Der Wartungstechniker öffnet den Trennschalter. 600 Volt, 32 Ampere. Routine-Lockout-Verfahren für eine Solaranlage auf dem Dach.
Nur war der Schalter nicht für DC ausgelegt.
Im Inneren des Gehäuses bildet sich ein Lichtbogen zwischen den sich trennenden Kontakten – eine brillante, anhaltende Plasma-Brücke, die 600 V DC durch ionisierte Luft leitet. In einem AC-System würde dieser Lichtbogen auf natürliche Weise innerhalb von 10 Millisekunden erlöschen, ausgelöscht beim nächsten Nulldurchgang des Stroms. Aber DC-Strom hat keine Nulldurchgänge. Der Lichtbogen bleibt bestehen. Die Kontakte beginnen zu erodieren. Die Temperatur steigt. Innerhalb von Sekunden wird der Trennschalter, der für eine sichere Trennung sorgen sollte, zu einem kontinuierlichen Hochspannungsleiter, genau dann, wenn man ihn am meisten isoliert benötigt.
Das ist “Das Null-Durchgangs-Sicherheitsnetz”– AC hat es, DC nicht. Und es verändert alles daran, wie Trennschalter konstruiert, bewertet und ausgewählt werden müssen.
Was sind Trennschalter?
Ein Trennschalter (auch als Lasttrennschalter oder Schalt-Trennkombination bezeichnet) ist ein mechanisches Schaltgerät, das dazu dient, einen Stromkreis von seiner Stromquelle zu trennen und so eine sichere Wartung und Reparatur zu gewährleisten. Trennschalter unterliegen der IEC 60947-3:2020 für Niederspannungsschaltanlagen (bis 1000 V AC und 1500 V DC) und bieten eine sichtbare Trennung – einen physischen Spalt, den Sie sehen oder überprüfen können – zwischen stromführenden Leitern und nachgeschalteten Geräten.
Im Gegensatz zu Leistungsschalter, sind Trennschalter nicht dafür ausgelegt, Fehlerströme unter Last zu unterbrechen. Sie sind Wartungstrenner. Sie öffnen sie, wenn der Stromkreis spannungslos ist oder nur eine minimale Last führt, wodurch ein sicherer Trennpunkt für Arbeiten nachgeschaltet entsteht. Die meisten Trennschalter verfügen über einen Verriegelungsmechanismus (Vorhängeschlossbügel oder abschließbarer Griff) zur Einhaltung von LOTO (Lockout/Tagout).
Folgendes macht die Auswahl des Trennschalters entscheidend: die Physik der Lichtbogenunterbrechung– was in den Mikrosekunden passiert, nachdem Sie den Schalter geöffnet haben – ist für AC und DC grundlegend unterschiedlich. Ein für AC-Betrieb geeigneter Trennschalter kann für DC-Betrieb völlig ungeeignet (und gefährlich) sein, selbst bei niedrigerer Spannung. Auf dem Typenschild steht möglicherweise “690V”, aber das sind 690V AC. AC. Verwenden Sie ihn an einem 600V DC Solarstrang? Sie haben gerade eine potenzielle Störlichtbogengefahr geschaffen.
Dies ist kein unwesentliches technisches Detail oder eine konservative Sicherheitsmarge. Es ist Physik. Und um zu verstehen, warum, muss man sich ansehen, was in jedem Schalter passiert, wenn sich die Kontakte unter Spannung trennen.
Pro-Tipp #1: Verwenden Sie niemals einen AC-Trennschalter für DC-Anwendungen, es sei denn, er hat explizite DC-Spannungs-/Stromwerte auf seinem Datenblatt. Ein Trennschalter mit einer Nennspannung von 690 V AC hat typischerweise eine DC-Kapazität von nur 220-250 V DC – weniger als ein 4-Panel-Solarstrang im Leerlauf.
Das Problem der Lichtbogenlöschung: Warum DC anders ist
Wenn Sie einen Schalter unter Spannung öffnen, bildet sich ein Lichtbogen. Das ist unvermeidlich. Wenn sich die Kontakte trennen, ist der Abstand zwischen ihnen immer noch klein genug – Mikrometer, dann Millimeter –, dass die Spannung die Luft ionisiert und einen leitfähigen Plasmakanal erzeugt. Der Strom fließt weiterhin durch diesen Lichtbogen, obwohl sich die mechanischen Kontakte nicht mehr berühren.
