Relais für intelligente Messstellen und erneuerbare Energieanwendungen

Jede neue Generation von Smart Metern fällt kleiner und sparsamer aus. Sie regulieren das Aufladen von Hybrid-Elektrofahrzeugen so, dass diese nichtkritische Funktion während elektrischer Überkapazitäten stattfindet. Außerdem verfügen sie über neue Funktionen zur Steuerung kleinerer lokaler Generatoren wie zum Beispiel PV-Anlagen. Einige dieser neuen Geräte trennen die Wechselstromversorgung zum Smart Meter durch eine SPS oder durch drahtlose M2M-Kommunikation wie SMS, GSM oder Langwelle. Implementiert werden diese Funktionen in der Regel durch ein Relais.

Die Relaishersteller maximieren den Nutzen intelligenter Zähler, indem sie kostengünstige Relais, Schalter, Fotomikrosensoren und Steckverbinder anbieten, die immer genauer, sicherer und zuverlässiger werden und in den Messsystemen des Elektrizitätsverbrauchs selbst Strom sparen helfen.

Was sollten in diesem Bereich tätige Designingenieure beachten? Relais für intelligente Messstellen haben seit September 2015 dem neuen Standard IEC 62052-31:2015(E) zu entsprechen. Er spezifiziert die Produktsicherheitsanforderungen für elektrische Energiemess- und Energiesteuerungsgeräte und ersetzt IEC 62055-31. Dieser neue Standard betrifft frisch am Markt eingeführte Geräte zur Messung und Kontrolle elektrischer Ströme in 50- oder 60-Hz-Netzen mit Spannungen bis zu 600 V, in denen alle funktionalen Elemente einschließlich zusätzlicher Module integriert sind oder eine geschlossene Einheit bilden. Er betrifft auch Elektrizitätszähler mit integrierten Hauptschaltkontakten, die zur Stromversorgung und Lastensteuerung elektromechanisch betätigt werden und über zusätzliche Ein- und Ausgangsschaltkreise angesteuert werden können.

Fast alle Hersteller von Smart Metern verlangen für bistabile Relais heute eine Übereinstimmung mit Utilization Category 3 (UC3), früher reichte UC1 beziehungsweise UC2 aus. Die Anforderungen von UC3 schreiben vor, dass das Relais eine verbesserte Festigkeit gegenüber Kurzschluss- und Überströmen aufweisen sollte.

Vorausschauende Relaishersteller erweitern also ihr Portfolio an bistabilen Relais, um neue Generationen von Smart Metern bedienen zu können, bauen sie noch flacher und offerieren Lösungen für potenziell hohe Eingangsströme. Einiges an Entwicklungsarbeit wurde in die Verbesserung des Wirkungsgrads investiert. Schlüsselkriterien wie Schaltkapazität, Schaltlebensdauer, Spulentyp, Potenzialtrennung der Lastseite und die physische Bauweise können sich erheblich auf die Gesamteffizienz auswirken.

Die Wachstumsmärkte intelligente Stromzähler (Smart Meter) und Sonnenkollektoren stellen Entwicklungsingenieure vor ganz spezielle Herausforderungen. Omron Electronic Components

Das neue Hochstrom-DC-Relais Omron G7L-X kann im Notfall Ströme von 25 A bei 1000 VDC schnell unterbrechen. Damit eignet es sich sehr gut zum Abschalten von Solarpanelen und anderen erneuerbaren Energiequellen. Omron Electronic Components

Doppelkontakte können das Smart-Meter-Design vereinfachen, sie halten Überströmen besser stand und erhöhen dadurch die Sicherheit. Überdies reduzieren Doppelkontakte die Leistungsverluste und wirken einem Temperaturanstieg im Bauelement selbst entgegen. Eine veränderte Ausrichtung des Spulenlayouts kann bewirken, dass weniger Kontaktschweißen erforderlich ist und sich die Festigkeit gegen Überströme und die elektrische Lebensdauer erhöhen. Konstruktionsmerkmale wie diese sorgen nicht nur für einen echten Überstromschutz gemäß UC3, sondern auch für einen reduzierten Energieverbrauch seitens des Smart Meters.

