Strom ist nicht alles, aber ohne Strom ist nichts EUROPA bei Nacht Fachbibliothek von HAAG Die Firma HAAG Elektronische Messgeräte GmbH ist Hersteller hochpräziser Messgeräte zur Erfassung und Analyse aller qualitätsbeschreibenden Eigenschaften der Elektroenergie. Zu den HAAG-Kompetenzfeldern gehören u. a. ► Netzqualitätsmessgeräte und -schreiber ► Netzanalysatoren und Leistungsmessgeräte HAAG veröffentlicht regelmäßig eigene Fachbeiträge und und stellt Seminarunterlagen namhafter Fachspezialisten ins Netz. Zur Auswahl: www.haag-messgeraete.de -> Bibliothek Grundlagen der elektrischen Energieversorgung HAAG stellt anschaulich gestaltete Seminarunterlagen über die Grundlagen der elektrischen Energieversorgung zum Download bereit. Die Seminare werden regelmäßig von Dipl.-Ing. Walter Castor, Stadtwerke Erlangen, veranstaltet und unterliegen seinem Copyright. Die Vervielfältigung und der Druck dieser Unterlagen ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung des Autors zulässig. Dem Leser wird umfassendes Wissen über Grundlagen, Basistechnologien, Fachausdrücke und Wirkungsprinzipien aus dem Fachgebiet der Energieversorgung vermittelt. Die Seminare richten sich hauptsächlich an Einsteiger in das Fachgebiet, aber auch Profis finden viele neue Informationen. Diese Unterlagen eignen sich hervorragend zur Auffrischung des Grundlagenwissens. Viele interessante Beispiele beleben den Blick in die Praxis. ► Textband - Grundlagen und Theorie (ca. 120 Seiten - 1,2 MB) ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► Seminar 1 - Grundlagen (ca. 2.2 MB) Seminar 1a - Kraftwerke (ca. 1,5 MB) Seminar 2 - Netze (ca. 1,3 MB) Seminar 3 - Kabel (ca. 3,4 MB) Seminar 4 - Schaltgeräte (ca. 1,7 MB) Seminar 5 - Trafo (ca. 2,2 MB) Seminar 6 - Schaltanlagen (ca. 7,6 MB) Seminar 7 - Fehler (ca. 1,3 MB) Seminar 8 - Netzschutz (ca. 1 MB) Seminar 9 - Arbeitssicherheit (ca. 1,8 MB) Seminar 10 - Störungen, Schaltungen, Kundenanschluss (ca. 2 MB) Seminar 11 - Zusammenfassungen (ca. 0,2 MB) Kontaktflächen (contact area) Temperatur x 103 K Temperaturverteilung in einem Lichtbogen bei unterschiedlichen Gasen 11 scheinbare Kontaktfläche 9 7 N2 5 O2 wahre Kontaktfläche 3 SF6 mit Fremdschicht Entstehung des Lichtbogens: Durch die hohe Stromdichte steigt die Temperatur stark an Metallteile verdampfen und stellen leitfähige Verbindungen her. Der Stromfluss nimmt dadurch zu, die Temperatur steigt weiter. Zwischen den Elektroden entsteht ein aggressives Gas-Plasma, in dem alle chem. Verbindungen aufgebrochen sind. Das Material verdampft. 1 1,0 0,5 1,0 0,5 0 rel. Radius r/R © W. 02 1 Castor, 2007 Kontakttrennung (contact parting) Ziel: Lichtbogenlöschung möglichst im Zeitpunkt des 1. Nulldurchgangs des Stromes Ein vorheriger Abriss muss wegen der auftretenden Überspannungen vermieden werden vor während u = L× nach 3 di dt 3 1 1 1 1 1 2 4 1 1 2 3 4 Lichtbogen: 02 2 Schaltstück Stromenge Strömungsfeld Lichtbogen + erhöht den Widerstand des Schaltkreises und dämpft den Strom - Schaltstückverschleiß durch Abbrand © W. Castor, 2007 Spannungsfall im Lichtbogen Spannungsfall Kathode UB Anode Säule UA US UB UB = U K + U A + U S UK Abstand von der Kathode UK und UA sind abhängig von der Kühlung und den Kontaktwerkstoffen © W. 02 3 Castor, 2007 Prinzip Gleichstromlöschung (direct-current arc extinction) Der Lichtbogen wird in die Länge gezogen, so daß seine Spannung größer als die treibende Netzspannung werden muß Lichtbogenspannung US Netzspannung U Kontakttrennung Kurschlußzeitpunkt I Deion-Kammer Praktisch nur in Niederspannungsschaltgeräten einsetzbar Großer Energieumsatz 02 4 © W. Castor, 2007 Prinzip Wechselstromlöschung I (alternating-current arc extinction) u,i Löschung UV1 UW(t) Wiederzündung u(t) ^ U50 i(t) UV2 t Beim Stromnulldurchgang wird die Schaltstrecke entionisiert. Die Zunahme der