Damit der Schalter den Stromkreis wirklich trennt, muss dieser Lichtbogen gelöscht. werden. Und hier gehen AC und DC völlig auseinander.
AC: Der natürliche Nulldurchgang
Wechselstrom wechselt, wie der Name schon sagt, ab. Ein 50-Hz-AC-System durchläuft 100 Mal pro Sekunde Nullspannung/-strom. Ein 60-Hz-System durchläuft 120 Mal pro Sekunde Null. Alle 8,33 Millisekunden (60 Hz) oder 10 Millisekunden (50 Hz) kehrt sich der Stromfluss um – und durchläuft Null.
Beim Stromnulldurchgang ist keine Energie vorhanden, die den Lichtbogen aufrechterhält. Das Plasma deionisiert. Der Lichtbogen erlischt. Wenn sich die Kontakte bis zum nächsten Halbzyklus weit genug getrennt haben, übersteigt die Durchschlagfestigkeit des Spalts (seine Fähigkeit, Spannung ohne Wiederzündung standzuhalten) die Systemspannung. Der Lichtbogen zündet nicht erneut. Die Isolation ist erreicht.
Dies ist “Das Null-Durchgangs-Sicherheitsnetz.” AC-Trennschalter können sich auf diese natürliche Unterbrechung verlassen. Ihre Kontaktkonstruktion, der Spaltabstand und die Geometrie der Lichtbogenkammer müssen lediglich sicherstellen, dass der Lichtbogen nach dem nächsten Nulldurchgang nicht erneut zündet. Es ist ein relativ nachsichtiges Konstruktionsproblem.
DC: Das endlose Lichtbogenproblem
Gleichstrom hat keine Nulldurchgänge. Niemals. Ein 600V DC Solarstrang liefert kontinuierlich 600 Volt. Wenn sich die Trennschalterkontakte trennen und sich ein Lichtbogen bildet, wird dieser Lichtbogen durch kontinuierliche Energie aufrechterhalten. Es gibt keinen natürlichen Unterbrechungspunkt. Der Lichtbogen wird unbegrenzt andauern, bis eines von drei Dingen passiert:
- Der Kontaktabstand wird groß genug, dass selbst der Lichtbogen ihn nicht überbrücken kann (was eine viel größere physische Trennung als bei AC erfordert)
- Der Lichtbogen wird mechanisch gedehnt, gekühlt und ausgeblasen, wobei Magnetfelder und Lichtbogenlöschbleche verwendet werden
- Die Kontakte verschweißen sich durch anhaltende Erwärmung, wodurch der gesamte Zweck der Isolation zunichte gemacht wird
Option 3 ist das, was passiert, wenn Sie einen AC-Trennschalter im DC-Betrieb verwenden. Die Kontakttrennungsgeschwindigkeit und der Spaltabstand, die für AC gut funktionieren – weil der nächste Nulldurchgang in 10 Millisekunden eintritt – sind für DC unzureichend. Der Lichtbogen bleibt bestehen. Die Kontakrosion beschleunigt sich. Im schlimmsten Fall verschweißen die Kontakte, und Sie verlieren die Isolation vollständig.
Pro-Tipp #2: AC-Strom durchläuft 100 Mal pro Sekunde Null (50 Hz) oder 120 Mal (60 Hz) – jeder Nulldurchgang ist eine Gelegenheit für den Lichtbogen, auf natürliche Weise zu erlöschen. DC-Strom durchläuft niemals Null. Dies ist kein geringfügiger Unterschied – es ist der Grund, warum DC-Trennschalter magnetische Blaswendel und tiefe Lichtbogenlöschbleche benötigen, die AC-Trennschalter nicht haben.
DC-Trennschalter-Design: Der Lichtbogenkammer-Krieger
Da DC-Lichtbögen nicht von selbst erlöschen, müssen DC-Trennschalter die Löschung durch aggressive mechanische Mittel erzwingen. Dies ist “Der Lichtbogenkammer-Krieger”– ein DC-Trennschalter ist für den Kampf konzipiert.
Magnetische Blaswendel
Die meisten DC-Trennschalter enthalten magnetische Blaswendel oder Permanentmagnete, die in der Nähe der Kontakte positioniert sind. Wenn sich ein Lichtbogen bildet, interagiert das Magnetfeld mit dem Lichtbogenstrom (der eine sich bewegende Ladung ist) und erzeugt eine Lorentz-Kraft, die den Lichtbogen von den Kontakten weg und in die Lichtbogenlöschkammer schiebt.
