser Steckvorgang
Beim stromlosen Steckvorgang geht es darum, dass die Endverbraucher den Laststrom erst nach dem Stecken der Lastkontakte hochfahren und sie vor dem trennen der Kontakte erst ausgeschalten werden. Vor dem trennen sollte kein Laststrom mehr durch die Schaltkontakte fließen.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 9: Stromloser Steckvorgang
- Stecker mit einem Halbleiterschalter
Hier wird ein Halbleiterschalter parallel zu den Lastkontakten geschaltet. Beim Trennen der Lastkontakte entsteht eine Lichtbogenspannung, die den Halbleiterschalter steuert. Dieser letzte übernimmt den Laststrom und der Lichtbogen sollte sofort wieder erlöschen. Der Halbleiter trennt den Laststrom noch vor dem Öffnen der Lastkontakte.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10: Stecker mit Halbleiterschalter
Dieses Stecksystem muss noch weiterentwickelt werden. Die Ausrüstung aller Gleichstromsteckkontakte mit solchen Halbleiterschaltern (aus Dioden oder Transistoren) sollte zukünftig jedoch nicht teurer sein als die konventionellen AC-Stecksysteme. Ferner soll dieses System dem Nutzer die gleiche Handhabe beim Ein- und Ausstecken von elektronischen Geräten ermöglichen, wie bei konventioneller AC-Netztechnik.
3.3 Elektrische Sicherheit für Niederspannungsgleichstromsysteme
3.3.1 Normative Anforderungen
Die Erzeugung und Übertragung elektrischer Energie birgt ein Gefährdungspotenzial für Geräte und Personen und benötigt aus diesem Grund besondere normgerechte Maßnahmen zum Schutz gegen Schäden.
Maßgebend für die elektrische Sicherheit in der DC-Installation ist hier die Normenreihe DIN VDE 0100, wobei jedoch die spezifischen Anforderungen von DC-Systemen zu beachten sind. Aus normativer Sicht sind nach DIN VDE 0100-100 (VDE 0100-100):2009-06 zunächst auch für Niederspannungssgleichstromsysteme die aus dem Wechselstrombereich bekannten Netzformen TN-, TT- und IT-Systeme anwendbar und damit auch die in DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 beschriebenen Schutzmaßnahmen. Dabei ist zu beachten, dass die zulässige Berührungsspannung DC ≤ 120 V (AC ≤ 50 V) beträgt. Die erforderlichen Abschaltzeiten haben andere Werte als die für Wechselstrombereich.
Tabelle 2: Maximale Abschaltzeiten nach DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
3.3.2 Schutzmaßnahmen
Die Schutzmaßnahmen für Niederspannungsgleichstromsysteme wurden in den VDEVorschriften nicht detailliert behandelt [11]. Es wurde vorwiegend Wert auf die Netzformen, sowie auf den Schutz vor Fehlerstrom durch RCDs gelegt.
Tabelle 3: Schutz gegen elektrischen Schlag nach DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Es werden folgende RCDs unterschieden:
a. Netzspannungsunabhängige Fehlerstrom-Schutzschalter Typ A zur Auslösung bei pulsierenden Gleichfehlerströmen [11]:
- Ohne eingebaute Überstrom-Schutzeinrichtungen (RCCBs) nach VDE 0664- 10.
- Mit eingebauten Überstrom-Schutzeinrichtungen (RCBOs) nach VDE 0664-20
b. Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen Typ B zur Auslösung bei pulsierenden und glatten Gleichfehlerströmen:
- Ohne eingebaute Überstrom-Schutzeinrichtungen (RCCBs); diese arbeiten bei pulsierenden Gleichfehlerströmen netzspannungsunabhängig, bei glatten Gleichfehlerströmen netzspannungsabhängig (DIN VDE 0664-100:2002-05). [12]
- mit eingebauten Überstrom-Schutzeinrichtungen (RCBOs); diese arbeiten bei pulsierenden Gleichfehlerströmen netzspannungsunabhängig, bei glatten Gleichfehlerströmen netzspannungsabhängig (DIN VDE 0664-100:2002-05). [12]
Die Abbildungen 11 bis 15 Stellen die verschiedenen Netzsysteme für DC-Netze dar. Es wird Netzsysteme nach Art der Erdverbindungen für Gleichstromsysteme beschrieben.
a. IT-System
Hierbei werden alle elektrischen Betriebsmitteln miteinander durch den Schutzleiter, der geerdet ist, verbunden.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11: IT-DC-System
b. TT-System
Hier darf neben der Erdung des Außerleiters L-, zusätzlich der PE in der Anlagen geerdet werden.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12: TT-DC-System
c. TN-S-System
Der geerdete Außenleiter L- ist in der gesamten Anlage vom Schutzleiter getrennt.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 13: TN-S-DC-System
d. TN-C-System
Die geerdeten Außenleiter L- und Schutzleiter PE sind in der gesamten Anlage kombiniert, in einem einzigen Leiter PEL.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 14: TN-C-DC-System
e. TN-C-S-System
Der Außenleiter L- und der Schutzleiter PE sind in einem Teil der Anlage kombiniert, in einem einzigen Leiter PEL. Das TN-C-S-System ist eine Kombination aus dem TN-C- und TN-S-System.
Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten
Abbildung 15: TN-C-S-DC-System
[...]
1 Restwelligkeit der geglätteten Wechselspannung
2 Umschaltungen von einem leitenden Schaltungszweig auf einen anderen.
- Citar trabajo
- Master Francis Alban Noumbissie Leutcha (Autor), 2018, Untersuchung zum Aufbau und zur Anwendung von Gleichstromnetzen in Bürogebäuden, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/419835
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