In einer Welt, die zunehmend auf erneuerbare Energien und digitale Technologien setzt, steigen die Anforderungen an elektrische Verbindungen kontinuierlich. Innovative Lösungen für Hochstromanwendungen sind nun gefragt. Modulare Steckverbinder bieten eine leistungsfähige und flexible Alternative zu traditionellen Systemen. Die Idee der All Electric Society beschreibt eine Zukunft, in der Energie nahezu ausschließlich aus erneuerbaren CO2-neutralen Quellen stammt. Für diese Transformation steigt der Bedarf an elektrischer Energie kontinuierlich: sowohl im Wechselstrom- (AC) als auch im Gleichstrombereich (DC). Dies erfordert nicht nur eine massive Erhöhung der elektrischen Energieerzeugung, sondern auch deren effiziente Verteilung und Speicherung. Neue Lösungen für Hochstromanwendungen bilden die Grundlage für leistungsstarke Infrastrukturen in Industrie, Mobilität und Energieversorgung.

Mit dem Ausbau erneuerbarer Energien entstehen neue Herausforderungen: Photovoltaikanlagen und Windparks speisen hohe Ströme in das Netz ein. Batteriespeichersysteme müssen diese Energien puffern und bei Bedarf einspeisen. Gleichzeitig gewinnen Power-to-X-Anwendungen immer mehr an Bedeutung. Auch die Digitalisierung trägt zu steigenden Strombedarfen bei, da für KI-Anwendungen und Cloud-Dienste große Energiemengen benötigt werden. In diesem Zusammenhang gewinnt der Steckverbinder als zentrale Schnittstelle für Strom und Datenübertragung immer mehr an Bedeutung. Die Anforderungen an Steckverbinder in Hochstromanwendungen steigen kontinuierlich. Sie müssen hohe Ströme sicher und zuverlässig übertragen und gleichzeitig die Anforderungen an Miniaturisierung, Thermomanagement, elektromechanische Verträglichkeit und Datenintegrität erfüllen. 

Hochstrom-Steckverbinder im Einsatz in Rechenzentren

Heutige Hochstromanwendungen stellen vielfältige Ansprüche an die Energieverteilung und -übertragung. Diese Anforderungen lassen sich auf die Steckverbinder übertragen und variieren je nach Einsatzbereich. Cloud-Computing und KI boomen. Rechenzentren sind einer der am schnellsten wachsenden Sektoren mit sehr hohem Verbrauch von elektrischer Energie. Schon heute verbrauchen Rechenzentren in etwa so viel Strom wie ganz Deutschland. In den nächsten fünf Jahren wird sich dieser Wert voraussichtlich verdoppeln. 

Innerhalb der Rechenzentren gibt es diverse Anwendungsfelder, in denen aufgrund modularer Bauweise und verkürzter Bauzeiten Steckverbinder notwendig sind. Besonders energieintensiv sind hier die Bereiche Heizung, Lüftung, Klimatisierung und Kühlung sowie Notstromversorgung und Energiebereitstellung. Eine zentrale Komponente in einem Rechenzentrum ist die PDU (Power Distribution Unit). Der Stromverbrauch wird über die PDU erfasst und optimiert. Anschließend verteilt das System den Strom an weitere Geräte wie Server, Router oder Switches. Angesichts des enormen Strombedarfs muss die Strombelastbarkeit pro Leiter maximiert werden. Daher werden Steckverbinder benötigt, die nicht nur die erforderliche Stromstärke pro Kontakt gewährleisten, sondern auch die mechanische Belastung durch die dicken Leitungen aushalten.

Phoenix Contact hat darauf mit einer Reihe von Hochleistungssteckverbindern reagiert, die die Installation und Wartung von Stromverteilungssystemen vereinfachen. Vor allem das weit verbreitete CEE-Stecksystem stößt mit seinen unhandlichen Abmessungen an seine Grenzen. Der dargestellte Vergleich hebt die Vorteile von schweren Steckverbindern gegenüber CEE deutlich hervor. (Bild 3) Der Hochleistungssteckverbinder von Phoenix Contact benötigt nur ein Drittel der Fläche, besitzt aber eine um 58 Prozent höhere Stromtragfähigkeit. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist der Verlustwiderstand, der um bis zu 62 Prozent geringer ist als beim CEE-Stecker. Dadurch sinken die Stromkosten doppelt. Erstens werden Stromverluste reduziert. Zweitens ist weniger Kühlleistung erforderlich.