Stellen Sie sich das als eine magnetische Hand vor, die den Lichtbogen physisch von dem Ort wegschiebt, an dem er bleiben möchte. Je schneller und weiter Sie den Lichtbogen bewegen, desto mehr kühlt und dehnt er sich, bis er sich nicht mehr selbst aufrechterhalten kann.
Lichtbogenlöschbleche (Splitterplatten)
Sobald der Lichtbogen in die Lichtbogenkammer geblasen wird, trifft er auf Lichtbogenlöschbleche– Anordnungen von Metallplatten (oft Kupfer), die den Lichtbogen in mehrere kürzere Segmente aufteilen. Jedes Segment hat seinen eigenen Spannungsabfall. Wenn der gesamte Spannungsabfall über alle Segmente die Systemspannung übersteigt, kann der Lichtbogen nicht mehr aufrechterhalten werden. Er bricht zusammen.
DC-Trennschalter verwenden tiefere, aggressivere Lichtbogenlöschblechdesigns als AC-Trennschalter, da sie sich nicht auf Stromnulldurchgänge verlassen können. Der Lichtbogen muss jedes Mal zwangsweise bei vollem Strom gelöscht werden.
Kontaktmaterialien mit hohem Silbergehalt
DC-Lichtbögen sind brutal zu Kontakten. Anhaltende Lichtbogenbildung bei voller Spannung verursacht schnelle Erosion und Erwärmung. Um dem standzuhalten, verwenden DC-Trennschalter Kontaktmaterialien mit höherem Silbergehalt (oft Silber-Wolfram- oder Silber-Nickel-Legierungen), die dem Verschweißen und der Erosion besser widerstehen als die in AC-Trennschaltern üblichen Kupfer- oder Messingkontakte.
Das Ergebnis? Ein DC-Trennschalter mit einer Nennspannung von 1000 V DC bei 32 A ist physisch größer, schwerer, komplexer und kostet 2-3× mehr als ein ähnlich bewerteter AC-Trennschalter. Dies ist keine willkürliche Preisgestaltung – es sind die Entwicklungskosten, um die Lichtbogenlöschung ohne Nulldurchgang zu erzwingen.
Pro-Tipp #3: Überprüfen Sie bei Photovoltaikanlagen immer, ob die DC-Spannungsfestigkeit des Trennschalters die maximale Leerlaufspannung (Voc) Ihres Strangs bei der niedrigsten erwarteten Temperatur übersteigt. Ein 10-Panel-Strang mit 400-W-Modulen kann bei -10 °C 500-600 V DC erreichen – was viele “DC-fähige” Trennschalter übersteigt.
AC-Trennschalter-Design: Auf dem Nulldurchgang reiten
AC-Trennschalter sind im Vergleich dazu einfach. Sie benötigen keine magnetischen Blaswendel (obwohl einige sie zur schnelleren Unterbrechung enthalten). Sie benötigen keine tiefen Lichtbogenlöschbleche. Sie benötigen keine exotischen Kontaktmaterialien.
Warum? Weil der Nulldurchgang den größten Teil der Arbeit erledigt. Die Aufgabe des AC-Trennschalters besteht nicht darin, den Lichtbogen zwangsweise zu löschen – er soll sicherstellen, dass der Lichtbogen nach der natürlichen Nulldurchgangsunterbrechung nicht erneut zündet.
- Ausreichender Spaltabstand: Typischerweise 3-6 mm für Niederspannungs-AC, abhängig von Spannung und Verschmutzungsgrad
- Grundlegende Lichtbogenbegrenzung: Einfache Isolierbarrieren zur Verhinderung von Kriechstrombildung über Oberflächen
Das ist es. AC-Trennschalter verlassen sich auf die Wellenform, um die Hauptarbeit zu leisten. Die mechanische Konstruktion muss nur mithalten.
Die Spannungsreduzierungsstrafe
Hier ist eine Überraschung, die viele Ingenieure erwischt: wenn Sie muss einen AC-Nenn-Trennschalter für DC verwenden (was Sie nicht tun sollten, aber hypothetisch), ist seine DC-Spannungskapazität dramatisch niedriger als seine AC-Nennleistung. Das ist “Die Spannungsreduzierungsstrafe.”
