Warum Standard-DC-Leistungsschalter in Batteriespeichersystemen versagen: Die Bedeutung eines hohen Ausschaltvermögens (Icu)

Einführung

Der rasche Einsatz von Batteriespeicher-Systemen (BESS) hat eine kritische Sicherheitsherausforderung geschaffen, die viele Ingenieure zu spät entdecken: Standard-DC-Leistungsschalter, die für solare Photovoltaik-Anwendungen entwickelt wurden, versagen katastrophal, wenn sie Batteriespeicher-Systeme schützen sollen. Dieses Versagen ist keine Frage schlechter Fertigung oder Qualitätsprobleme – es ist eine grundlegende Diskrepanz zwischen den Designspezifikationen des Schalters und den extremen Fehlerstromcharakteristiken, die Lithium-Ionen-Batteriebänken innewohnen.

Die Ursache ist einfach, wird aber oft missverstanden. Solar-PV-Systeme erzeugen Kurzschlussströme, die typischerweise auf etwa das 1,25-fache ihres Nennbetriebsstroms begrenzt sind (Isc ≈ 1,25 × Ioc). Standard-DC-Leistungsschalter mit einer Nennleistung von 6 kA oder 10 kA bewältigen diese Fehlerstrompegel problemlos. Im krassen Gegensatz dazu können BESS-Installationen mit Batteriezellen mit niedrigem Innenwiderstand innerhalb von Millisekunden nach einem Kurzschlussereignis Fehlerströme liefern, die das 10- bis 50-fache ihres Nennstroms betragen. Wenn ein 10-kA-Leistungsschalter versucht, einen 30-kA-Batteriefehler zu unterbrechen, ist das Ergebnis vorhersehbar: Lichtbogenlöschungsfehler, Gehäusezerstörung und potenzieller Brand.

Dieser Artikel untersucht, warum hohe Ausschaltvermögen – insbesondere 20 kA, 30 kA und 50 kA Icu (Ultimate Breaking Capacity) – keine optionalen Spezifikationen, sondern obligatorische Sicherheitsanforderungen für den BESS-Schutz sind. Wir werden die technischen Unterschiede zwischen PV- und Batteriefehlercharakteristiken analysieren, die kritische Unterscheidung zwischen Icu- und Ics-Werten erläutern und eine technische Anleitung für die Auswahl von Schutzgeräten mit angemessener Nennleistung geben.

Der grundlegende Unterschied zwischen PV- und BESS-Kurzschlüssen

Solar-PV: Strombegrenzte Fehlercharakteristiken

Photovoltaikmodule verhalten sich bei Fehlerbedingungen aufgrund ihrer inhärenten Physik wie strombegrenzte Quellen. Wenn ein PV-String einen Kurzschluss erfährt, wird der maximal verfügbare Fehlerstrom durch den Kurzschlussstromwert (Isc) des Moduls begrenzt, der typischerweise den Strom am maximalen Leistungspunkt (Imp) nur um 15-25 % übersteigt. Diese Beziehung wird durch die I-V-Kennlinie des Moduls definiert und bleibt relativ konstant, unabhängig von der Anzahl der parallelen Strings, vorausgesetzt, eine ordnungsgemäße String-Absicherung ist implementiert.

Beispielsweise hat ein 400-W-monokristallines Panel mit einer Nennleistung von Imp = 10 A typischerweise Isc = 11-12 A. Selbst in einem großflächigen Solarpark mit mehreren Combiner-Boxen überschreitet der voraussichtliche Fehlerstrom an einem bestimmten Leistungsschalterstandort selten 6 kA und bleibt häufig unter 3 kA. Aus diesem Grund haben sich IEC 60947-2-konforme MCBs mit einer Nennleistung von 6 kA oder 10 kA seit Jahrzehnten in Solaranlagen bewährt. Der Fehlerstrom des PV-Systems ist vorhersehbar, berechenbar und bleibt innerhalb des Ausschaltvermögens von Standard-Leistungsschutzschaltern für Wohn- und Gewerbegebäude.

BESS: Unbegrenzte Fehlerstromkapazität

Batteriespeicher-Systeme arbeiten nach völlig anderen elektrochemischen Prinzipien. Lithium-Ionen-, Lithium-Eisenphosphat- (LFP) und andere moderne Batteriezellen weisen Innenwiderstände im Milliohm-Bereich (mΩ) auf – typischerweise 2-10 mΩ pro Zelle, abhängig von Chemie, Ladezustand und Temperatur. Wenn mehrere Zellen in Reihen-Parallel-Anordnungen konfiguriert werden, um Systemspannungs- und Kapazitätsziele zu erreichen, wird der gesamte Innenwiderstand der Batteriebank extrem niedrig.

Betrachten Sie ein praktisches Beispiel: Eine 48-V-200-Ah-Lithiumbatteriebank, die aus 16 Zellen in Reihe (16S) besteht, wobei jede Zelle einen Innenwiderstand von 5 mΩ aufweist, ergibt einen Gesamtbankwiderstand von etwa 80 mΩ (0,080 Ω). Bei einem Bolzenkurzschluss diktiert das Ohmsche Gesetz den voraussichtlichen Fehlerstrom: Isc = V / R = 48 V ÷ 0,080 Ω = 600 A. Diese Berechnung unterschätzt jedoch die Realität aus zwei kritischen Gründen erheblich.

Erstens geht die Berechnung nur vom Innenwiderstand des Akkupacks aus. In tatsächlichen Fehlerszenarien kann der Widerstand von Stromschienen, Klemmen und Drahtverbindungen innerhalb des Fehlerpfads nur 5-20 mΩ zusätzlichen Widerstand betragen. Zweitens, und noch wichtiger, verwenden moderne BESS-Installationen häufig parallele Batterieracks, um eine höhere Kapazität zu erreichen. Bei vier parallelen 48-V-200-Ah-Racks sinkt der effektive Innenwiderstand auf 20 mΩ, was zu einem voraussichtlichen Fehlerstrom von 2.400 A führt – aber auch dies untertreibt das Problem noch.

Der kritische Faktor, den Ingenieure oft übersehen, ist der asymmetrische Spitzenstrom während der ersten Halbperiode der DC-Fehlerinitiierung. Aufgrund des Fehlens eines natürlichen Stromnulldurchgangs in DC-Systemen und der Induktivität in Batterieverbindungen kann der momentane Spitzenfehlerstrom das 2,0- bis 2,5-fache des berechneten stationären Werts erreichen. Für unser stationäres Beispiel mit 2.400 A kann der Spitzenfehlerstrom auf 5.000-6.000 A ansteigen. In BESS-Installationen im Versorgungsmaßstab mit Hunderten von parallelen Batteriemodulen überschreiten die voraussichtlichen Fehlerströme routinemäßig 30 kA und haben in einigen dokumentierten Fällen 50 kA oder mehr erreicht.

Um die BESS-Systemarchitektur und die Fehlerstrompfade im Detail zu verstehen, lesen Sie unsere umfassende Anleitung zu Batteriespeicher-Systemen.