Weitere Anwendungsbereiche für Hochstrom-Steckverbinder

• Erneuerbare Energieerzeugung und -verteilung: Photovoltaik- und Windenergieanlagen speisen hohe elektrische Ströme in das Netz ein, zum Beispiel erzeugt eine Zehn-Kilowatt-PV-Anlage Stromstärken bis zu 42 Ampere. Steckverbinder müssen hier sowohl für DC- als auch AC-Umgebungen ausgelegt sein und gleichzeitig hohe Umweltanforderungen erfüllen. Dazu gehört die Beständigkeit gegen UV-Belastung sowie Feuchtigkeit und Staub (IP-Schutzklassen). Luft- und Kriechstrecken sowie Berührschutz sind essenziell.
• Batteriespeichersysteme: Stationäre und mobile Batteriespeichersysteme puffern Energie meist aus erneuerbaren Quellen und speisen sie bedarfsgerecht in das Netz. Um Energieverluste möglichst gering zu halten, müssen Steckverbinder in diesen Systemen hohe Lade- und Entladeströme sicher übertragen, thermisch stabil sein und geringe Übergangswiederstände aufweisen.
• Power-to-X: Power-to-X umfasst alle Technologien, die elektrische Energie in andere Energieformen wie Wasserstoff, Methan oder Wärme umwandeln. Diese Prozesse sind komplex und sicherheitskritisch. Steckverbinder in diesem Anwendungsbereich müssen nicht nur hohe Dauerstrombelastung tragen, sondern auch mechanisch robust, vibrationsfest, korrosions- und temperaturbeständig sein. Zudem sind eine zuverlässige Verriegelung und ein Berührschutz wichtig.

Grenzen traditioneller Steckverbinder

Die Anforderungen an die Steckverbinder variieren je nach Einsatzbereich. Sie weisen jedoch gemeinsame Merkmale auf, die von traditionellen Steckverbindern wie dem CEE-Steckverbinder nicht mehr erfüllt werden. Mit der sperrigen Bauform und begrenzten Flexibilität ist er für viele Anwendungen nicht mehr geeignet. Besonders in Bezug auf die Entwicklung der Leistungsniveaus von Hochenergie und Hochstromanwendungen wird deutlich, dass für die Anwendungen der Zukunft neue Konzepte gefragt sind.

Die Entwicklung der Stromspitzen für Hochenergieanwendungen zeigt auf, dass den Steckverbindern eine steile Entwicklungskurve bevorsteht. Ein zukunftssicherer Steckverbinder für Hochstromanwendungen muss auf diese schnelle und steile Entwicklung vorbereitet sein. Phoenix Contact bietet mit dem System Heavycon Modular eine leistungsfähige Alternative zu traditionellen Steckverbindern. Das modulare System ermöglicht die individuelle Kombination von Power-, Daten- und Signalmodulen, um einen individuell auf die Applikation zugeschnittenen Steckverbinder zu erstellen.

Datenmodule, Signalmodule und Power-Module bis 300 Ampere

Module wie MBit, GBit, USB und RJ45 ermöglichen die zuverlässige Datenübertragung in industriellen Anwendungen wie:

• Bildverarbeitung und Robotik,
• Maschinensteuerung,
• cloudbasierte Dienste
• Kommunikation zwischen Servern, Workstations und Speicherlösungen 

Für die Kommunikation mit Feldgeräten wie Sensoren und Aktoren stehen robuste Signalmodule zur Verfügung, die auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten.

Die größte Innovation besteht im Bereich der Power-Module. Während der klassische CEE-Stecker bis zu 125 Ampere überträgt, ermöglichen die neuen Power-Module von Phoenix Contact Stromtragfähigkeiten von bis zu 300 Ampere, und das bei einer kompakten Bauform.

Die Stromtragfähigkeit beträgt bei Single-Modulen mit Push-in-Anschluss 76 Ampere. Bei Single-Modulen mit Crimpanschluss liegt sie bei 100 Ampere. Doppelmodule mit Crimpanschluss erreichen bis zu 300 Ampere. Ein großer Vorteil ist die werkzeuglose Montage und Demontage der Module und Leitungen. Die Module lassen sich werkzeuglos in den Modulträgerrahmen montieren, die bekannte Federmontage sorgt für eine stabile, vibrationssichere Fixierung. Die Leitungen lassen sich mit der bekannten Push-in Technology komfortable und werkzeuglos in die Module installieren.

Die neuartige Rastfunktion der Crimpmodule ermöglicht eine einfache Montage durch Einführen der Leitungen in das Modul. Die Rastnasen halten den Crimpkontakt in Position. Eine einfache Demontage der Leitungen wird durch die Entriegelungshebel oder das Drehen des Moduloberteils um 45 Grad ermöglicht. Ein entscheidender Vorteil des Systems Heavycon Modular ist seine Erweiterbarkeit. Neue Module lassen sich jederzeit in das Portfolio integrieren. Rahmen und Gehäuse können weiterhin verwendet werden. Dies erleichtert die Planung und Skalierung elektrischer Infrastruktur erheblich.

Fazit über Steckverbinder für Hochstromanwendungen

Die All Electric Society stellt neue Anforderungen an die elektrische Infrastruktur, insbesondere an Steckverbinder für Hochstromanwendungen. In Bereichen wie erneuerbare Energien, Batteriespeicher, Datenzentren und Power-to-X-Anwendungen sind modulare Steckverbinder bereits heute eine leistungsfähige Alternative zu etablierten Lösungen wie dem CEE-Stecker. Ihre Anpassbarkeit, hohe Stromtragfähigkeit und modulare Bauweise machen sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil zukünftiger Energiesysteme. Für Planer und Entwickler bieten sie Sicherheit und Flexibilität: Mit neuen Modulen können bestehende Systeme jederzeit erweitert und an neue Anforderungen angepasst werden. Ein entscheidender Vorteil in einer Welt, in der der Energiebedarf weiter steigt.

Autoren

Norman Schlebusch und Jonas Bruhn
beide Produktmanager Produktmarketing Field Connectivity, Phoenix Contact