Einführung in die Welt
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Bewährte Vakuum-Schalttechnik von Siemens erfüllt alle Anforderungen, die an Leistungsschalter und Schütze in Mittelspannungs-Schaltanlagen bis 40,5 kV gestellt werden. 2 Inhaltsverzeichnis Mittelspannungs-Komponenten im Überblick Schaltgeräte Nicht schaltende Komponenten Auswahl der Komponenten nach Schaltfällen bei ungestörtem Betrieb bei gestörtem Betrieb Auswahl der Komponenten nach Bemessungsgrößen Normen Mittelspannungskomponenten im Detail Vakuum-Schalttechnik 4 6 8 10 Vakuum-Leistungsschalter Anwendung Schaltaufgaben Ausführungen Portfolio 12 Freiluft-Vakuum-Leistungsschalter Anwendung Schaltaufgaben Portfolio 16 Vakuum-Lastschalter Anwendung Schaltaufgaben Portfolio 18 Vakuum-Schütze Anwendung Schaltaufgaben Portfolio 20 Trennschalter Anwendung Schaltaufgaben Portfolio 22 Lasttrennschalter Anwendung Löschprinzip Portfolio 23 Erdungsschalter Anwendung Portfolio 24 Sicherungen Anwendung Portfolio 25 Wandler Anwendung Portfolio 26 Überspannungsableiter und -begrenzer Anwendung Portfolio 27 Als Mittelspannung bezeichnet man den Bereich über 1 kV bis einschließlich 52 kV (Wechselspannung). Es handelt sich um einen Teil der Hochspannung, da es nach internationalen Regeln zunächst nur zwei Spannungs-Ebenen gibt: Niederspannung bis einschließlich 1 kV Wechsel- bzw. 1,5 kV Gleichspannung und Hochspannung größer 1 kV Wechsel- bzw. 1,5 kV Gleichspannung. Spannungsebenen vom Erzeuger zum Verbraucher Niederspannung Hochspannung Mittelspannung 1 kV < U ≤ 52 kV 0 2 1 kV 52 kV Wechselspannung Einführung in die Welt der Mittelspannungskomponenten Mit Hochspannung wird elektrische Energie über sehr große Entfernungen transportiert und regional bis in die Lastschwerpunkte verteilt. Für Transport und Ver teilung der Energie haben sich unterschiedlich hohe Spannungen etabliert, so dass sich daraus der Begriff der Mittelspannung für die Energieverteilung abgeleitet hat. Kraftwerksstandorte richten sich nach der Verfügbarkeit von Primärenergiequellen, Kühlanlagen und anderen Umgebungsbedingungen und stehen deshalb meistens abseits der Verbrauchszentren. Die elektrischen Übertragungs- und Verteilungsnetze verbinden nicht nur Kraftwerke und Stromverbraucher sondern bilden auch ein überregionales Rückgrat mit Reserven für die Versorgungssicherheit und für den Ausgleich von Lastunterschieden. Um bei der Energieübertragung die Verluste gering zu halten, bevorzugt man hohe Betriebsspannungen (und damit kleinere Ströme). Erst in den Lastzentren nahe am Verbraucher wird die Spannung auf die im Niederspannungsnetz üblichen Werte herunter transformiert, mit denen die meisten elektrischen Geräte in Haushalt, Gewerbe- und Industrieanwendungen arbeiten. In der öffentlichen Elektrizitätsversorgung wird der größte Teil der Mittelspannungsnetze zwischen 10 kV und 40 kV betrieben. Die Werte sind in den einzelnen Ländern sehr unterschiedlich, bedingt durch die historische Entwicklung der Technik und die örtlichen Gegebenheiten. Der räumliche Versorgungsradius eines Mittelspannungsnetzes liegt in der Stadt mit 10 kV Betriebsspannung bei etwa 5 bis 10 km, und im ländlichen Bereich mit 20 kV Betriebsspannung bei etwa 10 bis 20 km. In der Praxis hängt der Versorgungsbereich sehr stark von örtlichen Einflüssen ab; z.B. von der Abnehmerstruktur (Last) und der geographischen Lage. In Industriebetrieben mit Mittelspannungsnetzen gibt es – abgesehen von der öffentlichen Einspeisung – noch andere Spannungen, die sich nach den Verbrauchern richten; meistens sind die Betriebsspannungen der installierten Motoren maßgebend. Sehr häufig sind in Industrienetzen Betriebsspannungen zwischen 3 kV und 15 kV zu finden. Mittelspannungsgeräte findet man demzufolge in Kraftwerken (bei Generatoren und Eigenbedarfsanlagen), in Umspannanlagen (öffentlicher Netze oder großer Industriebetriebe) der primären Verteilung – in denen die Energie aus dem Hochspannungsnetz eingespeist und auf Mittelspannungsniveau transformiert wird – und in Ortsnetz-, Transformator- oder Übergabestationen (sekundäre Verteilebene) in denen die Energie von Mittel- auf Niederspannung transformiert und zum Endverbraucher verteilt wird. 3 Mittelspannungs-Komponenten im Überblick Schaltgeräte Leistungsschalter (siehe Seite 12) Leistungsschalter müssen alle Ströme im Rahmen ihrer Bemessungswerte ein- und ausschalten; von kleinen induktiven und kapazitiven Lastströmen bis zum Kurzschlussstrom; und das unter allen Fehlerbedingungen im Netz, wie Erdschluss, Phasenopposition usw. Freiluft-Leistungsschalter haben die gleichen Einsatzbereiche, sind jedoch den Witterungseinflüssen ausgesetzt. Lastschalter (siehe Seite 18) Lastschalter müssen Betriebsströme bis zu ihrem Bemessungsbetriebsstrom ein- und ausschalten und auf bestehende Kurzschlüsse (bis zu ihrem BemessungsKurzschlusseinschaltstrom) einschalten können. Sie können aber keine Kurzschlussströme ausschalten. Trennschalter (siehe Seite 22) Trennschalter dienen zum strom- oder spannungslosen Ein- und Ausschalten. Ihre Aufgabe ist, nachgeschaltete Betriebsmittel „freizuschalten“, um an diesen arbeiten zu können. Lasttrennschalter (siehe Seite 