Vergleichstabelle: PV vs. BESS-Fehlercharakteristiken

Parameter	Solar-PV-Anlage	Batteriespeicher-System
Quellimpedanz	Hoch (strombegrenzt durch Zellphysik)	Extrem niedrig (2-10 mΩ pro Zelle)
Typisches Isc/Irated-Verhältnis	1,15 – 1,25×	10 – 50×
Fehlerstrom-Anstiegszeit	10-50 ms (Kondensatorentladung dominiert)	<1 ms (direkte elektrochemische Entladung)
Voraussichtlicher Fehlerstrom (Wohnbereich)	0,5 – 3 kA	5 – 20 kA
Voraussichtlicher Fehlerstrom (Gewerbe)	2 – 6 kA	20 – 35 kA
Voraussichtlicher Fehlerstrom (Versorgungsmaßstab)	5 – 10 kA	30 – 50 kA+
Asymmetrischer Spitzenstromfaktor	1,3 – 1,5×	2,0 – 2,5×
Standard-Leistungsschalter-Nennleistung (ausreichend)	6 kA – 10 kA	20 kA – 50 kA
Lichtbogenlöschungsschwierigkeit	Mäßig (natürliche Strombegrenzung)	Extrem (anhaltende Energiezufuhr)

Dieser grundlegende Unterschied erklärt, warum ein Leistungsschalter, der erfolgreich ein 10-kW-Solarpanel schützt, heftig versagt, wenn er in einem 10-kWh-Batteriesystem mit ähnlicher Nennleistung installiert wird. Die Fehlerstromcharakteristiken sind nicht vergleichbar – sie existieren in völlig unterschiedlichen Größenordnungen.

Icu und Ics verstehen: Warum beides in BESS wichtig ist

Definition des ultimativen Ausschaltvermögens (Icu)

Das Nennausschaltvermögen bei Kurzschluss, in IEC 60947-2 als Icu und in IEC 60898-1 für Leitungsschutzschalter als Icn bezeichnet, stellt den maximalen voraussichtlichen Fehlerstrom dar, den ein Leistungsschalter unter Laborprüfbedingungen erfolgreich unterbrechen kann, ohne dass das Gerät katastrophal zerstört wird. Das in IEC 60947-2 Abschnitt 8.3.5 definierte Prüfverfahren unterwirft den Schalter einer bestimmten Sequenz: O (Öffnungsbetrieb) – 3 Minuten – CO (Schließ-Öffnungsbetrieb). Wenn der Schalter den Prüfstrom erfolgreich ohne Explosion, Brand oder Kontaktschweißen unterbricht, erfüllt er seine Icu-Nennleistung.

Entscheidend ist, dass das Bestehen der Icu-Prüfung nicht garantiert, dass der Schalter danach funktionsfähig bleibt. Die IEC-Norm erlaubt ausdrücklich Schäden an den internen Komponenten des Schalters, Erosion der Kontakte und Verschlechterung der Lichtbogenkammern, vorausgesetzt, der Fehler wird sicher behoben. Nach einer Fehlerunterbrechung auf Icu-Ebene muss der Schalter inspiziert und oft ausgetauscht werden. In BESS-Anwendungen, in denen Schutzgeräte im Laufe einer 20-jährigen Systemlebensdauer mehrere Fehlerereignisse erfahren können, schafft die alleinige Verwendung von Icu-Werten eine gefährliche Wartungsbelastung und eine potenzielle Sicherheitslücke.

Definition des Betriebsausschaltvermögens (Ics)

Das Nennbetriebsausschaltvermögen bei Kurzschluss (Ics) stellt den Fehlerstrompegel dar, bei dem der Leistungsschalter mehrere Unterbrechungsoperationen durchführen und voll funktionsfähig bleiben kann – in der Lage, den Betrieb mit seinem Nennstrom ohne Beeinträchtigung fortzusetzen. IEC 60947-2 Abschnitt 8.3.6 spezifiziert die Ics-Prüfsequenz: O – 3 Minuten – CO – 3 Minuten – CO. Nach drei erfolgreichen Fehlerunterbrechungen auf dem Ics-Strompegel muss der Schalter Temperaturerhöhungs-, Auslösecharakteristik- und mechanische Dauerhaltbarkeitstests bestehen, um zu überprüfen, ob er innerhalb der Spezifikation bleibt.

Ics wird als Prozentsatz von Icu ausgedrückt: 25 %, 50 %, 75 % oder 100 %. Für MCBs für Wohn- und leichte Gewerbeanwendungen (IEC 60898-1, Klasse B) muss Ics mindestens 50 %, 75 % oder 100 % von Icn betragen. Für industrielle MCCBs und spezialisierte BESS-Schutzgeräte (IEC 60947-2) reicht Ics von 25 % bis 100 % von Icu, abhängig vom Design des Herstellers und der beabsichtigten Anwendung.

Die BESS-spezifische Bedeutung von hohem Ics

In Batteriespeicher-Systemen ist der Ics-Wert aus zwei betrieblichen Gründen wichtiger als Icu. Erstens erfahren BESS-Installationen wiederholte Belastungszyklen, einschließlich Einschaltströme während des Ladens, Entladetransienten während des Spitzenlastbetriebs und potenzielle Fehlerereignisse durch thermisches Durchgehen, Isolationsfehler oder Wartungsfehler. Ein Schalter mit einer Nennleistung von 50 kA Icu, aber nur 25 kA Ics (50 % Verhältnis) kann einen 35-kA-Fehler einmal erfolgreich beheben, erfordert aber einen sofortigen Austausch, was zu Systemausfallzeiten und erhöhten Lebenszykluskosten führt.

Zweitens sind die Folgen eines Schalterausfalls in BESS-Umgebungen deutlich schwerwiegender als in PV-Anwendungen. Batteriesysteme speichern massive Energiemengen, die sofort freigesetzt werden können. Ein ausgefallener Schalter erzeugt einen Lichtbogenunfall mit verfügbarer Fehlerenergie, die möglicherweise 100 cal/cm² übersteigt, weit über der Schutzleistung von Standard-Lichtbogen-PSA hinaus. Die Lichtbogentemperatur kann 19.400 °C (35.000 °F) erreichen, ausreichend, um Kupfersammelschienen zu verdampfen und umgebende Materialien zu entzünden. In containerisierten BESS-Außenanlagen kann sich ein einzelner Schalterausfall durch Wärmestrahlung und luftgetragenes Kupferplasma auf benachbarte Racks ausbreiten.

VIOX Engineering Vorteil: VIOX BESS-Leistungsschalter verfügen über Ics = 100 % Icu über unsere 20-kA-, 30-kA- und 50-kA-Produktlinien hinweg. Dies bedeutet, dass ein VIOX 30-kA-Schalter nach der Unterbrechung von 30-kA-Fehlern die volle Betriebsbereitschaft aufrechterhält – keine Beeinträchtigung, kein obligatorischer Austausch, kein erhöhtes Risiko bei nachfolgenden Fehlerereignissen. Diese Designphilosophie eliminiert das “One-Shot-Hero”-Problem, das bei Standard-Industrie-MCBs üblich ist, bei denen hohe Icu-Werte eine unzureichende Ics-Leistung maskieren.

Für eine detaillierte technische Analyse der Leistungsschalterwerte und ihrer Auswirkungen auf den Fehlerschutz lesen Sie unsere Anleitung zum Verständnis von Icu-, Ics-, Icw- und Icm-Werten.