elektrischen Festigkeit (UV) an der Schaltstrecke muß schneller erfolgen als die wiederkehrende Spannung UW(t) über die Schaltstrecke einschwingt © W. 02 5 Castor, 2007 Prinzip Wechselstromlöschung II Nach 5 ms: Kontaktabstand: 0,5 cm Höhe der w.k. Spg.: 1000 V Nach 25 ms: Kontaktabstand: 2 cm Höhe der w.k. Spg.: 1700 V u,i u UW(t) UV1 UW(t) 1700 V 1000 V UV2 5 02 6 i(t) ^ U50 t (ms) ^ i(t) U50 t (ms) 25 © W. Castor, 2007 Schalten Schaltgeräte sind Geräte zum Verbinden (Einschalten) oder Unterbrechen (Ausschalten) von Stromkreisen. Schalter Aus: Schaltkontaktspannung US >0, Strom IS= 0 Schalter Ein: Schaltkontaktspannung US = 0, Strom IS > 0 IS US U R Je größer ∆ IS und ∆ US sind, desto aufwendiger muss ein Schalter konstruiert sein, um einen Schaltlichtbogen zu vermeiden bzw. auf ein Mindestmaß zu begrenzen. Im eingeschalteten Zustand sind sie Bestandteile der Strombahn, im ausgeschalteten Zustand Bestandteile der Isolation © W. 02 7 Castor, 2007 Einteilung der Schaltgeräte (switching device, switchgear) Entsprechend der Beanspruchung beim Schalten wird unterteilt: Stromloses Schalten Trennschalter (Trenner) Schalten von Betriebsströmen Lastschalter, Lasttrennschalter (Lasttrenner) Schalten von Kurzschlußströmen Leistungsschalter Auswahl der Schaltgeräte • nach Art der Schaltaufgabe im ungestörten und im gestörten Netzbetrieb • nach Schalthäufigkeit • nach Bemessungsdaten (Bemessungsspannung, -betriebsstrom, -auschaltstrom, -isolationspegel, -stoßstrom, -Kurzschlußeinschaltstrom, -Kurzschlußausschaltstrom) 02 8 © W. Castor, 2007 Antriebe von Schaltgeräten Schaltstellung: direkt am Schaltgerät oder durch Hilfsschalter am Blindschaltbild Kraftspeicher: sichern der ausreichenden, reproduzierbaren Schaltgeschwindigkeit besonders beim Einschalten Motorkraft, Druckluftantriebe (u. U. mit Vorratsbehälter am Schaltgerät) Federkraftspeicher (Hand- oder Motoraufzug) Zustand wird am Schaltgerät angezeigt: gespannt – entspannt Antriebsarten: Federkraftspeicher (Hand oder motorisch) Druckluftantrieb Hydraulischer-Federkraftspeicher elektrohydraulischer Antrieb Magnetantrieb Betätigungseinrichtungen: elektrisch: Druckknöpfe, Schalter mechanisch: Hebel, Drehantriebe Betätigungsmöglichkeiten: am Schaltgerät selbst (mechanisch, immer unverriegelt) in unmittelbarer Nähe des Schaltgerätes (Vor-Ort-Steuerung) in einem zentralen Raum (Nahsteuerung) von Ferne aus der Leitstelle (Fernsteuerung) 02 9 © W. Castor, 2007 © W. Castor, 2007 Trennschalter (disconnector) • schalten leistungslos (i < 0,5 A) • können abnormale Ströme (Kurzschluß) führen • stellen im geöffneten Zustand eine sichtbare Trennstrecke dar (z. B. für Arbeiten an nachgeschalteten Betriebsmitteln) AUS-Zustand Schalterpol 10-kV-Trennschalter EIN-Zustand 02 10 Bauformen Trennschalter 220-kVDrehtrennschalter Symbol im Übersichtsplan 380-kVPantographentrennschalter „Symbolsprung“ EIN AUS © W. 02 11 Castor, 2007 Lasttrennschalter (switch disconnector) • schalten Betriebsströme AUS und EIN (bis cos ϕ = 0,7) • können abnormale Ströme (Kurzschluß) führen • stellen im geöffneten Zustand eine sichtbare Trennstrecke dar 02 12 Mechan. Schaltspiele 1000 Schaltspiele mit Nennbetriebsstrom Ausschaltstrom 20 2 Übliche Schalthäufigkeit 1...2 /a Prinzip der Lichtbogenlöschung: © W. Castor, 2007 Lichtbogenlöscheinrichtungen I (arc control device) Hartgasprinzip: Durch die Lichtbogeneinwirkung wird Gas (H2, Kohlenwasserstoffe) aus dem Isoliermaterial abgespalten. Daraus resultiert eine Drucksteigerung in der Löschkammer und damit eine Löschmittelbewegung. Sie erzeugt eine erhöhte Wärmeabgabe und somit im Stromnulldurchgang eine Entionisierung der Schaltstrecke. Die Gasabgabe ist abhängig von der im Lichtbogen umgesetzten Leistung. Kipprohr-Bauform © W. 02 13 Castor, 2007 Lichtbogenlöscheinrichtungen II Foto: Driescher, Wegberg Lichtbogenlöschung in einem Lasttrennschalter Foto: Driescher, Wegberg Schaltung mit Nennstrom ! 