23) Unter Lasttrennschalter ist die Kombination aus Lastschalter und Trennschalter oder Lastschalter mit Trennstrecke zu verstehen. Erdungsschalter (siehe Seite 24) Erdungsschalter erden freigeschaltete Stromkreise. Einschaltfeste Erdungsschalter erden auf gefahrlose Weise Stromkreise, auch bei anstehender Spannung, d.h. auch für den Fall, dass der zu erdende Stromkreis versehentlich nicht freigeschaltet war. Schütze (siehe Seite 20) Schütze sind Lastschaltgeräte mit begrenztem Einschalt- und Ausschaltvermögen. Sie werden bei großer Schalthäufigkeit eingesetzt, können jedoch Kurzschlussströme weder ein- noch ausschalten. Schaltgeräte sind Geräte zum Verbinden (Einschalten) oder Unterbrechen (Ausschalten) von Stromkreisen. Beanspruchungen Stromloses Schalten Schalten von Betriebsströmen Schalten von Kurzschlussströmen Anforderungen Im geschlossenen Zustand soll das Schaltgerät dem Fließen von Betriebs- und Kurzschlussströmen einen möglichst kleinen Widerstand bieten. Im geöffneten Zustand muss die offene Schaltstrecke die an ihr auftretenden Spannungen sicher aushalten. 4 Alle unter Spannung stehende Teile müssen bei offenem oder geschlossenem Schaltgerät ausreichend gegen Erde und von Phase zu Phase isoliert sein. Das Schaltgerät soll den Stromkreis bei anstehender Spannung schließen können. Bei Trennern fordert man diese Bedingung allerdings nur für den stromlosen Zustand, abgesehen von kleinen Ladeströmen. Das Schaltgerät soll den Stromkreis bei fließendem Strom öffnen können. Diese Forderung wird für Trenner nicht erhoben. Das Schaltgerät soll möglichst niedrige Schaltüberspannungen verursachen. Nicht schaltende Komponenten Sicherungen (siehe Seite 25) Sicherungen bestehen aus Sicherungsunterteil und Sicherungseinsatz. Mit dem Sicherungsunterteil kann bei stromlosem Ziehen des Sicherungseinsatzes (wie beim Trenner) eine Trennstrecke hergestellt werden. Der Sicherungseinsatz dient zum einmaligen Ausschalten eines Kurzschlussstromes. Wandler (siehe Seite 26) Wandler sind elektrische Betriebsmittel, die Betriebsströme und -spannungen in proportionale und phasengetreue Messgrößen umwandeln, die für die angeschlossenen Geräte – Messinstrumente, Zähler, Schutzrelais und ähnliches – geeignet sind. Überspannungsableiter / -begrenzer (siehe Seite 27) Überspannungsableiter und -begrenzer schützen Geräte und Anlagen durch Ableiten von Überspannungen durch Blitzeinschlag, Schaltvorgängen oder bei Erdschlüssen. 5 Auswahl der Komponenten nach Schaltfällen Schaltfälle bei ungestörtem Betrieb 6 1 Diese Spalte nennt Richtwerte für die bei den einzelnen Schaltfällen auftretenden Leistungsfaktoren. 2 Diese Spalte nennt Ströme, die im ungünstigsten Fall ein- oder ausgeschaltet werden müssen bei: – Überlasteten und belasteten Transformatoren: Hierzu gehören nicht Transformatoren mit speziellen Lasten, wie Motoren, Generatoren, Stromrichter und Lichtbogenöfen. – Erdschlussspulen: Im Erdschlussfall kann bei ausgeschaltetem Schaltgerät die volle Betriebsspannung an der offenen Schaltstrecke auftreten. – Kompensationsspulen: Wegen der hohen Einschwingfrequenz von Kompensationsspulen sind hohe Steilheiten der Einschwingspannung zu erwarten. – Motoren: Bei häufig geschalteten Motoren ist es wirtschaftlicher, Schütze anstelle von Leistungs- oder Lastschaltern einzusetzen. – Generatoren: Generatoren verhalten sich grundsätzlich wie eine Induktivität, unabhängig davon, ob sie über- oder untererregt betrieben werden. – Filterkreise: Kondensatoren mit Strombegrenzungsdrosseln stellen auch Filterkreise dar. 3 Diese Spalte nennt die jeweils auftretenden Hauptprobleme. Ist hier nichts angegeben, so ist dieser Schaltfall für die zu verwendenden Schaltgeräte problemlos. 4 Diese Spalte gibt allgemeine Hinweise, welche Maßnahmen bei der Anwendung zu beachten sind. Schaltfälle bei gestörtem Betrieb 1 Diese Spalte nennt Richtwerte für die bei den einzelnen Schaltfällen auftretenden Leistungsfaktoren. 2 Diese Spalte nennt Ströme, die im ungünstigsten Fall ein- oder ausgeschaltet werden müssen bei transformatorgespeistem Kurzschluss: Gilt für alle Transformatoren unabhängig von der Last. 3 Diese Spalte nennt die jeweils auftretenden Hauptprobleme. Ist hier nichts angegeben, so ist dieser Schaltfall für die zu verwendenden Schaltgeräte problemlos. 4 Diese Spalte gibt allgemeine Hinweise, welche Maßnahmen bei der Anwendung zu beachten sind. Abkürzungen und Formelzeichen für Seiten 6 und 7 Einsatz der Komponente sinnvoll Einsatz der Komponente nicht sinnvoll Ian I“k Ima Ir Isc Motoranlaufstrom Anfangskurzschlusswechselstrom Bemessungs-Kurzschlusseinschaltstrom Bemessungs-Betriebsstrom Bemessungs-Kurzschlussausschaltstrom 7 Auswahl der Komponenten nach Bemessungsgrößen Schaltgeräte und alle übrigen Betriebsmittel müssen für die am jeweiligen Einsatzort vorliegenden Netzdaten ausgelegt werden. Diese Netzdaten bestimmen die Bemessungsgrößen der Komponenten. Einfluss auf Auslegung der Komponente Kein Einfluss auf Auslegung der Komponente 8 1) Begrenztes Kurzschlusseinschaltvermögen 2) Bemessungs-Ableitstoßstrom bei Ableitern 3) Kurzschlussstromfestigkeit im Fall der Überlastung bei Ableitern Bemessungs-Isolationspegel Bemessungs-Spannung