Vergleichstabelle: Standard- vs. Hochleistungs-BESS-Schalter

Leistungsschaltertyp	Icu-Wert	Ics-Bemessung	Ics/Icu-Verhältnis	Lebensdauer nach Fehler	Empfohlene Anwendung
Standard-Wohnbau-Leitungsschutzschalter (MCB)	6 kA	3 kA	50%	Austausch nach 3kA-Fehler	Nur für AC-Lasten im Wohnbereich
Standard-Leitungsschutzschalter (MCB) für den gewerblichen Bereich	10kA	5kA	50%	Austausch nach 5kA-Fehler	Leichte gewerbliche AC/DC-Anwendungen
Industrieller Leistungsschalter (MCCB) (untere Leistungsklasse)	50 kA	12,5 kA	25%	Austausch nach 12,5kA-Fehler	Nicht kritische Verteilung
Industrieller Leistungsschalter (MCCB) (mittlere Leistungsklasse)	50 kA	25 kA	50%	Austausch nach 25kA-Fehler	Standardmäßige industrielle Abzweige
VIOX BESS-Leitungsschutzschalter	20kA	20kA	100%	Kein Austausch erforderlich	ESS für den Wohnbereich (5-20kWh)
VIOX BESS-Leistungsschalter	30 kA	30 kA	100%	Kein Austausch erforderlich	Gewerbliche BESS (50-500kWh)
VIOX BESS-Leistungsschalter	50 kA	50 kA	100%	Kein Austausch erforderlich	BESS im Versorgungsmaßstab (1MWh+)

Warum 6kA/10kA-Schutzschalter in BESS-Anwendungen ausfallen

Der Lichtbogenlöschungs-Fehlermechanismus

Wenn sich die Kontakte eines Schutzschalters unter Last trennen, bildet sich ein elektrischer Lichtbogen im Spalt zwischen den festen und beweglichen Kontakten. In AC-Systemen erlischt der Lichtbogen auf natürliche Weise beim Stromnulldurchgang, der 100 oder 120 Mal pro Sekunde auftritt (50 Hz oder 60 Hz), wodurch der Lichtbogenkammer des Schalters Zeit zum Abkühlen und Deionisieren des Lichtbogenpfads gegeben wird. DC-Systeme haben diesen natürlichen Stromnulldurchgang nicht, was erfordert, dass der Schalter den Lichtbogen zwangsweise durch Lichtbogenkammerdesign, magnetische Blaswendel und schnelle Kontakttrennungsdistanz löscht.

Ein 6kA- oder 10kA-Leitungsschutzschalter enthält eine Lichtbogenkammer, die dimensioniert und optimiert ist, um Fehlerströme bis zu ihrem Nennwert zu bewältigen. Wenn er einem 20kA- oder 30kA-Fehler von einer Batteriebank ausgesetzt wird, treten gleichzeitig drei Fehlermechanismen auf:

1. Thermische Überlastung: Die Lichtbogenenergie (E = V × I × t) übersteigt die Wärmeableitungskapazität der Lichtbogenkammer. Die Lichtbogenplasma-Temperatur steigt über 20.000 °C und schmilzt die Lichtbogen-Splitterplatten und Kammerwände innerhalb der ersten 10-20 Millisekunden.
2. Magnetische Sättigung: Das magnetische Ausblassystem des Schalters, das den Lichtbogen nach oben in die Splitterplatten drücken soll, wird gesättigt, wenn der Fehlerstrom die Auslegungsgrenzen um das 2-3-fache überschreitet. Der Lichtbogen stagniert im Kontaktbereich, anstatt sich in die Löschkammer zu bewegen.
3. Kontaktschweißen: Bei Fehlerströmen oberhalb der Nennleistung des Schalters können die elektromagnetischen Kräfte zwischen den Kontakten während des Öffnungshubs Tausende von Newton erreichen. Wenn die Federkraft des Betätigungsmechanismus diese magnetische Anziehung nicht schnell genug überwinden kann, verschweißen die Kontakte miteinander. Der Schalter bleibt geschlossen und liefert kontinuierlichen Fehlerstrom, bis der vorgeschaltete Schutz auslöst oder die Batteriebank manuell getrennt wird.

Fallstudie: 10kA-Schutzschalter vs. 30kA-BESS-Fehler

Betrachten Sie eine kommerzielle BESS-Installation: 100kWh Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Batteriesystem, 400VDC nominal, konfiguriert als vier parallele Stränge von 100S-Zellen (3,2V nominal pro Zelle). Jeder Strang trägt 100Ah Kapazität mit 3mΩ Innenwiderstand pro Zelle bei, was 300mΩ Gesamtstrangwiderstand und 75mΩ für die vierparallele Konfiguration ergibt. Addieren Sie 25mΩ für Sammelschienen, Verbindungen und Verkabelung – der gesamte Fehlerpfadwiderstand beträgt 100mΩ (0,1Ω).

Berechnung des voraussichtlichen Fehlerstroms:

• Stationärer Kurzschlussstrom (Isc) = 400V ÷ 0,1Ω = 4.000A
• Asymmetrischer Spitzenstrom (2,2× Faktor) = 8.800A ≈ 8,8kA

Ein Ingenieur, der diese Berechnung überprüft, könnte zu dem Schluss kommen, dass ein 10kA-Leitungsschutzschalter einen angemessenen Schutz mit einer Sicherheitsmarge bietet. Dies ist ein kritischer Fehler. Die Berechnung geht davon aus, dass alle Widerstände während des Fehlers konstant bleiben. In Wirklichkeit sinkt der interne Widerstand der Batterie, wenn die Zelltemperatur während der Entladung steigt. Bei erhöhten Temperaturen (45-60°C) sinkt der Zellwiderstand um 20-30%. Die Fehlerpfad-Sammelschienen und -Verbindungen erwärmen sich ebenfalls, aber ihre Widerstandserhöhung ist im Vergleich zur Impedanzabnahme der Batterie vernachlässigbar.

Revidierter Fehlerstrom bei 50°C Batterietemperatur:

• Reduzierter Zellwiderstand: 2,1mΩ × 100S = 210mΩ pro Strang
• Vierparallel: 52,5mΩ + 25mΩ (Verbindungen) = 77,5mΩ
• Stationärer Kurzschlussstrom (Isc) = 400V ÷ 0,0775Ω = 5.161A
• Asymmetrischer Spitzenstrom = 11,4kA

Der 10kA-Schutzschalter arbeitet jetzt 14% über seiner Nenn-Icu. Kritischer ist, wenn die Ics des Schalters 50% der Icu beträgt (5kA, typisch für Wohnbau-Leitungsschutzschalter), überschreitet dieser Fehler die Betriebsnennleistung um das 2,3-fache. Das erwartete Ergebnis: erfolgreiche Fehlerunterbrechung mit schweren internen Schäden, obligatorischer Schalteraustausch und Systemausfallzeiten, die sich je nach Verfügbarkeit von Ersatzteilen auf Stunden oder Tage erstrecken.

Wenn ein zweiter Fehler vor dem Schalteraustausch auftritt – ein Szenario, das in Multi-Rack-BESS-Installationen mit unabhängigen Fehlerwahrscheinlichkeiten durchaus möglich ist – wird der beeinträchtigte Schalter die Unterbrechung nicht durchführen, was zu einem katastrophalen Brand führt.