Ein typisches Muster:
- 690V AC Nennleistung → ca. 220-250V DC Kapazität
- 400V AC Nennleistung → ca. 150-180V DC Kapazität
- 230V AC Nennleistung → ca. 80-110V DC Kapazität
Warum eine so starke Reduzierung? Weil die DC-Lichtbogenspannung sich grundlegend von der AC-Lichtbogenspannung unterscheidet. Hersteller berücksichtigen dies, indem sie die DC-Spannungsnennleistung drastisch reduzieren.
Für Solar-PV-Anwendungen ist dies “Die PV-String-Falle.” Ein gängiges 400W-Solarpanel hat eine Leerlaufspannung (Voc) von ca. 48-50V bei STC. 10 Panels in Reihe schalten: 480-500V. Aber Voc steigt bei niedrigeren Temperaturen. Ein 400V AC-Trennschalter mit einer 180V DC-Nennleistung? Völlig unzureichend.
Pro-Tipp #4: Trennschalter sind für das Schalten ohne Last oder mit minimaler Last ausgelegt – es sind Wartungs-Trennschalter, kein Überstromschutz.
DC vs AC Trennschalter: Vergleich der wichtigsten Spezifikationen
| Spezifikation | AC-Isolator | DC-Isolator |
|---|---|---|
| Lichtbogenlöschmechanismus | Natürlicher Stromnulldurchgang (100-120 Mal/Sek.) | Erzwungene mechanische Löschung (magnetische Ausblasung + Lichtbogenlöschbleche) |
| Erforderlicher Kontaktabstand | 3-6mm (variiert je nach Spannung) | 8-15mm (größerer Abstand für gleiche Spannung) |
| Lichtbogenlöschblech-Design | Minimal oder gar nicht | Tiefe Trennplatten, aggressive Geometrie |
| Magnetische Ausblasung | Optional (für schnelle Unterbrechung) | Obligatorisch (Permanentmagnete oder Spulen) |
| Kontaktmaterial | Kupfer, Messing, Standardlegierungen | Hoher Silbergehalt (Ag-W, Ag-Ni-Legierungen) |
| Spannungsnennwert Beispiel | 690V AC | 1000V DC oder 1500V DC |
| Stromnennwert Beispiel | 32A, 63A, 125A typisch | 16A-1600A (größerer Bereich für PV/ESS) |
| Typische Anwendungen | Motorsteuerung, HLK, industrielle AC-Verteilung | Solar-PV, Batteriespeicher, EV-Ladung, DC-Microgrids |
| Normen | IEC 60947-3:2020 (AC-Nutzungskategorien) | IEC 60947-3:2020 (DC-Nutzungskategorien: DC-21B, DC-PV2) |
| Größe & Gewicht | Kompakt, leicht | Größer, schwerer (2-3× Größe für gleichen Stromnennwert) |
| Kosten | Niedriger (Basislinie) | 2-3× teurer |
| Lichtbogendauer beim Öffnen | <10ms (bis zum nächsten Nulldurchgang) | Kontinuierlich bis zur mechanischen Löschung |
要点总结： Die “2-3× Kostenstrafe” für DC-Trennschalter ist keine Preiswucherung – sie spiegelt die grundlegende physikalische Steuer für das Löschen von Lichtbögen ohne Nulldurchgänge wider.
Wann DC vs AC Trennschalter verwenden
Die Entscheidung dreht sich nicht um Präferenz oder Kostenoptimierung – es geht darum, die Lichtbogenlöschfähigkeit des Trennschalters an den Stromtyp Ihres Systems anzupassen.
Verwenden Sie DC-Trennschalter für:
1. Solar-Photovoltaik (PV)-Systeme
Jeder Solarfeld-DC-String benötigt eine Trennung zwischen dem Feld und dem Wechselrichter. Stringspannungen erreichen üblicherweise 600-1000V DC. Achten Sie auf die IEC 60947-3 DC-PV2 Nutzungskategorie, die speziell für PV-Schaltbetrieb ausgelegt ist.
2. Batterie-Energiespeichersysteme (ESS)
Batteriebanken arbeiten mit DC-Spannungen von 48V bis 800V+. Eine Trennung ist zwischen Batteriemodulen und Wechselrichtern erforderlich.
3. EV-Ladeinfrastruktur
DC-Schnelllader liefern 400-800V DC direkt an Fahrzeugbatterien.