Der Bemessungs-Isolationspegel ist das Isoliervermögen von Leiter gegen Erde, zwischen den Leitern und über die geöffnete Schaltstrecke, bzw. über die Trennstrecke. Das Isoliervermögen ist die Fähigkeit eines Betriebsmittels, allen Spannungen von gegebenem zeitlichen Verlauf bis zur Höhe der jeweiligen Stehspannung standzuhalten. Das können betriebs- oder höherfrequente Überspannungen sein, verursacht durch Schaltvorgänge, Erdschlüsse (innere Überspannungen) oder Blitze (äußere Überspannungen). Das Isoliervermögen wird durch eine Blitzstoßspannungsprüfung mit der Normstoßwelle 1,2 / 50 µs und eine Wechselspannungsprüfung (50 Hz / 1 min) nachgewiesen. Die Bemessungs-Spannung ist die obere Grenze der höchsten Netzspannung, für welche das Gerät bemessen ist. Da alle Hochspannungsschaltgeräte Nullpunktlöscher sind – mit Ausnahme von einigen Sicherungen –, ist die Netzspannung das wichtigste Dimensionierungskriterium. Sie bestimmt die dielektrische Beanspruchung des Schaltgeräts durch Einschwing- und Wiederkehrspannung, besonders beim Ausschalten. Bemessungs-Betriebsstrom Der Bemessungs-Betriebsstrom ist der Strom, den die Hauptstrombahn eines Gerätes unter definierten Bedingungen dauernd führen kann. Die Erwärmung von Bauteilen – besonders von Kontakten – darf festgelegte Werte nicht überschreiten. Zulässige Übertemperaturen beziehen sich immer auf die Umgebungstemperatur. Ist ein Gerät in eine Kapselung eingebaut, darf es möglicherweise nicht mit seinem vollen Bemessungsstrom belastet werden, je nach Güte der Verlustwärmeabfuhr. Bemessungs-Stoßstrom Bemessungs-Kurzschlussausschaltstrom Der Bemessungs-Stoßstrom ist der Scheitelwert der ersten großen Teilschwingung des Kurzschlussstromes während eines Ausgleichsvorganges nach Stromflussbeginn, den das Gerät in geschlossenem Zustand führen kann. Er ist ein Maß für die elektrodynamische (mechanische) Belastung eines Betriebsmittels. Für Geräte, die volles Einschaltvermögen haben, ist diese Größe ohne Bedeutung (siehe Bemessungs-Kurzschlusseinschaltstrom). Der Bemessungs-Kurzschlussausschaltstrom ist der Effektivwert des Ausschaltstroms bei einem Kurzschluss an den Anschlüssen des Schaltgerätes. Bemessungs-Ausschaltstrom Bemessungs-Kurzschlusseinschaltstrom Der Bemessungs-Kurzschlusseinschaltstrom ist der Scheitelwert des Einschaltstroms bei einem Kurzschluss an den Anschlüssen des Schaltgerätes. Die Beanspruchung ist härter als beim Bemessungs-Stoßstrom, weil dynamische Kräfte u.U. der Bewegung der Schaltstücke entgegenwirken. Der Bemessungs-Ausschaltstrom ist der Lastausschaltstrom im Normalbetrieb. Für Geräte, die volles Ausschaltvermögen und keinen kritischen Strombereich haben, ist diese Größe ohne Bedeutung (siehe Bemessungs-Kurzschlussausschaltstrom). Normen Die Schaltgeräte und nicht schaltenden Komponenten unterliegen nationalen und internationalen Vorschriften. Die nachfolgende Auflistung zeigt die verschiedenen Normen auf und stellt ihre internationalen und nationalen Entsprechungen gegenüber. Die Nummern der Normen für Schaltgeräte und Schaltanlagen werden sich in den nächsten Jahren ändern oder haben sich teilweise schon geändert. IEC fasst in Zukunft alle Normen eines Komitees unter einer Gruppennummer zusammen, womit sich die Normen eines Fachgebietes leicht finden lassen. 9 Mittelspannungskomponenten im Detail Vakuum-Schalttechnik Anschlussscheibe Isolator Feststehendes Schaltstück Bewegbares Schaltstück Schaltkammer Metallfaltenbalg Führung Antriebs- und Anschlussbolzen VakuumSchaltröhre Lichtbogenlöschung Bei der galvanischen Trennung der Schaltstücke wird durch den auszuschaltenden Strom eine Metalldampfbogenentladung eingeleitet. Über dieses Metalldampfplasma fließt der Strom bis zum nächsten Nulldurchgang. Der Lichtbogen erlischt in der Nähe des Stromnulldurchganges. Der Metalldampf verliert innerhalb weniger Mikrosekunden seine Leitfähigkeit, und damit wird die Schaltstrecke sehr schnell wiederverfestigt. Zum Aufrechterhalten der Metalldampfbogenentladung ist ein bestimmter Mindeststrom erforderlich. Wird dieser Mindeststrom unterschritten, reißt er vor dem natürlichen Nulldurchgang ab. Um beim Schalten in induktiven Stromkreisen unzulässige Schaltüberspannungen zu verhindern, muss der Abreißstrom auf möglichst kleine Werte begrenzt werden. Durch Verwenden eines speziellen Kontaktmaterials beträgt der Abreißstrom bei den Vakuum-Leistungsschaltern nur 2 A bis 3 A. Durch die schnelle Wiederverfestigung der Schaltstrecke wird der Lichtbogen auch dann noch sicher gelöscht, wenn die Kontakttrennung kurz vor einem Stromnulldurchgang erfolgt. Die Lichtbogenzeiten betragen daher in den letztlöschenden Polen maximal 15 ms. Je nach Ausschaltstrom und Abmessungen der Schaltröhren werden unterschiedliche Kontaktgeometrien verwendet: Schaltstückträger Laufring Laufrichtung Radialmagnetfeldkontakt 10 Beim Radialmagnetfeldkontakt brennt der Lichtbogen bis zu Strömen von etwa 10 kA (Augenblickswert) diffus. Größere Ströme brennen über einen kontrahierten Bogen. Dabei muss eine lokale Überhitzung der Schaltstücke vermieden werden. Durch ein radiales Zusatzmagnetfeld entsteht eine Kraft, die den Lichtbogen auf den Laufringen der