Erforderliche Schalternennwerte für gängige BESS-Konfigurationen

BESS-Konfiguration	System Spannung	Kapazität	Typischer Innenwiderstand	Voraussichtlicher Kurzschlussstrom (Spitze)	Mindest erforderliche Icu	Empfohlene Icu	Empfohlen Breaker Typ
ESS für den Wohnbereich (Einzelbatterie)	48VDC	5-10kWh	80-100mΩ	1.200 A	10kA	20kA	DC-Leitungsschutzschalter (2P)
ESS für den Wohnbereich (Parallel)	48VDC	10-20kWh	40-60mΩ	2.400A	15kA	20kA	DC-Leitungsschutzschalter (2P)
Gewerbliche BESS (Klein)	400VDC	50-100 kWh	50-80 mΩ	12 kA	20kA	30 kA	DC MCCB (2P)
Kommerzielles BESS (Mittel)	600 VDC	100-500 kWh	30-60 mΩ	24 kA	30 kA	50 kA	DC MCCB (2P)
Utility BESS (Rack-Ebene)	800 VDC	500 kWh-1 MWh	20-40 mΩ	35kA	50 kA	50 kA + HRC-Sicherung	DC MCCB (2P) mit Serieller Sicherung
Utility BESS (String-Ebene)	1000 V DC	1-5 MWh	15-30 mΩ	50kA+	65kA	65 kA + 300 kA Sicherung	DC MCCB + HRC-Sicherungs-Koordination

Technischer Hinweis: Der minimale Icu-Wert stellt die berechnete Anforderung mit einem Sicherheitsfaktor von 1,5 gemäß den Richtlinien der IEC 60947-2 dar. Der empfohlene Icu-Wert beinhaltet eine zusätzliche Marge für Temperaturreduzierung, Alterungseffekte und zukünftige Systemerweiterungen. Verwenden Sie niemals einen Schutzschalter, bei dem der voraussichtliche Fehlerstrom 80% des Nenn-Icu-Werts überschreitet.

Auswahl des richtigen DC-Schutzschalters für BESS: Die 20kA/30kA/50kA-Entscheidung

Berechnung des voraussichtlichen Kurzschlussstroms

Eine genaue Fehlerstromberechnung ist die Grundlage für die richtige Auswahl des Schutzschalters. Ingenieure müssen fünf Schlüsselparameter berücksichtigen:

1. Systemspannung (V): Verwenden Sie die maximale Ladespannung, nicht die Nennspannung. Für ein 48-V-Nennsystem (16S Lithium) beträgt die maximale Ladespannung 57,6 V (3,6 V pro Zelle). Diese 20%-Erhöhung führt direkt zu einem 20% höheren Fehlerstrom.
2. Batterieinnenwiderstand (Rbatt): Beziehen Sie diesen aus dem Datenblatt des Batterieherstellers, typischerweise angegeben bei 50% Ladezustand (SoC) und 25 °C. Bei großformatigen prismatischen Zellen reicht der Widerstand von 0,5 mΩ (Premium-Automobilqualität) bis 3 mΩ (Standard-Stationärspeicher). Zylindrische Zellen (18650, 21700) weisen einen höheren Widerstand auf: 15-40 mΩ pro Zelle.
3. Anzahl der parallelen Strings (Np): Die Parallelschaltung teilt den Gesamtwiderstand. Vier parallele Strings reduzieren den effektiven Widerstand auf 25% des Einzelstringwerts: Reff = Rsingle / Np.
4. Verbindungswiderstand (Rconn): Sammelschienen, Klemmen und Kabel tragen je nach Systemdesign 15-40 mΩ bei. Hochwertige verschraubte Sammelschienenverbindungen mit >200 in-lb Drehmoment erreichen 15-20 mΩ. Gecrimpte Kabelschuhe an Verteilerklemmen können 30-40 mΩ erreichen.
5. Temperaturreduzierungsfaktor (k): Der Batteriewiderstand nimmt mit der Temperatur ab. Verwenden Sie k = 0,7 für den Worst-Case-Betrieb bei heißem Wetter (50-60 °C Batterietemperatur).

Vollständige Fehlerstromformel:

Isc(steady) = Vmax / [k × (Rbatt/Np + Rconn)]

Isc(peak) = 2,2 × Isc(steady)

Durchgerechnetes Beispiel:

• System: 400 VDC, 200 kWh, LFP-Chemie
• Konfiguration: 8 parallele Strings, 125S pro String
• Zellendaten: 3,2 V nominal, 3,65 V max, 2 mΩ Innenwiderstand bei 25 °C
• Maximale Spannung: 125S × 3,65 V = 456 V
• Einzelstringwiderstand: 125 × 2 mΩ = 250 mΩ
• Parallelwiderstand: 250 mΩ / 8 = 31,25 mΩ
• Verbindungswiderstand: 25 mΩ (gemessen)
• Gesamter Kaltwiderstand: 56,25 mΩ
• Heißwiderstand (k=0,7): 0,7 × 31,25 mΩ + 25 mΩ = 46,9 mΩ
• Stationärer Isc: 456 V / 0,0469 Ω = 9.723 A
• Spitzen-Isc: 2,2 × 9.723 A = 21,4 kA

Erforderlicher Schutzschalter: Minimaler Icu = 21,4 kA × 1,25 Sicherheitsfaktor = 26,75 kA. Spezifizieren Sie einen MCCB mit 30 kA Nennwert.

Anwendungsbasierte Auswahlrichtlinien

Kleines Wohn-ESS (5-20 kWh): Systeme in diesem Bereich verwenden typischerweise 48-V-Akkupacks mit voraussichtlichen Fehlerströmen zwischen 5 kA und 15 kA Spitze. Ein korrekt bemessener 20-kA-DC-MCB bietet einen angemessenen Schutz mit eingebauter Sicherheitsmarge. VIOX VX-DC20-Serien-MCBs (20 kA Icu, 20 kA Ics, 1-63 A Baugrößen) sind speziell für diese Anwendung mit bidirektionaler Lichtbogenlöschung und UL 1077-Zertifizierung entwickelt.

Kommerzielles BESS (50-500 kWh): Mittelgroße Systeme arbeiten mit 400-800 VDC, wobei Fehlerströme 20-35 kA erreichen. Diese Kategorie erfordert MCCB-Schutz – Standard-MCBs verfügen nicht über die Kontaktkraft und das Lichtbogenkammer-Volumen, das für eine zuverlässige Unterbrechung bei diesen Energieniveaus erforderlich ist. Spezifizieren Sie MCCBs mit 30 kA oder 50 kA Nennwert, abhängig von der spezifischen Fehlerberechnung. Verwenden Sie niemals MCBs in Wohnqualität in kommerziellen Batterieinstallationen, unabhängig davon, ob der Nennstrom übereinstimmt – die Abschaltleistung ist grundsätzlich unzureichend.

Utility-Scale BESS (1 MWh+): Große Installationen mit Hunderten von parallelen Batteriemodulen treiben die voraussichtlichen Fehlerströme über 50 kA. Bei diesen Energieniveaus kann der MCCB-Schutz allein unzureichend sein. Implementieren Sie eine kaskadierte Schutzstrategie: String-Level-MCCBs (50 kA), die durch HRC-Sicherungen mit 300 kA oder höher auf Rack-/Schrankebene abgesichert sind. Dieser Ansatz wird im nächsten Abschnitt detailliert beschrieben.

Für umfassende technische Spezifikationen und Auswahlhinweise zu Kompaktleistungsschaltern in Batteriespeicheranwendungen lesen Sie unsere detaillierte MCCB-Anleitung.

Die Rolle von Sicherungen in BESS mit ultrahoher Kapazität

Wenn Leistungsschalter allein nicht ausreichen

Bei BESS-Installationen im Versorgungsmaßstab und großen kommerziellen Systemen, bei denen die voraussichtlichen Fehlerströme 50 kA überschreiten, birgt das alleinige Verlassen auf Schutzschalter zwei Risiken. Erstens arbeiten selbst hochwertige MCCBs mit einer Nennleistung von 50 kA nahe ihrer maximalen Auslegungsgrenze, wodurch nur ein minimaler Sicherheitsspielraum für Berechnungsfehler, extreme Temperaturen oder Systemänderungen verbleibt. Zweitens werden die Kosten und die physische Größe von MCCBs mit einer Nennleistung von 65 kA+ für den Schutz auf String-Ebene, wo Dutzende von Geräten erforderlich sind, unerschwinglich.

