Des Kabels Unterschied

DC-Leitungen Im Wettbewerb zwischen Gleich- und Wechselstromnetzen Ende des 19. Jahrhunderts hat sich der Wechselstrom als Versorgungslösung durchgesetzt. Mit der Energiewende mischen sich die Karten neu. Aber sind AC-Kabel für den DC-Strom geeignet?

18. Juni 2019
Des Kabels Unterschied
Gleichspannungsnetze könnten im industriellen Umfeld als energiesparende Alternative insbesondere für Antriebe in der Produktion etabliert werden. (Bild: Lapp)

Die Energieversorgung mit Gleichspannung (DC) ist ein wichtiger Aspekt, wenn die Energiewende wirklich erfolgreich sein soll. Denn dort geht es eben nicht nur um das Erzeugen möglichst großer Mengen regenerativer Energien wie Solar- und Windstrom. Oft übersehene Potenziale für die Umstellung auf eine nachhaltige Energieversorgung liegen auch in der Einsparung von Energie. Hier kann Gleichstrom einen Beitrag leisten, da Verluste beim Umwandeln zwischen Wechselstrom (AC) und Gleichstrom wegfallen.

In der Automobilindustrie gibt es bereits Pilotprojekte, um ganze Fertigungseinheiten nur mit DC zu versorgen. Diese Konzepte enthalten auch Batterien zum kurzzeitigen Speichern von Energie. Eine Versorgung mit Gleichstrom wäre außerdem die ideale Voraussetzung, damit Antriebe beim Bremsen Energie in ein DC-Netz zurückspeisen können. Wie bei Elektro- oder Hybrid-Autos würde diese Energie in Batterien gespeichert, bis der Antrieb wieder beschleunigt. Oder diese zwischengespeicherte Energie wird genutzt, um Verbraucher mit hohem Leistungsbedarf, zum Beispiel beim Schweißen, zu versorgen. Die Betriebe könnten damit Lastspitzen kappen und müssten nicht kurzzeitig hohe Energiemengen aus dem Netz beziehen, was die Kosten reduziert. Nicht nur die Industrie, auch Haushalte könnten profitieren.

Forschung am DC-Netz

Viele elektrische Verbraucher von der LED-Leuchte bis zum Elektroauto konsumieren eigentlich Gleichstrom. Dieser muss bisher aus dem Wechselstrom umgewandelt werden, der über das Stromnetz mithilfe der Steckdose zum Verbraucher gelangt. Hinzu kommt, dass in das zunehmend dezentral organisierte Stromnetz immer mehr Anlagen einspeisen, die Gleichstrom erzeugen – allen voran die Photovoltaik. Dieser Strom muss vor der Einspeisung ins Netz wieder in Wechselstrom gewandelt werden.

Die Umstellung der Industrie auf Gleichspannungsversorgung hat also ein hohes Einsparpotenzial. Doch noch sind Fragen offen, zum Beispiel: Eignen sich Wechselstrom-Leitungen auch für Gleichstrom? Dieser Frage geht zum Beispiel Lapp in Forschungsprojekten nach. Der Hersteller von integrierten Kabel- und Verbindungssystemen ist assoziierter Partner im Forschungsprojekt DC-Industrie. Das Projekt beschäftigt sich mit der Frage, wie Gleich- spannungsnetze mit einer zentralen Wandlung als energiesparende Alternative insbesondere für Antriebe in der Produktion etabliert und wie regenerative Energien besser eingebunden werden können.

Lapp nimmt an dem Projekt teil, um Fragen nachzugehen, die sich damit beschäftigen, inwieweit bestimmte Leitungstypen für Gleichspannung geeignet sind und um Leitungen zu entwickeln, die sich für die DC-Vernetzung eignen. Eine Frage, die bisher noch nicht diskutiert wurde, ist laut Lapp: Eignen sich Wechselspannungsleitungen der Niederspannung auch für Gleichspannung? Dazu habe es bisher keinerlei Forschungsergebnisse gegeben – vermutlich deshalb, weil die meisten Experten der Meinung waren, dass dies ohne Weiteres möglich sei. Langzeittests der Forschungsgruppe im Fachgebiet ›Elektrische Geräte und Anlagen‹ an der Technischen Universität Ilmenau von Professor Frank Berger belegen nun erstmals, dass dies ein Irrtum ist.