Schaltstücke umlaufen lässt. Damit wird der Kontaktabbrand im Lichtbogenfußpunkt auf die ganze Ringfläche verteilt. Beim Axialmagnetfeldkontakt bleibt der Lichtbogen durch das axiale Magnetfeld auch bei großen Stromstärken diffus. Die scheibenförmigen Kontaktflächen werden dadurch gleichmäßig beansprucht, und ein lokales Aufschmelzen wird vermieden. Bei Wechselstromschaltern besteht die eigentliche Aufgabe der Löscheinrichtung darin, die Schaltstrecke unmittelbar nach Stromnull zu entionisieren. Bei allen herkömmlichen Löschprinzipien bedeutet das, dass der Lichtbogen auch schon vor Erreichen der MindestLöschdistanz und dem darauf folgenden Nulldurchgang gekühlt wird. Dadurch wird die Lichtbogenleistung ungewollt stark erhöht. Beim Vakuumschalter dagegen wird der Lichtbogen nicht gekühlt. Das Metalldampfplasma hat eine hohe Leitfähigkeit. Kontaktscheibe Diffuser Lichtbogen Daraus resultiert eine äußerst kleine Brennspannung; sie liegt bei Werten von nur 20 bis 200 V. Aus diesem Grund und wegen der kurzen Lichtbogenzeiten ist der Energieumsatz in der Schaltstrecke sehr klein. Das Löschsystem ist wegen dieser relativ geringen Beanspruchung wartungsfrei. Durch die im stationären Zustand sehr niedrigen Drücke in der Schaltröhre von weniger als 10-9 bar sind zum Erzielen einer hohen dielektrischen Festigkeit Kontaktabstände von nur 6 bis 20 mm erforderlich. Die Vakuum-Schalttechnik kann neben Leistungsschaltern auch in Schützen und Lastschaltern eingesetzt werden. Über 70% aller installierten Leistungsschalter in Mittelspannungsnetzen verwenden heutzutage das Vakuum-Schaltprinzip. Axialmagnetfeldkontakt 11 Vakuum-Leistungsschalter Anwendung Ausführungen Universeller Einbau in alle gängigen Mittelspannungsanlagen Als ein- oder mehrpolige Mittelspannungs-Leistungsschalter für alle Schaltaufgaben in Innenraumanlagen Zum Schalten von ohmschen, induktiven und kapazitiven Strömen Zum Schalten von Generatoren Zum Schalten von Fahrleitungen (1-polige Bahnschalter) Schaltaufgaben Die Schaltaufgabe des Vakuumschalters ist u. a. abhängig von seiner Antriebsart: Speicherantrieb – für Synchronisieren und Schnellumschalten – für Kurzunterbrechung Sprungantrieb (Sprung EIN, Speicher AUS) – für normales Ein- und Ausschalten. SION – der Innovative Standardschalter für variablen Einsatz Als Standardschalter oder komplettes Einschubmodul Bis 10.000 Schaltspiele Schaltaufgaben Synchronisieren Die Einschaltzeiten beim Synchronisieren sind so kurz, dass bei der Schaltstückberührung noch ein ausreichender Synchronismus der parallel zu schaltenden Netze besteht. Schnellumschalten Das Umschalten von Verbrauchern auf eine andere Einspeisung ohne Betriebsunterbrechung wird als Schnellumschalten bezeichnet. Die Vakuumschalter mit Speicherantrieb haben die dafür erforderlichen sehr kurzen Ein- und Ausschaltzeiten. Vakuumschalter zum Schnellumschalten wurden nach den Vorschriften neben anderen Prüfungen mit der Prüfschaltfolge O-3 min-CO-3 min-CO mit vollem Bemessungs-Kurzschlussausschaltstrom geprüft, bis zu einem Bemessungs-Kurzschlussausschaltstrom von 31,5 A beherrschen sie sogar die Prüffolge O-0,3 s-CO-3 min-CO. Kurzunterbrechung In Freileitungsnetzen zur Beseitigung vorübergehender Fehler oder Kurzschlüsse, wie sie z.B. durch Gewitter, Sturm oder Tiere hervorgerufen werden können. Vakuumschalter für die Schaltaufgabe K lassen auch bei 12 3AH5 – der Wirtschaftliche 3AH3 – der Leistungsfähige 3AH4 – der Ausdauernde 3AH37/3AH38 – die Kraftvollen Standardschalter für kleine Schaltleistungen Bis 10.000 Schaltspiele Schalter für hohe Schaltleistungen Bemessungs-Kurzschlussausschaltströme bis 63 kA Bemessungs-Betriebsströme bis 4000 A Bis 10.000 Schaltspiele Schalter für hohe Schaltspielzahlen Bis 120.000 Schaltspiele Schalter für Hochstrom- und Generatoranwendungen Bemessungs-Betriebsströme bis 6300 A Bis 10.000 Schaltspiele Nach IEEE Std C37.013 vollem Kurzschlussstrom so kurze Pausenzeiten zwischen Aus- und Einschaltung zu, dass die spannungslose Pause für die Stromversorgung der Verbraucher kaum in Erscheinung tritt. Bei einer erfolglosen Kurzunterbrechung wird der gestörte Abzweig endgültig abgeschaltet. Für kurzunterbrechungsfähige Vakuumschalter muss nach IEC 62 271-100 die Prüfschaltfolge O-0,3 s-CO-3 min-CO eingehalten werden, wobei bei erfolgloser Kurzunterbrechung nur die Schaltfolge O-0,3 s-CO erforderlich ist. Kurzunterbrechung in Fahrleitungsnetzen Wird das Fahrleitungsnetz nach einer Kurzschlussausschaltung über Prüfwiderstände auf Kurzschlussfreiheit geprüft, so beträgt die Schaltfolge O-15 s-CO. Mehrfach-Kurzunterbrechung Die Vakuumschalter sind auch für Mehrfach-Kurzunterbrechung geeignet, die vor allem in englisch sprechenden Ländern unter der Bezeichnung „Reclosing“ angewendet wird, z.B. Schaltfolge O-0,3 s-CO-15 s-CO-15 s-CO-15 s-CO. Schalten von Transformatoren Beim Vakuumschalter beträgt der Abreißstrom durch Verwendung eines speziellen Kontaktmaterials nur 2 bis 3 A, so dass beim Ausschalten unbelasteter Transformatoren keine gefährlichen Überspannungen auftreten. Ausschalten von Kurzschlussströmen Beim Ausschalten von Kurzschlussströmen mit der Fehlerstelle unmittelbar hinter Transformatoren, Generatoren oder Kurzschlussbegrenzungsspulen kann erstens der volle Kurzschlussstrom auftreten und zweitens die Anfangssteilheit der Einschwingspannung wesentlich über den Werten nach IEC 62 271-100 liegen. Es können Anfangssteilheiten bis 10 kV / µs – beim Abschalten von Kurzschlüssen hinter Drosselspulen noch darüber – erreicht werden. Auch für diese Beanspruchungen sind die Schalter geeignet. 