Die Lösung ist ein koordiniertes Sicherungs-Schutzschalter-System. Hochleistungs-Sicherungen (HRC) mit einer Nennleistung von 300 kA oder 400 kA bieten ultimativen Backup-Schutz auf Rack- oder Schrankebene, während 30 kA oder 50 kA MCCBs einzelne Strings oder Module schützen. Dies schafft ein selektives Koordinationsschema, bei dem der MCCB moderate Überlasten und Fehler bis zu seinem Ics-Wert beseitigt, während die Sicherung nur bei extremen Fehlerbedingungen arbeitet, die die Kapazität des Schutzschalters überschreiten.

Selektive Koordinationsstrategie

Eine ordnungsgemäße Sicherungs-Schutzschalter-Koordination erfordert eine sorgfältige Analyse der Zeit-Strom-Kennlinien, um die Selektivität sicherzustellen. Die minimale Schmelzzeit der Sicherung beim maximalen Fehlerstrom des Schutzschalters muss die gesamte Ausschaltzeit des Schutzschalters (Lichtbogenzeit + Kontakttrennzeit) um ein Mindestverhältnis von 2:1 gemäß den IEEE 242-Richtlinien überschreiten. Dies verhindert “Fehlauslösungen”, bei denen die Sicherung auslöst, bevor der Schutzschalter die Möglichkeit hat, den Fehler zu beseitigen.

Beispiel für eine Koordinationsstudie für ein 600-VDC-BESS im kommerziellen Bereich:

• Schutz auf String-Ebene: VIOX 50kA MCCB, 125A Rahmen, 10ms Ausschaltzeit bei 50kA
• Schutz auf Rack-Ebene: 250A HRC-Sicherung, 300kA Abschaltvermögen, 30ms Schmelzzeit bei 50kA
• Koordinationsverhältnis: 30ms / 10ms = 3:1 (übertrifft die Mindestanforderung)
• Ergebnis: Fehler unterhalb von 50 kA werden vom MCCB ohne Sicherungsauslösung beseitigt. Fehler oberhalb von 50 kA werden von der Sicherung beseitigt, wobei der MCCB die Trennung übernimmt, sobald der Fehler unterbrochen ist.

Diese Strategie reduziert die Wartungskosten erheblich. Fehler auf String-Ebene werden vom MCCB beseitigt, der gemäß seiner 100% Ics-Nennleistung betriebsbereit bleibt und keinen Austausch erfordert. Nur katastrophale Fehler, die über die Konstruktionsberechnungen hinausgehen – ein seltenes Ereignis in ordnungsgemäß konstruierten Systemen – führen zu einer Sicherungsauslösung und den damit verbundenen Ausfallzeiten für den Sicherungswechsel.

Detaillierte Spezifikationen und Anwendungshinweise zu ultrahochleistungsfähigen Sicherungen in Batteriespeichersystemen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden zum 300kA HRC-Sicherungsschutz.

Mehrstufige Schutzarchitektur

BESS im Versorgungsmaßstab implementieren typischerweise drei Schutzebenen:

1. Zellen-/Modulebene: Integriertes Batteriemanagementsystem (BMS) mit elektronischer Abschaltung. Nicht für die Fehlerunterbrechung ausgelegt – bietet Frühwarnung und kontrollierte Abschaltung.
2. String-Ebene: 30kA oder 50kA MCCB zum Schutz jedes seriell-parallelen Strings. Diese Geräte beseitigen 90% aller Fehlerereignisse, einschließlich Isolationsfehler, Steckverbinderfehler und Teilkurzschlüsse.
3. Rack-/Schrankebene: 250-400A HRC-Sicherungen mit einer Nennleistung von 300kA+. Bieten ultimativen Backup-Schutz und trennen das gesamte Rack bei Fehlern in mehreren Strings oder externen Kurzschlüssen auf dem DC-Bus.

Dieser mehrschichtige Ansatz gewährleistet die Fehlereindämmung, verhindert die Fehlerfortleitung zu benachbarten Geräten und erhält die Systemverfügbarkeit bei Single-Point-of-Failure-Ereignissen.

BESS-spezifische DC-Schutzschalterlösungen von VIOX

Technische Vorteile von VIOX BESS-Produkten

VIOX Electric hat eine umfassende Reihe von DC-Schutzschaltern entwickelt, die speziell für die besonderen Anforderungen von Batteriespeichersystemen entwickelt wurden. Im Gegensatz zu umfunktionierten AC-Schutzschaltern oder generischen DC-Schutzgeräten verfügen VIOX BESS-Produkte über vier entscheidende Designverbesserungen:

1. 100% Ics-Nennleistung (Ics = Icu): Alle VIOX BESS-Schutzschalter erreichen eine vollständige Betriebsausschaltleistung, die ihrer ultimativen Ausschaltleistung entspricht. Ein VIOX 30kA-Schutzschalter behält seine volle Funktionalität bei, nachdem er wiederholt 30kA-Fehler unterbrochen hat. Dies eliminiert das “One-Shot-Hero”-Problem, bei dem Standard-Industrieschutzschalter mit 25-50% Ics-Verhältnissen nach einem einzigen größeren Fehlerereignis ausgetauscht werden müssen. Über einen 20-jährigen BESS-Lebenszyklus reduziert diese Designphilosophie die Wartungskosten um 40-60% im Vergleich zu Standard-MCCBs.

2. Bidirektionale Lichtbogenlöschung: BESS-Anwendungen beinhalten einen bidirektionalen Stromfluss – Entladung während der Spitzenlastreduzierung und Notstromversorgung, Aufladung während der Nebenzeiten und der Solarstromerzeugung. Standard-DC-Schutzschalter, die Permanentmagnet-Lichtbogenblassysteme verwenden, sind polarisiert: Sie funktionieren nur in einer Stromrichtung korrekt. Wenn sich der Strom umkehrt, wirkt das Magnetfeld der Lichtbogenbewegung in die Splitterkammer entgegen, was zu einem Lichtbogenstau und einem Auslösefehler führt. VIOX verwendet elektromagnetische Spulenblassysteme mit polaritätsunabhängiger Lichtbogenkammergeometrie, die eine zuverlässige Unterbrechung unabhängig von der Stromrichtung gewährleisten. Dies ist für BESS obligatorisch und wird von UL 1077 Abschnitt 46 für bidirektionale DC-Anwendungen ausdrücklich gefordert.

3. Verbessertes Lichtbogenkammerdesign: Batteriestromfehler liefern eine anhaltende Energiefreisetzung, die die von transformatorgespeisten AC-Fehlern äquivalenter Größe deutlich übersteigt. VIOX BESS-Schutzschalter verfügen über Lichtbogenkammern mit einem 40% größeren Volumen im Vergleich zu Standard-Industrie-MCCBs, verlängerte Lichtbogenlaufplatten aus Silber-Wolfram-Legierung (im Vergleich zu Standard-Kupfer) und doppelreihige Keramik-Splitterplatten, die eine überlegene thermische Masse und Isolierung bieten. Diese Merkmale stellen sicher, dass sich die Lichtbogenspannung schnell aufbaut, um die Batteriespannung zu überschreiten, wodurch der Lichtbogenstrom auf Null gezwungen und eine zuverlässige Auslöschung innerhalb von 10-15 ms ermöglicht wird.