4. DC-Microgrids und Rechenzentren
Rechenzentren verwenden zunehmend 380V DC-Verteilung, um Wandlungsverluste zu reduzieren.
5. Marine- und Bahn-DC-Verteilung
Schiffe und Züge verwenden seit Jahrzehnten DC-Verteilung (24V, 48V, 110V, 750V).
Verwenden Sie AC-Trennschalter für:
1. Motorsteuerungskreise
Trennung für AC-Induktionsmotoren, HLK-Systeme und Pumpen.
Gebäude-AC-Verteilung
Isolation für Beleuchtungspaneele und allgemeine Gebäudeverbraucher.
Industrielle AC-Schaltschränke
Maschinensteuerungsschränke mit AC-Schütze und SPSen.
Die entscheidende Regel
Wenn Ihre Systemspannung DC ist – selbst 48 V DC – verwenden Sie einen DC-Nockenschalter. Die Physik des Lichtbogens kümmert sich nicht um die Spannungshöhe; sie kümmert sich um die Art der Wellenform. Ein 48-V-DC-Lichtbogen kann sich immer noch aufrechterhalten und Kontaktschweißungen in einem reinen AC-Schalter verursachen.
Auswahlhilfe: 4-Schritte-Methode für DC-Nockenschalter
Schritt 1: Maximale Systemspannung berechnen
Für Solar PV: Berechnen Sie die String-Voc bei der niedrigsten erwarteten Umgebungstemperatur. Voc steigt um ca. 0,3-0,4 % pro °C unter 25 °C.
- Beispiel: 10-Panel-String, Voc = 49 V/Panel bei STC. Bei -10 °C: 49 V × 1,14 (Temperaturfaktor) × 10 Panels = 559 V DC Mindestnennwert des Trennschalters
专业提示： Legen Sie die Spannungsfestigkeit des Trennschalters immer mindestens 20 % über der berechneten maximalen Systemspannung fest, um eine Sicherheitsmarge zu gewährleisten.
Schritt 2: Stromstärke bestimmen
Für Solar PV: Verwenden Sie den String-Kurzschlussstrom (Isc) × 1,25 Sicherheitsfaktor.
Schritt 3: Nutzungskategorie überprüfen
Überprüfen Sie das Datenblatt auf die Nutzungskategorie gemäß IEC 60947-3: DC-21B für allgemeine DC-Schaltkreise, DC-PV2 speziell für das Schalten von Photovoltaik-DC.
Schritt 4: Kurzschlussfestigkeit bestätigen (falls zutreffend)
Die meisten Trennschalter sind für das Schalten ohne Last oder mit minimaler Last ausgelegt. Für regelmäßiges Lastschalten oder Fehlerunterbrechung spezifizieren Sie stattdessen einen DC-Leistungsschalter.
Pro-Tipp #5: DC-Trennschalter kosten 2-3× mehr als vergleichbare AC-Trennschalter, da sie grundlegend andere Kontaktmaterialien, magnetische Blasvorrichtungen und tiefe Lichtbogenlöschkammern benötigen.
Fazit: Physik ist nicht optional
Der Unterschied zwischen DC- und AC-Trennschaltern ist keine Frage der Nennwerte, der Kosten oder der Präferenz. Es ist Physik.
AC-Trennschalter verlassen sich auf “Das Null-Durchgangs-Sicherheitsnetz”. DC-Trennschalter stehen vor “Das endlose Lichtbogenproblem”. Der Lichtbogen bleibt unbegrenzt bestehen, es sei denn, der Schalter erzwingt die Löschung durch magnetische Blaswendeln und tiefe Lichtbogenkanäle.
Wenn Sie einen Trennschalter für einen Solar-PV-String oder eine Batteriespeicheranlage spezifizieren, wählen Sie ein Lichtbogenlöschsystem aus. Verwenden Sie das falsche, und Sie riskieren anhaltende Lichtbögen und Feuer. Die Regel ist einfach: Wenn Ihre Spannung DC ist, verwenden Sie einen DC-Nockenschalter.
Physik ist nicht verhandelbar. Wählen Sie entsprechend.
Benötigen Sie Hilfe bei der Auswahl von DC-Trennschaltern für Ihr Solar-PV- oder Batteriespeicherprojekt? Wenden Sie sich an unser Anwendungstechnikteam, um technische Beratung zu IEC 60947-3-konformen DC-Schaltlösungen zu erhalten.