13 Schalten von Freileitungen und Kabeln Beim Ausschalten unbelasteter Freileitungen und Kabel werden die verhältnismäßig kleinen kapazitiven Ströme ohne Rückzündung und damit ohne Überspannung beherrscht. Schalten von Motoren Werden kleine Hochspannungsmotoren während des Anlaufens abgeschaltet, können Schaltüberspannungen auftreten. Betroffen sind Hochspannungsmotoren bis 600 A Anlaufstrom. Die Höhe dieser Überspannungen kann durch spezielle Überspannungsbegrenzer auf ungefährliche Werte abgesenkt werden. Bei einzelkompensierten Motoren ist keine Beschaltung nötig. 3AH47 – der Spezielle Schalter für Anwendungen in der Bahntechnik Netzfrequenz 16 2/3, 50 oder 60 Hz 1- oder 2-polig Bis 60.000 Schaltspiele Schalten von Generatoren Werden Generatoren geschaltet, deren Kurzschlussstrom ≥ 600 A ist, können Schaltüberspannungen auftreten. In diesem Fall sollten Überspannungsbegrenzer oder -ableiter eingesetzt werden. Schalten von Filterkreisen Beim Ausschalten von Filterkreisen oder verdrosselten Kondensatorbänken ist die Beanspruchung des Vakuumschalters durch wiederkehrende Spannung größer als bei reinen Kondensatoren. Ursache ist die Serienschaltung von Spule und Kondensator. Dies ist bei der Auswahl des Vakuumschalters bezüglich seiner Bemessungs-Spannung zu beachten. Schalten von Lichtbogenöfen Schalten von Kondensatoren Vakuumschalter sind besonders für das Schalten im kapazitiven Stromkreis ausgelegt. Sie können Kondensatoren bis zu höchsten Batterieleistungen ohne Rückzündungen und damit ohne Überspannungen ausschalten. Das Ausschalten kapazitiver Ströme wurde bis zur Bemessungs-Spannung von 12 kV bis 600 A, 24 kV bis 300 A und 36 kV bis 200 A geprüft. Diese Werte sind durch das Prüffeld technisch bedingt. Aus Betriebserfahrungen ergibt sich als Anhaltspunkt, dass generell kapazitive Ströme bis 70% des Bemessungs-Betriebsstromes des Schalters beherrscht werden. Beim Parallelschalten von Kondensatoren können Ströme in der Höhe von Kurzschlussströmen auftreten, die durch ihre hohe Steilheit die Anlagenteile gefährden. Einschaltströme bis zu 10 kA (Scheitelwert) sind zulässig; höhere Werte auf Anfrage. 14 Es werden bis zu 100 Schaltspiele je Tag gefordert. Dafür eignet sich besonders der Vakuumschalter 3AH4. Bedingt durch die Eigenschaften des Lastkreises können die Ströme unsymmetrisch und verzerrt sein. Um Resonanzschwingungen in den Ofentransformatoren zu verhindern, ist eine individuell angepasste Schutzbeschaltung notwendig. Portfolio Vakuum-Leistungsschalter 15 Freiluft-Vakuum-Leistungsschalter Anwendung Speziell für die Aufstellung im Freien sind FreiluftVakuum-Leistungsschalter konstruiert. Das Design umfasst ein Minimum an beweglichen Teilen und einen einfachen Aufbau, wodurch eine lange elektrische und mechanische Lebensdauer gewährleistet wird. Dabei bieten sie alle Vorteile der InnenraumVakuum-Leistungsschalter. Bei Live Tank-Leistungsschaltern ist die VakuumSchaltröhre witterungsgeschützt in einem isolierenden Gehäuse, z.B. aus Porzellan, angeordnet. Die VakuumSchaltröhre befindet sich auf elektrischem Potential, ist somit live oder lebendig. Die signifikante Eigenschaft der Dead Tank-Technologie ist die Anordnung der Vakuum-Schaltröhre in einem geerdeten metallischem Gehäuse, welches somit als dead oder tot bezeichnet wird. Live Tank Portfolio Freiluft-Vakuum-Leistungsschalter 16 Schaltaufgaben Freiluft-Vakuum-Leistungsschalter erfüllen dieselben Funktionen wie Innenraum-Leistungsschalter und decken ein ähnliches Leistungsspektrum wie diese ab. Aufgrund ihres speziellen Designs werden sie bevorzugt in Netzen eingesetzt, die einen hohen Freileitungsanteil haben. Durch den Einsatz von Freiluft-VakuumLeistungsschaltern entfällt die Notwendigkeit, geschlossene Räume für die Installation von Leistungsschaltern bereitstellen zu müssen. Dead Tank 17 Vakuum-Lastschalter Anwendung Schaltaufgaben Vakuum-Lastschalter sind Lastschalter für Innenraumanlagen, die zum Unterbrechen der Betriebsströme das Vakuum-Schaltprinzip nutzen und somit die elektrischen und mechanischen Daten konventioneller Lastschalter übertreffen. Beispielweise kann der Nennstrom von 800 A bis zu 10.000 mal ohne Wartung ausgeschaltet werden. Lediglich der Antrieb muss alle 10 Jahre geschmiert werden. Die Schalter sind geeignet zum Einbau in Einschubanlagen und zur Kombination mit Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen. Schalten von Freileitungen und Kabeln Der Einsatz von Vakuum-Lastschaltern ist in Verbindung mit Leistungsschalteranlagen sinnvoll, um die genannten Vorzüge konsequent ausnutzen zu können. So können sie den Bemessungs-Betriebsstrom sehr häufig ausschalten. Damit ist es möglich, z.B. in Industrienetzen, unbelastete Transformatoren täglich auszuschalten, um Leerlaufverluste zu minimieren