4. Thermische Stabilität bei Dauerstrom: BESS-Anwendungen unterscheiden sich von typischen industriellen Motor- oder Transformatorlasten in ihrem kontinuierlichen Stromprofil. Batteriesysteme können während längerer Notstromereignisse oder Demand-Response-Programme 100% Nennentladestrom über Stunden aufrechterhalten. VIOX BESS-Schutzschalter werden gemäß IEC 60947-2 Klausel 8.3.2 erweiterten Erwärmungsprüfungen unterzogen – 1000 Stunden bei Nennstrom in 40 °C Umgebungstemperatur – wodurch sichergestellt wird, dass der Temperaturanstieg an den Klemmen unter 50 K bleibt und der Kontaktwiderstand nicht über 150% des Anfangswerts steigt. Standard-Industrie-MCCBs sind typischerweise für intermittierende Betriebszyklen ausgelegt und können unter anhaltenden Batterielasten eine thermische Verschlechterung aufweisen.

Zertifizierungen und Konformität

VIOX BESS-Schutzschalter entsprechen internationalen Normen für DC-Schutzgeräte:

• IEC 60947-2: Niederspannungs-Schaltgeräte und Steuergeräte – Leistungsschalter. Umfasst Konstruktionsanforderungen, Temperaturgrenzen, mechanische/elektrische Dauerprüfungen und Kurzschlussleistungsnachweise einschließlich Icu- und Ics-Werte.
• UL 1077: Zusätzliche Schutzvorrichtungen zur Verwendung in elektrischen Geräten. Gilt für Leitungsschutzschalter (MCBs) im Bereich von 1-63A. Spezifiziert DC-Ausschaltvermögenstests bei Nennspannung mit obligatorischen bidirektionalen Tests für nicht polarisierte Schutzschalteransprüche.
• UL 489: Kompaktleistungsschalter, Kompaktumschalter und Leistungsschaltergehäuse. Umfasst MCCBs über 63A. Beinhaltet Kalibrierungstoleranzanforderungen für thermisch-magnetische Auslöser und Kurzschlusstests bei X/R-Verhältnissen, die der Batterieimpedanz entsprechen.

Tests und Zertifizierungen durch Dritte stellen sicher, dass VIOX-Produkte die strengen Sicherheits- und Leistungsanforderungen erfüllen, die für den Schutz von Multi-Millionen-Dollar-Batterieanlagen und die Verhinderung katastrophaler Fehlerszenarien erforderlich sind.

Installations- und Sicherheitsrichtlinien

Temperatur- und Höhenminderung

Schutzschalterwerte werden unter Standardtestbedingungen angegeben: 40 °C Umgebungstemperatur und ≤2000 m Höhe. BESS-Installationen überschreiten diese Bedingungen häufig, insbesondere in containerisierten Systemen im Freien oder Dachinstallationen. Hohe Umgebungstemperaturen reduzieren die Strombelastbarkeit und die verfügbare Kurzschlussleistung des Schutzschalters, während große Höhen die Luftdichte und die Lichtbogenlöschfähigkeit verringern.

Temperatur-derating: Reduzieren Sie für jede 10 °C über 40 °C Umgebungstemperatur die Dauerstrombelastbarkeit des Schutzschalters um 5-8%, abhängig von den Spezifikationen des Herstellers. Ein 125A-Schutzschalter, der in einem BESS-Container mit einer Innentemperatur von 60 °C installiert ist, muss auf ca. 100-110A maximalen Dauerstrom reduziert werden.

Höhe derating: Reduzieren Sie oberhalb von 2000 m das Ausschaltvermögen um 0,5% pro 100 m Höhenzunahme gemäß IEC 60947-2 Anhang B. Ein 50kA-Schutzschalter, der in einer Höhe von 3000 m installiert ist, bietet ein effektives Ausschaltvermögen von ca. 45kA.

Berücksichtigen Sie bei der Spezifizierung von Schutzschaltern für BESS-Anwendungen immer die ungünstigsten Umgebungsbedingungen. Wählen Sie Schutzschalterrahmengrößen mit 20-30% Stromreserve und Ausschaltvermögenswerten mit mindestens dem 1,5-fachen Fehlerstromreserve nach Anwendung aller Reduzierungsfaktoren.

Schutzarchitektur auf String-Ebene vs. Rack-Ebene vs. Systemebene

Die optimale Schutzstrategie hängt von der BESS-Topologie, den Fehlerstromgrößen und den Zuverlässigkeitsanforderungen ab:

Schutz auf String-Ebene: Jeder seriell-parallele String hat einen dedizierten Schutzschalter an seinen positiven und negativen Klemmen. Dies bietet maximale Fehlerisolation – ein einzelner Stringfehler beeinträchtigt keine anderen Strings und erfordert keine vollständige Systemabschaltung. Empfohlen für Systeme über 100 kWh, bei denen die String-Austauschkosten die zusätzlichen Schutzschalterkosten rechtfertigen.

Schutz auf Rack-Ebene: Mehrere Strings innerhalb eines Batterieracks oder -schranks teilen sich ein gemeinsames Schutzgerät am DC-Bus-Anschlusspunkt. Reduziert die Anzahl der Komponenten und die Installationskosten, erfordert aber eine vollständige Rack-Isolation bei Fehlern. Geeignet für kleinere Systeme (50-200 kWh) mit angepassten Batteriemodulen und geringer Fehlerwahrscheinlichkeit.

Schutz auf Systemebene: Einzelner Hauptschutzschalter, der das gesamte BESS am Wechselrichteranschluss schützt. Nur geeignet für kleine Wohnsysteme (<20 kWh), bei denen der Fehlerstrom überschaubar bleibt und die Systemkostenempfindlichkeit hoch ist. Nicht empfohlen für kommerzielle oder Versorgungsinstallationen aufgrund fehlender Fehlerisolation und verlängerter Ausfallzeiten während der Wartung des Schutzgeräts.

Die VIOX-Entwicklungsteams empfehlen einen Schutz auf String-Ebene mit Backup-Sicherungen auf Rack-Ebene für alle kommerziellen und Versorgungs-BESS-Installationen mit einer Kapazität von über 200 kWh.

Anforderung an nicht polarisierte Schutzschalter für bidirektionale Anwendungen

Dieser Punkt kann nicht genug betont werden: bidirektionale Batteriesysteme erfordern nicht polarisierte Schutzschalter. Standard-DC-Schutzschalter, die für unidirektionale Lasten (PV, DC-Motorantriebe) ausgelegt sind, verfügen über Permanentmagnet-Blassysteme, die für den Stromfluss in einer Richtung optimiert sind. Wenn diese Geräte in BESS-Anwendungen installiert werden, funktionieren sie während der Batterieentladung (Strom fließt von der positiven Batterieklemme zur Last) korrekt, versagen aber während des Ladevorgangs (Strom fließt in die positive Batterieklemme) katastrophal.

Der Fehlermechanismus ist einfach: Die Feldrichtung des Permanentmagneten unterstützt die Lichtbogenbewegung in die Splitterkammer während der Entladung, behindert aber die Lichtbogenbewegung während des Ladevorgangs. Anstatt nach oben in die Lichtbogenkammern geblasen zu werden, stagniert der Lichtbogen während des Ladevorgangs im Kontaktbereich. Die Lichtbogentemperatur überschreitet innerhalb von Millisekunden die thermische Kapazität des Kontaktmaterials, was zu Kontaktschweißungen oder Gehäusebrüchen führt.