Ein ganz klares Anliegen für den Entwickler ist der Stromverbrauch des Zählers. Bistabile Relais, die nur während des Schaltvorgangs Energie benötigen und in den meisten Anwendungen weniger Leistung aufnehmen als monostabile Relais, sind daher sehr beliebt. Zwar sind die Wattleistungen normalerweise gering. Rechnet man den kleinen Wert jedoch hoch auf Millionen von aktiven Smart Metern im Leitungsnetz, kommt einiges zusammen. So empfiehlt sich ein bistabiles Relais, das nur beim Schalten Energie benötigt und nicht elektromagnetisch gehalten werden muss.

Smart Meter AC Disconnect

Die zwei Hauptaufgaben von Relais in Smart Metern sind die Trennung vom Wechselstromnetz und eine Hilfsfunktion beim Lastenmanagement, wodurch der Endanwender oder Energieversorger nicht-zeitkritische Lasten je nach Tageszeit und Netzauslastung an- und ausschalten kann. AC-Trennrelais können sich sehr positiv auf den Stromverbrauch auswirken, da die hohen Lastströme eine ineffiziente Eigenwärme verursachen. Auch lassen sie sich über längere Zeiträume hinweg öffnen oder schließen, sodass hier immer ein bistabiles Design zum Einsatz kommen sollte. Das Omron G9T wurde speziell für diese Anwendungen entwickelt. Seine proprietäre Doppelkontakt-Architektur minimiert die Eigenerwärmung.

Relais helfen beim Lastenmanagement

Bei dezentralen Schaltaufgaben, wo es darum geht, je nach Bedarf Stromkreise von bis zu 120 A zu schalten, dient das Relais eher zum Schließen des Stromkreises als zu einer Unterbrechung. Ein bistabiles einpoliges elektromechanisches Relais mit einer maximalen Strombelastbarkeit von bis zu 120 A bei 250 V_AC entspräche den Anforderungen intelligenter Stromzähler für Bürogebäude, Kleinbetriebe sowie im privaten Wohnbereich.

Bei höheren Strömen bis zu 16 A kommt Omrons G2RL zum Einsatz. Trotz seiner flachen Bauhöhe von nur 15,7 mm ist dieses Relais VDE0700-geprüft und somit nach VDE0110 im Bereich Haushaltsgeräte und vergleichbare elektrische Betriebsmittel einsetzbar. Die Kriechstromfestigkeit beträgt CTI>250, die Durchschlagfestigkeit zwischen Spule und Kontakten 5000 V_AC. Erhältlich ist das Leiterplattenrelais mit Spulenisolationsklasse F nach UL 1446 in einem flussmittelgeschützten oder voll gekapselten Gehäuse. Das sensitive Relais hat eine Spulenleistung von nur 400 mW.

Die bistabilen Omron-Relais G5RL-U und G5RL-K können bis zu 16 A schalten und halten Einschaltströmen bis 150 A stand. Ein Energieversorger kann natürlich nicht steuern, welche Art von Last der Nutzer über die Messstelle schickt, muss aber imstande sein, die hohen Einschaltströme hoher induktiver Lasten oder Lichtstromkreise zu schalten.

Für geringere Lasten gibt es noch kompaktere Lösungen. Das 20,3 mm × 10,3 mm × 15,8 mm kleine einpolige Kompaktrelais G5Q-EU kann Lasten von 10 A bei der in Europa vorherrschenden Netzspannung im Bereich von 250 V schalten und verfügt über eine stromsparende Spule, mit der sich die Kosten und Größe der Ansteuerschaltung reduzieren lassen. Die Kriechstromfestigkeit erfüllt beziehungsweise übertrifft die CTI250. Für Lasten bis zu 5 A gibt es das 15,3 mm hohe und 7,2 mm breite Relais G5NB sowie das G6B mit nur 10 mm Höhe und Breite.

Netzschutz für solare PV-Anlagen

Da auch kleinere Stromerzeugungsanlagen aus Sonnenenergie, Windkraft und weitere stark zu einer nachhaltigen „grünen“ Wirtschaft beitragen, entwickeln Relaishersteller Hightech-Komponenten für die Anforderungen dieser Anwendungen. Um eine möglichst hohe Energieeffizienz zu erreichen, kommen hier monostabile Relais zum Einsatz, und zwar für Bypass-Schaltungen beziehungsweise zur Abschaltung vom Gleichstrom einzelner Solarpanels bis hin zu kompletten DC-geschalteten Anlagen.