und so die Betriebskosten zu senken. Der Kurzschlussschutz erfolgt wie bei den anderen Lastschaltern mit Sicherungen. Als Lastschalter-Sicherungskombination kann der Vakuum-Lastschalter mit allen HH-Sicherungen bis zu höchsten Betriebsströmen kombiniert werden. Portfolio Vakuum-Lastschalter 18 Unbelastete Freileitungen und Kabel werden mit verhältnismäßig kleinen kapazitiven Strömen ohne Rückzündung und damit ohne Überspannung ausgeschaltet. Schalten von Transformatoren Beim Vakuum-Lastschalter beträgt der Abreißstrom durch Verwendung eines speziellen Kontaktmaterials nur 2 A bis 3 A, so dass beim Ausschalten unbelasteter Transformatoren keine unzulässigen Überspannungen auftreten. Schalten von Motoren Werden kleine Hochspannungsmotoren während des Anlaufens abgeschaltet, so können Schaltüberspannungen auftreten. Betroffen sind Hochspannungsmotoren bis 600 A Anlaufstrom. Die Höhe dieser Überspannungen kann durch spezielle Überspannungsbegrenzer auf ungefährliche Werte abgesenkt werden. Bei einzeln kompensierten Motoren ist keine Beschaltung notwendig. Schalten von Kondensatoren Mit Vakuum-Lastschaltern können kapazitive Ströme besonders gut geschaltet werden, da sie diese Ströme rückzündungsfrei ausschalten. Die Lastschalter 3CG können für Ströme bis 800 A eingesetzt werden. Bild größer darstellen; Feindaten sind bei der VakuumBroschüre E5001-U229-A250 Bild von Seite 12 Schalten unter Erdschlussbedingungen Diese Schaltfälle können in Netzen ohne Sternpunkterdung auftreten. Es ist zwischen zwei Schaltfällen zu unterscheiden: Fehlerstelle hinter dem Schalter (Bemessungs-Erdschlussausschaltstrom): Über die Fehlerstelle fließt der kapazitive Erdschlussstrom des galvanisch zusammengeschlossenen Netzes. Je nach Größe des Netzes können Fehlerströme bis 500 A auftreten. Diese Ströme können in voller Höhe vom Lastschalter 3CG ausgeschaltet werden. Fehlerstelle vor dem Schalter (Bemessungs-Kabelausschaltstrom unter Erdschlussbedingungen): Der Fehlerstrom wird vom Schalter nicht abgeschaltet. Es wird nur der Ladestrom des nachgeschalteten Kabels abgeschaltet, allerdings mit verketteter Spannung als wiederkehrende Spannung, da durch den Erdschluss in einem Leiter die Spannung in den beiden gesunden Leitern entsprechend angehoben wird. Der Ladestrom beträgt meist nur wenige Ampère. Erschwerend kann bei diesem Schaltfall sein, dass dem kleinen kapazitiven Ladestrom ein größerer Laststrom überlagert wird. Bei diesem Sonderschaltfall sind konventionelle Schalter häufig überfordert. Der Vakuum-Lastschalter 3CG beherrscht auch diese Schaltaufgabe ohne Einschränkung. Vakuum-Lastschalter 3CG 19 Vakuum-Schütze Anwendung Schaltaufgaben Vakuum-Schütze 3TL sind 3-polige Schütze mit elektromagnetischem Antrieb für Mittelspannungsanlagen. Es handelt sich hierbei um Lastschaltgeräte mit begrenztem Kurzschlusseinschalt- und Kurzschlussausschaltvermögen für den Einsatz bei großer Schalthäufigkeit von bis zu 1 Mio. Schaltspielen. Die Vakuum-Schütze eignen sich zum betriebsmäßigen Schalten von Wechselstromverbrauchern in Innenraumanlagen und können z.B. für folgende Schaltaufgaben eingesetzt werden: Schalten von Motoren AC-3: Käfigläufermotoren: Anlassen, Ausschalten während des Laufes AC-4: Käfigläufermotoren: Anlassen, Gegenstrom bremsen, Tippen Schalten von Drehstrommotoren im AC-3- und AC-4Betrieb (z.B. in Förder- und Aufzugsanlagen, Kompressoren, Pumpstationen, Lüftung und Erwärmung) Schalten von Transformatoren (z.B. in Lastschaltanlagen, Industrienetzverteilungen) Schalten von Drosselspulen (z.B. in Industriennetzverteilungen, Zwischenkreisdrosseln, Blindleistungskompensationsanlagen) Schalten von ohmschen Verbrauchern (z.B. Heizwiderstände, Elektroöfen) Schalten von Kondensatoren (z.B. in Blindleistungskompensationsanlagen, Kondensatorbänke) Bei Wendeschützkombinationen (Reversierbetrieb) ist für jede Drehrichtung nur ein Schütz erforderlich, wenn für den Kurzschlussschutz Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen verwendet werden. 20 Vakuum-Schütze 3TL sind besonders geeignet zum häufigen Schalten von Motoren. Da die Abreißströme der Schütze bei ≤ 5 A liegen, treten beim betriebsmäßigen Schalten hochgelaufener Motoren keine unzulässig hohen Überspannungen auf. Werden jedoch Hochspannungsmotoren mit Anlaufströmen ≤ 600 A während des Anlaufens abgeschaltet, so können Schaltüberspannungen entstehen. Die Höhe dieser Überspannungen kann durch spezielle Überspannungsbegrenzer auf ungefährliche Werte abgesenkt werden (siehe Seite 27). Schalten von Transformatoren Beim Schalten von induktiven Strömen können durch Stromabriss an der Schaltstrecke Überspannungen entstehen. Beim Vakuum-Schütz beträgt der Abreißstrom durch Verwendung eines speziellen Kontaktmaterials ≤ 5 A, so dass beim Ausschalten unbelasteter Transformatoren keine gefährlichen Überspannungen auftreten. Schalten von Kondensatoren Vakuum-Schütze 3TL können bis zur BemessungsSpannung 12 kV kapazitive Ströme bis 250 A ohne Rückzündungen und damit ohne Überspannungen ausschalten. Vakuum-Schütz 3TL6 Vakuum-Schütz 3TL71 Vakuum-Schütz 3TL81 Portfolio Vakuum-Schütze 21 Trennschalter Anwendung Trennschalter oder kurz Trenner dienen zum nahezu