VIOX BESS-Schutzschalter verwenden elektromagnetische Spulen-Lichtbogenblassysteme ohne Permanentmagnete. Die Spule erzeugt ein Magnetfeld, das proportional zur Fehlerstromgröße ist und automatisch so ausgerichtet ist, dass der Lichtbogen unabhängig von der Stromrichtung in die Splitterkammer getrieben wird. Dies erhöht die Herstellungskosten um 15-20%, ist aber für die BESS-Sicherheit nicht verhandelbar.

Test- und Wartungspläne

Implementieren Sie das folgende Inspektions- und Testprotokoll für BESS-Schutzgeräte:

Monatliche Sichtprüfung: Überprüfen Sie die Klemmen des Schutzschalters auf Verfärbungen (die auf lose Verbindungen und thermische Belastung hinweisen), vergewissern Sie sich, dass keine physischen Schäden am Gehäuse oder an den Befestigungselementen vorhanden sind, und bestätigen Sie, dass sich der Schutzschalter nicht ohne Wissen des Bedieners in der Auslöseposition befindet.

Vierteljährliche thermografische Untersuchung: Verwenden Sie eine Infrarotkamera, um die Klemmentemperaturen während des Betriebs unter Nennlast zu messen. Der Temperaturanstieg über die Umgebungstemperatur sollte 50 K nicht überschreiten. Klemmen mit einem Anstieg von >70 K deuten auf lose Verbindungen hin, die eine sofortige Überprüfung des Drehmoments und eine Reparatur erfordern.

Jährliche Auslöseprüfung: Überprüfen Sie mit der Testtaste des Schutzschalters oder einem externen Auslösespulen-Testgerät, ob die mechanische Auslösefunktion korrekt funktioniert. Dies testet nicht die Überlast- oder Kurzschlussauslösekalibrierung, bestätigt aber, dass der Auslösemechanismus nicht blockiert oder beschädigt ist.

Zweijährliche Kontaktwiderstandsmessung: Messen Sie bei isoliertem und verriegeltem Schutzschalter den Kontaktwiderstand mit einem digitalen Niederohm-Widerstandsmessgerät (DLRO) bei 100 A DC-Prüfstrom gemäß IEC 60947-2 Klausel 8.3.2. Der Kontaktwiderstand sollte nicht mehr als 150 % des vom Hersteller veröffentlichten Werts für einen neuen Schutzschalter betragen. Ein erhöhter Widerstand deutet auf Kontaktabtragung und eine verschlechterte Kurzschlussleistung hin.

Fünfjährige Kalibrierungsprüfung: Nach fünf Betriebsjahren oder nach jeder Fehlerstromunterbrechung, die 50 % von Ics überschreitet, sollte der Schutzschalter einer vollständigen Kalibrierungsprüfung durch ein qualifiziertes Prüflabor unterzogen werden. Dies umfasst die Überprüfung der Auslösekennlinie bei Überlast, Kurzzeit und unverzögerten Bereichen sowie die Prüfung des Kontaktwiderstands, des Isolationswiderstands und der mechanischen Lebensdauer.

Schutzschalter, die Fehlerströme unterbrochen haben, die sich ihrer Icu-Nennleistung nähern, sollten unabhängig vom äußeren Zustand sofort ausgetauscht werden. Interne Lichtbogenkammer-Schäden sind äußerlich nicht sichtbar, können aber die zukünftige Fehlerstromunterbrechungsfähigkeit beeinträchtigen.

Häufig Gestellte Fragen

F: Was ist der Hauptunterschied zwischen dem Kurzschlussstrom von PV und BESS?

A: Solare PV-Systeme sind strombegrenzte Quellen, deren Kurzschlussstrom (Isc) aufgrund der inhärenten Physik der Photovoltaikzellen typischerweise nur das 1,15- bis 1,25-fache des Nennbetriebsstroms beträgt. Batteriespeicher haben einen extrem niedrigen Innenwiderstand (2-10 mΩ pro Zelle), wodurch Fehlerströme das 10- bis 50-fache des Nennstroms erreichen können. Ein 10-kW-Solarfeld kann einen maximalen Fehlerstrom von 3 kA erzeugen, während ein 10-kWh-Batteriesystem 20 kA oder mehr liefern kann. Dieser grundlegende Unterschied erfordert, dass DC-Leistungsschalter für BESS ein Ausschaltvermögen (Icu) von 20 kA, 30 kA oder 50 kA haben, verglichen mit 6 kA oder 10 kA, die für PV-Anwendungen ausreichend sind.

F: Warum kann ich in meinem Batteriesystem keinen Standard-10-kA-MCB verwenden?

A: Ein 10-kA-Leistungsschalter ist so konzipiert und getestet, dass er unter Laborbedingungen Fehlerströme bis zu 10.000 Ampere unterbrechen kann. Batteriesysteme erzeugen aufgrund ihres geringen Innenwiderstands routinemäßig Fehlerströme von 20 kA bis 50 kA. Wenn ein 10-kA-Leistungsschalter versucht, einen 30-kA-Batteriefehler zu beheben, übersteigt die Lichtbogenenergie die thermische Kapazität der Lichtbogenkammer des Leistungsschalters, was zu einem Lichtbogenstau, Kontaktschweißen und einem potenziellen explosiven Ausfall führt. Der Leistungsschalter kann den Lichtbogen physisch nicht löschen – der Fehler besteht so lange, bis der vorgeschaltete Schutzmechanismus auslöst oder die Batterie manuell getrennt wird. Dies birgt eine erhebliche Brandgefahr und Geräteschäden, die weit über den ausgefallenen Leistungsschalter hinausgehen.

F: Was bedeutet Ics = 100 % Icu und warum ist das wichtig?

A: Icu (Ultimate Breaking Capacity) ist der maximale Fehlerstrom, den ein Leistungsschalter unterbrechen kann, ohne zu explodieren. Ics (Service Breaking Capacity) ist der Fehlerstrompegel, bei dem der Leistungsschalter mehrere Fehler unterbrechen kann und voll funktionsfähig bleibt. Viele Standard-Leistungsschalter haben Ics = 50 % von Icu, was bedeutet, dass ein 30-kA-Leistungsschalter nur zuverlässig 15-kA-Fehler wiederholt handhaben kann. Wenn er einen 25-kA-Fehler unterbricht, kann der Leistungsschalter erfolgreich sein, wird aber intern beschädigt und muss ausgetauscht werden. VIOX BESS-Leistungsschalter erreichen Ics = 100 % Icu – ein 30-kA-Leistungsschalter behält seine volle Servicefähigkeit bei, nachdem er 30-kA-Fehler mehrmals unterbrochen hat. Dies macht einen obligatorischen Austausch nach größeren Fehlerereignissen überflüssig und reduziert die Lebenszykluskosten in Batterieinstallationen erheblich, wo Schutzvorrichtungen über 20+ Jahre wiederholten Belastungen ausgesetzt sein können.

F: Wie berechne ich das erforderliche Ausschaltvermögen für mein BESS?