Hohe Ausfallrate

Über einen Zeitraum von 2.590 Stunden hat Bergers Team Einzeladern mit verschiedenen Isolationsmaterialien in einem Wasserbad bei 80 Grad Celsius mit ein Kilovolt Gleichspannung belastet, um die Auswirkungen im Zeitraffer nachzuvollziehen. Von den 238 Prüflingen fielen unter DC-Belastung 44 Prozent aus, bei AC-Belastung war es nur ein Prüfling. Besonders betroffen waren Leitungen mit PVC-Isolation – hier fielen alle Prüflinge aus. Ebenfalls hoch war die Ausfallrate bei Isolierung mit Polyolefin, während Leitungen mit TPE-Isolierung die Prüfung sehr gut meisterten. Ursachen der Defekte waren in einem Drittel der Fälle Isolationsfehler. Dies liegt vor, wenn der Isolationswiderstand unter eine kritische Marke von zehn Megaohm fällt. Bei zwei Dritteln der Defekte kam es zu einem Durchschlag der Isolierung. Die Prüfapparaturen sowie die Leitungen wurden von Lapp zur Verfügung gestellt.

Lapp hat zudem schon verschiedene DC-Leitungen entwickelt. Die erste Leitung auf dem Markt eigens für Gleichstrom ist laut dem Hersteller die Ölflex DC 100. Die Farbcodierung der Adern folgt der im Februar 2018 aktualisierten Norm DIN EN 60445 (VDE 0197):2018–02 für Gleichstromleitungen: rot, weiß und grün-gelb. Die Isolation der Adern besteht aus Spezial-PVC, der Mantel ist aus PVC. Weitere Leitungen sind die Ölflex DC Servo 700, eine DC-Anschlussleitung mit Isolierung aus Spezial-PVC, sowie die Ölflex DC Chain 800 für die dauernde Bewegung in Energieführungsketten mit einer Isolierung aus TPE.

Außerdem hat der Hersteller mit der Ölflex DC 100 Hybrid eine Leitung für das DC-Industrie-Konsortium entwickelt. Die DC-Hybridleitung enthält zwei Adern zur Leistungsübertragung plus einen Schutzleiter, eine Cat.6A-Datenleitung mit vier geschirmten Aderpaaren – zwei Adern für Safe Torque Off (Not-Aus) sowie ein Steuerpaar mit 24 Volt für die Bremse.

Alterung im Spannungsfeld

Die Forschungsergebnisse von Professor Berger und seinem Team zeigen auch, dass ein Gleichspannungsfeld eine andere Wirkung auf das Alterungsverhalten von Isolationsmaterialien hat als ein Wechselspannungsfeld. Viele Experten hatten das bisher bestritten. Um hier zu belastbaren Aussagen zu kommen, bedarf es weiterer Forschung. Zum einen plant Berger Alterungstests, die ohne Wasserbad auskommen, die dann allerdings länger dauern müssten. Zum anderen möchte er verstehen, was chemisch und physikalisch im Kunststoff stattfindet. Der Abbau des Polymers oder das Aufquellen im Wasser sowie das Herauslösen von Additiven oder die Bildung von ›Water Trees‹ könnten mögliche Ursachen sein. Bis dazu belastbare Daten vorliegen, gibt es keinen Grund, auf Leitungen mit PVC-Isolation in Gleichspannungsanwendungen zu verzichten, stellt Lapp heraus. Voraussetzung sei allerdings, dass diese Leitungen fest, also ohne Bewegung, sowie ohne mechanische Belastung etwa durch zu enge Biegeradien verlegt werden. Außerdem sollte die Umgebung stets trocken sein. Sind diese Voraussetzungen nicht gegeben, etwa im bewegten Einsatz in Energieketten, können Anwender auf andere Isolationsmaterialien ausweichen, rät das Unternehmen. So hat TPE in den Prüfungen im Wasserbad gut abgeschnitten.

Erschienen in Ausgabe: 04/2019
Seite: 40 bis 41