stromlosen Öffnen und Schließen von Stromkreisen. Sie dürfen dabei vernachlässigbare Ströme (das sind Ströme bis zu 500 mA, z.B. kapazitive Ströme von Sammelschienen oder Spannungswandlern) oder größere Ströme dann schalten, wenn zwischen den Anschlüssen beim Ausschalten keine wesentliche Änderung der Spannung eintritt, z.B. beim Sammelschienenwechsel in einer Doppelsammelschienenanlage, wenn eine Querkupplung parallel geschlossen ist. Die eigentliche Aufgabe von Trennern ist aber das Herstellen einer Trennstrecke, um an anderen Betriebsmitteln, die durch die Trenner „freigeschaltet“ wurden, gefahrlos arbeiten zu können. Daher werden an die Trennstrecke hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Erkennbarkeit und Spannungsfestigkeit gestellt. Trennschalter in Trennstellung Schaltaufgaben Trennschalter sollen nachgeschaltete Betriebsmittel freischalten, d.h. Betriebsmittel, die nicht mehr unter Spannung stehen, von den angeschlossenen Stromkreisen zu trennen. So bilden sie eine Trennstrecke zwischen den Anschlüssen eines jeden Pols. Sie müssen daher Stromkreise öffnen bzw. nach Abschluss der Arbeiten wieder schließen, wenn vernachlässigbar kleine Ströme unterbrochen/eingeschaltet werden sollen oder kein nennenswerter Spannungsunterschied zwischen den Stromkreisen auftritt. Da sie nur selten geschaltet werden müssen, sind sie nicht auf hohe Schaltspielzahlen, wie z.B. ein Leistungsschalter oder Schütze ausgelegt. Portfolio Trennschalter 22 Lasttrennschalter Anwendung Lasttrennschalter vereinen die Funktionen eines Lastschalters mit dem Herstellen einer Trennstrecke (Trennschalter) in sich und werden damit zum Schalten von Lastströmen bis zu ihrem Bemessungs-Betriebsstrom eingesetzt. Da beim Zuschalten von Verbrauchern nicht auszuschließen ist, dass dabei auf einen bestehenden Kurzschluss eingeschaltet wird, haben Lasttrennschalter heute allgemein ein Kurzschlusseinschaltvermögen. In Kombination mit Sicherungen können Last(trenn)schalter auch zum Ausschalten von Kurzschlussströmen eingesetzt werden. Das Ausschalten des Kurzschlussstromes übernehmen dabei die Sicherungen. Diese lösen anschließend den Last(trenn)schalter dreipolig aus und trennen damit den gestörten Abzweig vom Netz ab. Löschprinzip Seiten- und Draufsicht Lasttrennschalter 1 1 3 2 3 Lasttrennschalter Portfolio Lasttrennschalter Bei den Lasttrennschaltern wird der Lichtbogen nicht in einer Vakuum-Schaltröhre gelöscht sondern sie funktionieren nach dem Prinzip des Hartgasschalters. Hierbei wird durch Lichtbogeneinwirkung Gas aus einem Isoliermaterial, das den Lichtbogen eng umgibt, abgespalten, das letztlich den Lichtbogen schnell und wirksam zum Erlöschen bringt. Da das Material, aus dem das Gas abgespalten wird, sich nicht selbst erneuern kann, ist die Schaltspielzahl geringer als bei Anwendungen mit VakuumSchaltröhren. Trotzdem werden Lasttrennschalter nach dem Hartgas-Prinzip am häufigsten eingesetzt, da sie ein günstiges Kosten-/Leistungsverhältnis aufweisen. Die Lasttrennschalter 3CJ2 arbeiten mit einer Hartgas-Flachlöschkammer (1). Bei der Ausschaltbewegung wird zuerst das Schaltmesser (2) getrennt. Da das in der Löschkammer geführte Hilfsschaltmesser (3) immer noch Kontakt gibt, fließt nunmehr der Strom über das Hilfsschaltmesser. Nachdem die Trennstrecke der Schaltmesser erreicht ist, trennt nun das Hilfsschaltmesser sprunghaft die Verbindung auf. Der Ausschaltlichtbogen brennt in dem schmalen Spalt, wobei die Hitzeeinwirkung genügend Gas freisetzt, um den Lichtbogen schnell und wirksam zu löschen. 23 Erdungsschalter Anwendung Erdungsschalter werden zum Erden und Kurzschließen von Anlagenteilen, Kabeln und Freileitungen verwendet. Sie ermöglichen ein gefahrloses Arbeiten an den vorher freigeschalteten Betriebsmitteln. Die Bauweise ist meistens der von Hebeltrennern ähnlich. Sie werden häufig an Trenn- oder Lasttrennschalter angebaut und werden dann gegen diese Schaltgeräte verriegelt, um ein Erden auf anstehende Spannungen zu verhindern. Werden anstelle der normalen Erdungsschalter einschaltfeste Erdungsschalter (Erdungsdraufschalter) verwendet, so ist das Erden und Kurzschließen auch dann gefahrlos, wenn versehentlich vorher nicht freigeschaltet wurde. Detail angebauter Erdungsschalter in geöffneter Position bei geschlossenem Trenner Detail angebauter Erdungsschalter in geschlossener Position bei geöffnetem Trenner Portfolio Erdungsschalter 24 Sicherungen Anwendung HH (Hochspannungs-Hochleistungs-) Sicherungen werden als Kurzschlussschutz in Hochspannungsschaltanlagen verwendet (Frequenzbereich 50 – 60 Hz). Sie schützen Geräte und Anlagenteile wie Transformatoren, Motoren, Kondensatoren, Spannungswandler und Kabelabzweige vor der dynamischen und thermischen Wirkung hoher Kurzschlussströme, indem sie diese im Entstehen ausschalten. Sicherungen bestehen aus Sicherungsunterteil und Sicherungseinsätzen. Nach dem Ziehen der Sicherungseinsätze wird mit dem Sicherungsunterteil eine Trennstrecke hergestellt, die den Normen entspricht. Sicherungseinsätze dienen zum einmaligen Ausschalten von Überströmen; anschließend müssen sie ausgetauscht werden. Die Thermoschlagstift-Auslösung des Sicherungseinsatzes 3GD