A: Berechnen Sie den voraussichtlichen Kurzschlussstrom mit: Isc = Vmax / (k × Rbatt/Np + Rconn), wobei Vmax die maximale Ladespannung ist, Rbatt der Innenwiderstand eines einzelnen Strangs, Np die Anzahl der parallelen Stränge, Rconn der Sammelschienen-/Verbindungswiderstand (typischerweise 15-40 mΩ) und k der Temperaturminderungsfaktor (verwenden Sie 0,7 für heißen Betrieb). Multiplizieren Sie das Ergebnis mit 2,2, um den asymmetrischen Spitzenstrom während der Fehlerinitiierung zu berücksichtigen. Der Icu-Wert des Leistungsschalters muss diesen Spitzenwert um mindestens den 1,25-fachen Sicherheitsfaktor überschreiten. Für ein 400-V-, 200-kWh-System mit 8 parallelen Strängen und einem Strangwiderstand von 250 mΩ: Isc(peak) = 2,2 × [456 V / (0,7×31,25 mΩ + 25 mΩ)] = 21,4 kA. Erforderlicher Leistungsschalter: 21,4 kA × 1,25 = 26,75 kA Minimum, spezifizieren Sie ein Gerät mit 30 kA Nennleistung.

F: Wann sollte ich in einem Batteriespeicher einen MCCB anstelle eines MCB verwenden?

A: Verwenden Sie MCCBs (Molded Case Circuit Breakers) für jede BESS-Anwendung, bei der der voraussichtliche Fehlerstrom 15 kA überschreitet oder die Systemspannung 600 VDC überschreitet. MCBs (Miniature Circuit Breakers) sind gemäß IEC 60898-1 auf ungefähr 63 A Baugröße und 20 kA maximales Ausschaltvermögen begrenzt. Sie eignen sich für Batteriesysteme im Wohnbereich unter 20 kWh bei 48 V oder 100 V. Kommerzielle und industrielle Installationen erfordern MCCBs aufgrund höherer Fehlerströme, größerer Baugrößen (125 A-2500 A) und zusätzlicher Funktionen wie einstellbare Auslöseeinstellungen, Hilfskontakte und Shunt-Auslösefähigkeit. MCCBs bieten auch ein überlegenes Lichtbogenkammer-Volumen und eine Kontaktkraft, die für die zuverlässige Unterbrechung der anhaltenden Energiefreisetzung, die für große Batteriebankfehler charakteristisch ist, erforderlich sind. Verwenden Sie niemals MCBs für den Wohnbereich in kommerziellen BESS, unabhängig davon, ob die Stromstärke übereinstimmt – das Ausschaltvermögen ist grundsätzlich unzureichend.

F: Benötige ich zusätzlich zu Leistungsschaltern auch Sicherungen für große BESS?

A: Ja, für industrielle und große kommerzielle BESS-Installationen, bei denen die voraussichtlichen Fehlerströme 50 kA überschreiten. Implementieren Sie einen koordinierten Schutz: MCCBs auf Strang-Ebene mit einer Nennleistung von 30 kA oder 50 kA, die durch HRC-Sicherungen auf Rack-Ebene mit einer Nennleistung von 300 kA oder höher gesichert sind. Der MCCB handhabt routinemäßige Überlastungen und moderate Fehler bis zu seinem Ics-Wert, ohne dass ein Austausch erforderlich ist. Die Sicherung bietet einen ultimativen Backup-Schutz bei extremen Fehlerbedingungen, die die Kapazität des Leistungsschalters überschreiten. Eine ordnungsgemäße Zeit-Strom-Kurven-Koordinierung stellt sicher, dass der Leistungsschalter zuerst bei Fehlern innerhalb seiner Nennleistung arbeitet, während die Sicherung nur bei katastrophalen Ereignissen arbeitet. Diese Strategie reduziert die Wartungskosten (Sicherungen arbeiten selten) und gewährleistet gleichzeitig einen umfassenden Schutz über den gesamten Fehlerstrombereich. Für Systeme unter 50 kA voraussichtlichem Fehlerstrom sind ordnungsgemäß dimensionierte MCCBs allein ausreichend – das Hinzufügen von Sicherungen erhöht die Kosten ohne Sicherheitsvorteil.

Fazit

Die weitverbreitete Einführung von Batteriespeichern hat eine kritische Schutzherausforderung mit sich gebracht, die Ingenieure mit geeigneter Technologie angehen müssen: Standard-DC-Leistungsschalter, die für solare PV-Anwendungen entwickelt wurden, versagen katastrophal, wenn sie in BESS-Installationen eingesetzt werden. Der grundlegende Unterschied liegt in den Fehlerstromeigenschaften – Solarmodule liefern Kurzschlussströme, die auf etwa das 1,25-fache des Nennstroms begrenzt sind, während Batteriebanken mit Innenwiderständen im Milliohm-Bereich Fehlerströme erzeugen, die das 10- bis 50-fache des Nennstroms betragen.

Ein ordnungsgemäßer BESS-Schutz erfordert Leistungsschalter mit einem Ausschaltvermögen (Icu) von 20 kA, 30 kA oder 50 kA, abhängig von Systemgröße, Spannung und paralleler Konfiguration. Ebenso wichtig ist der Service-Ausschaltvermögenswert (Ics), der bestimmt, ob der Leistungsschalter nach der Unterbrechung größerer Fehler funktionsfähig bleibt. VIOX BESS-Leistungsschalter erreichen Ics = 100 % Icu, wodurch die obligatorische Austauschpflicht entfällt, die bei Standard-Industrie-Leistungsschaltern nach Fehlerereignissen üblich ist.

Die Unterdimensionierung von Leistungsschaltern in Batteriespeichersystemen ist keine Frage reduzierter Zuverlässigkeit oder erhöhter Wartungskosten – sie schafft unmittelbare Brandgefahren und katastrophale Ausfallmodi. Ein 10-kA-Leistungsschalter, der versucht, einen 30-kA-Batteriefehler zu beheben, kann den Lichtbogen nicht löschen. Das Ergebnis ist eine anhaltende Fehlerstromlieferung, die thermische Zerstörung benachbarter Geräte und eine potenzielle thermische Durchgangsausbreitung über Batterieracks.

Ingenieure, die den BESS-Schutz spezifizieren, müssen genaue Fehlerstromberechnungen durchführen, die die Batteriechemie, den Innenwiderstand, die parallele Konfiguration, den Verbindungswiderstand und die Temperatureffekte berücksichtigen. Wählen Sie Leistungsschalter mit einer Sicherheitsmarge von mindestens dem 1,25-fachen über dem berechneten Spitzenfehlerstrom, nachdem alle Minderungsfaktoren angewendet wurden. Implementieren Sie für kommerzielle und industrielle Installationen einen MCCB-Schutz auf Strang-Ebene, der durch HRC-Sicherungen auf Rack-Ebene gesichert ist, um einen umfassenden Schutz über den gesamten Fehlerstrombereich zu gewährleisten.

VIOX Electric bietet komplette BESS-Schutzlösungen mit technischer Unterstützung für Fehlerstromanalysen, Leistungsschalterauswahl und Koordinationsstudien. Unsere BESS-Produkte entsprechen den Normen IEC 60947-2, UL 1077 und UL 489 und bieten das hohe Ausschaltvermögen, die bidirektionale Lichtbogenlöschung und die thermische Stabilität, die für einen zuverlässigen Batteriesystemschutz unerlässlich sind.

Kontaktieren Sie VIOX Engineering noch heute für eine kostenlose BESS-Schutzsystem-Designberatung und stellen Sie sicher, dass Ihre Batteriespeicherinstallation die Sicherheit und Zuverlässigkeit erreicht, die Ihre Investition erfordert.