Hochleistungs-DC-Relais für Anlagen zur Erzeugung von Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonnenkollektoren stehen speziellen Herausforderungen gegenüber. Bei Schaltlasten von 200 A bei 400 V_DC kann die Lichtbogenbildung während des Schaltvorgangs ein großes Problem werden und zu Schäden an den Kontakten und dadurch zu einer kürzeren Lebensdauer des Relais führen. Komponenten, die für diese Art von Anwendungen ausgelegt sind, wie Omrons G9E-Serie, weisen zum Beispiel eine spezielle gasgefüllte Konstruktion auf und besitzen Magnete, um die Funkenbildung zu begrenzen, sodass der normalerweise nötige Lichtbogenausblasraum entfallen kann. Deshalb sind diese Relais mit Gesamtabmessungen von 36 mm × 72 mm × 67 mm kompakter als andere Lösungen mit ähnlichen Leistungswerten.

Netzgekoppelte PV-Wechselrichter nutzen paarweise angeordnete monostabile Relais zum Netzschutz, deren Betrieb von grundlegender Bedeutung für die Gewährleistung der System- und Anwendersicherheit ist. Die größte Herausforderung beim Design dieser Relais besteht darin, dass ihre Leistungsaufnahme äußerst gering sein muss, sie unter Hot-Start-Bedingungen gegebenenfalls jedoch sehr schnell schalten müssen. Omron hat seine Produktreihen G7L-PV speziell diesen Anforderungen angepasst und deren Kontaktzeiten auf typisch 20 ms optimiert, die Leistungsaufnahme der Spule verringert und die Produktlebensdauer erhöht. Beide Bauelemente entsprechen den relevanten Standards IEC62109-1, 2 (Juli 2011) und VDE0126-1.

Der Omron G7L-PV weist einen großen Kontaktabstand von mehr als 3 mm auf, um Standard-Betriebsspannungen und Überspannungen standzuhalten. Die Schaltleistung wurde auf 280 V_AC bei einer induktiven Last von 30 A, AC7a erhöht. Weitere Anpassungen betreffen die Neugestaltung der Kontaktpille des feststehenden sowie des beweglichen Kontaktteils sowie härteres Kontaktmaterial, optimierte Rückstellfedern, die Änderung der Lackdrahtkategorie von B (130 °C) zur wärmetoleranteren Klasse F (155 °C) sowie Verbesserungen beim Spulenmaterial.

Zur Abschaltung von Solarpaneelen

Ein immer wichtigeres Thema ist das Abschalten von Dachsolarsystemen auf Bürogebäuden und Eigenheimen und auch anderen erneuerbaren Energiequellen im Brandfall oder anderen Notsituationen. Hierfür empfiehlt sich ein Hochstrom-DC-Relais, das im Notfall Ströme von 25 A bei 1000 V_DC schnell unterbrechen kann. Das G7L-X mit einer Nennlast von 1000 V_DC bei 25 A und einer Abschaltzeit von nur 30 ms lässt sich in der Nähe eines Solarmoduls oder anderer erneuerbarer Energiequellen installieren und im Notfall schnell spannungsfrei schalten, um Wartungsarbeiten vornehmen zu können, oder auf Aufforderung des Stromversorgungsunternehmens hin. Dieses Relais entspricht den UK- und IEC-Solar-Inverter-Standards sowie relevanten elektrotechnischen Standards nach UL und VDE. Zum Design gehört ein Hilfsmagnetschaltkreis für ein sehr schnelles Umschalten. Ausgelegt wurden die Relaiskontakte speziell zum Schalten sehr hoher DC-Lasten, wie sie für diese Applikation typisch sind. Für eine hohe Sicherheit weisen sie zudem einen Kontaktabstand von 6 mm auf.

Batteriemanagement

Angesichts stetig steigender Strompreise suchen Besitzer von Solaranlagen nach Möglichkeiten, ihre überschüssig generierte Energie zu speichern. Relais, die eigens für das Batteriemanagement in Elektrofahrzeugen entwickelt wurden, kommen hierfür ebenfalls in Betracht. Um PV-generierte Energie zu speichern müssen hohe Ströme unterbrochen werden, ohne dabei die Kontakte zu beeinträchtigen. Omron geht dieses Problem mit einem proprietären hochwirksamen Magnetkreis an, der die Lichtbogenlöschung unterstützt. Das G9EJ-1-E mit einer Schaltleistung von 15 A bei 400 V_DC hat eine Spulenleistungsaufnahme von nur 1,2 W und nutzt überdies ein Omron-proprietäres Kontaktsystem für besseren Widerstand gegenüber Einschaltströmen und damit einhergehend eine höhere Lebensdauer des Relais.

(ah)