verhindert bei einer Schalter-Sicherungs-Kombination eine thermische Zerstörung der Sicherung. Die Sicherungen sind sowohl für Inneraum- als auch für Freiluftanlagen geeignet. Sie werden in Sicherungsunterteile eingesetzt, die es als ein- oder dreipolige Einzelkomponenten gibt, oder als Anbaukomponenten in Kombination mit passender Schalteinrichtung. Sicherungseinsatz 3-poliger Sicherungseinsatz mit Schaltzustandsanzeige Lasttrennschalter mit Sicherungseinsatz Portfolio Sicherungen 25 Wandler Anwendung Wandler haben die Aufgabe große Ströme und hohe Spannungen auf kleine Strom- bzw. Spannungswerte zu Mess- oder Schutzzwecken zu transformieren. Entweder dienen sie also der Messung und Erfassung der übertragenen Leistung oder sie dienen dazu Schutzgeräte mit auswertbaren Signalen zu versorgen, die es dem Schutzgerät ermöglichen, je nach Situation z.B. die Abschaltung eines Schaltgerätes zu bewirken. Stromwandler können hierbei als im Kurzschluss arbeitende Transformatoren betrachtet werden, die primärseitig vom gesamten Betriebsstrom durchflossen werden. Die sekundärseitig angeschlossenen Geräte werden in Reihe geschaltet. Stromwandler können mehrere Sekundärwicklungen mit magnetisch voneinander getrennten Kernen gleicher oder verschiedener Kennlinien haben. Sie können also z.B. mit zwei Messkernen verschiedener Klassengenauigkeit oder auch mit Mess- und Schutzkernen mit verschiedenen Fehlergrenzfaktoren ausgeführt werden. Spannungswandler haben einen einzigen Magnetkern. Sie sind im allgemeinen nur mit einer Sekundärwicklung ausgeführt. Im Bedarfsfall wird bei einpoligen isolierten Spannungswandlern neben der Sekundärwicklung (Messwicklung) eine zusätzliche Wicklung zur Erdschlusserfassung vorgesehen. Portfolio Wandler 26 Stromwandler 4MA7 Spannungswandler 4MR1 Überspannungsableiter und -begrenzer Anwendung Überspannungsableiter und -begrenzer schützen Betriebsmittel, sowohl vor äußeren Überspannungen durch Blitzeinschläge in Freileitungen als auch vor inneren Überspannungen durch Schaltvorgänge oder Erdschlüsse. In der Regel ist der Ableiter zwischen Phase und Erde installiert. Der eingebaute Stapel nichtlinearer, spannungsabhängiger Widerstände (Varistoren) aus Metalloxid (MO) bzw. Zinkoxid (ZnO) wird bei einem definierten Überspannungsgrenzwert leitfähig, wodurch die Ladung über Erde abfließen kann. Unterschreitet die betriebsfrequente Spannung diesen Restspannung genannten Grenzwert, erlangen die Varistoren ihren ursprüngliche Widerstandwert zurück und es fließt bei Betriebsspannung nur noch ein so genannter Leckstrom von wenigen mA. Da dieser Leckstrom die Widerstände und damit den Ableiter erwärmt, muss sich die Auslegung des Gerätes an der Sternpunktbehandlung des Netzes orientieren, um eine unzulässige Erwärmung des Ableiters zu verhindern. MO-Ableiter Im Gegensatz zum normalen Überspannungsableiter ist beim Überspannungsbegrenzer zusätzlich zum MO-Widerstandsstapel eine Funkenstrecke in Reihe geschaltet. Ist die durch die Überspannung erzeugte Ladung groß genug zündet die Funkenstrecke und die Überspannung kann gegen Erde abfließen bis die Funkenstrecke erlischt und die Varistoren wieder ihren nichtleitenden Zustand einnehmen. Dieser Vorgang wiederholt sich wieder und wieder über die gesamte Dauer des Fehlerfalles. Das ermöglicht das Gerät mit einer deutlich tieferen Restspannung auszulegen als einen konventionellen Überspannungsableiter und dient insbesondere dem Schutz von Motoren mit in der Regel schlechter Isolationsfestigkeit. Der Restspannungswert der Ableiter oder Begrenzer darf, um eine ausreichende Schutzfunktion sicherzustellen, die Isolationsfestigkeit der zu schützenden Betriebsmittel nicht übersteigen. Portfolio Ableiter und Begrenzer 27 Ihr Wegweiser Weiterführende Informationen zu den Schaltgeräten finden Sie in folgenden Katalogen: 28 SION VakuumLeistungsschalter VakuumLeistungsschalter 3AH5 VakuumLeistungsschalter 3AH1/3AH3 VakuumLeistungsschalter 3AH2/3AH4 HG 11.02 HG 11.05 HG 11.03 HG 11.04 VakuumSchütze 3TL Trenn- und Erdungsschalter 3D Lasttrennschalter 3CJ2 Sicherungseinsätze 3GD Sicherungsunterteile 3GH HG 11.21 HG 11.31 HG 12.21 HG 12.31 VakuumLeistungsschalter 3AH47 für Bahnanwendungen HG 11.52 Freiluft-VakuumLeistungsschalter 3AF0/3AG0/SDV6/ 8HH6 HG 11.41 Messwandler 4M Überspannungsableiter und Überspannungsbegrenzer 3EE/3EF HG 21 HG 24 VakuumLastschalter 3CG HG 12.11 29 Siemens AG Power Transmission and Distribution Medium Voltage Division Nonnendammallee 104 13623 Berlin Deutschland www.siemens.com/energy Fragen zur Energieübertragung und -verteilung: Unser Customer Support Center erreichen Sie rund um die Uhr. Tel.: +49 180 / 524 70 00 Fax: +49 180 / 524 24 71 (Gebühren in Abhängigkeit vom Provider) E-Mail: [email protected] www.siemens.com/energy-support Änderungen vorbehalten Bestell-Nr. E50001-K1511-A011-A1 Printed in Germany Dispostelle 31601 KG 05.07 3.0 32 De 102085 6100/C6263 Die Informationen in diesem Dokument enthalten allgemeine Beschreibungen der technischen Möglichkeiten, welche im Einzelfall nicht immer vorliegen müssen. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind daher im Einzelfall bei Vertragsabschluss festzulegen.