02 14 © W. Castor, 2007 Foto: Peters & Thieding Bauformen von Lasttrennschalter Vakuum-Lastrennschalter mit HH-Sicherungsunterbau und einschaltfestem Schnellerder (Erdungsdraufschalter) (high-speed grounding switch) Typenschild rating plate © W. 02 15 Castor, 2007 Lastschalter-Sicherungskombination VDE 0671 Teil 105 50 Ims HH-Teilbereichssicherung I1 verbotener Bereich Schaltbereich der Kombination bei Schlagstiftbetätigung Lastschalter 100 I3 Itake-over Itransfer geprüfter Bereich Übergangsstrom (transfer current): Wert des symmetrischen Dreiphasenstromes, bei dem die Schaltaufgabe zwischen Sicherungen und Lasttrennschalter wechselt. Übergang der Schaltaufgabe durch Toleranzen der Zeit/Strom-Kennlinie der Sicherungen verursacht Erstschaltende Sicherung löst den Lastschalter aus, darauf folgende Sicherung oder der Lastschalter unterbricht den Strom Oberhalb Itransfer müssen die Sicherungen den Strom allpolig abgeschaltet haben, bevor der Lastschalter öffnet. 02 16 © W. Castor, 2007 Dreistellungsschalter in SF6-Anlagen I (three-position-disconnector) Durch Volumenverringerung in der Schaltkammer wird eine erzwungene Löschmittelbewegung erzeugt Mechan. Schaltspiele 5000 Schaltspiele mit Nennbetriebsstrom Ausschaltstrom 100 5 Übliche Schalthäufigkeit Schaltstellung EIN 1...2 /Monat © W. 02 17 Castor, 2007 Dreistellungsschalter in SF6-Anlagen) II stromführender Hauptkontakt Wolfram-Vorkontakt Kontaktgestaltung Schaltstellung AUS 02 18 © W. Castor, 2007 Schaltstellungen des Dreistellungsschalter in SF6-Anlagen GEERDET AUS EIN Ausgangsseite Ausgangsseite Ausgangsseite 02 19 © W. Castor, 2007 © W. Castor, 2007 Erderbarriere bei Arbeiten Erderbarriere Keine Rück- oder Überspannung möglich 02 20 Leistungstrennschalter (circuit-interrupter) • Leistungsschalter mit funktionsintegrierter Trennstrecke • speichert Schaltfolgen • Einsatz vornehmlich in SF6-Schaltanlagen mit hohen Schaltspielzahlen (Windkraftanlagen) Sammelschiene Löschspule EIN-Kontakt Schaltmesser Strom I Erdungskontakt vom Strom erzeugtes Magnetfeld B Durchführung Prinzip: Moeller 02 21 © W. Castor, 2007 © W. Castor, 2007 Leistungsschalter (circuit-breaker) • schalten Kurzschlußströme ein oder aus • speichern Schaltfolgen 10-kV-Vakuum-Leistungsschalter Mechan. Schaltspiele 10.000 02 22 Schaltspiele mit Nennbetriebsstrom 10.000 Ausschaltstrom 5 - 100 Übliche Schalthäufigkeit - Vakuum-Schalter I Kupferstempel fest (vacuum circuit-breaker) Schalthub: wenige Millimeter Innendruck der Röhre: <10-7 bar Schaltvorgang: Keramikisolator Pumpstutzen Pumpbohrung Abschirmung 1. Schaltstücktrennung: Kontaktmaterial verdampft durch den Strom 2. „Lichtbogen“ im Metalldampfplasma bis zum nächsten Nulldurchgang 3. Lichtbogen verlöscht, die Ladungsträger rekombinieren und der Metalldampf verliert seine Leitfähigkeit. 4. Die Schaltstrecke ist entionisiert und verfestigt, der Metalldampf kondensiert auf den Schaltstücken 5. Ein Teil kondensiert als Dampfschirm auf der Schaltkammerwand und verhindert leitfähigen Niederschlag Edelstahlzylinder Kontaktkörper Kontaktmaterial Abschirmung Metallfaltenbalg Geringer Energieumsatz, hohe Lebensdauer, lange Wartungs-Intervalle Keine unzulässig hohen Schaltüberspannungen, jedoch Überspannungen infolge multipler Wiederzündungen möglich (externe Überspannungsbegrenzer erforderlich) Kupferstempel beweglich © W. 02 23 Castor, 2007 Vakuum-Schalter II Ausschalten von Betriebsströmen und Kurzschlußströmen < 10 kA Es entsteht ein diffuser Lichtbogen aus vielen parallelen Einzellichtbögen (jeweils ca. 100 A), die nacheinander beim Abnehmen des Stromes in der Halbwelle erlöschen (sog. A-Bogen). Diffuser Modus Ausschalten von Kurzschlußströmen > 10 kA Der Lichtbogen kontrahiert durch sein Eigenmagnetfeld. Zur Vermeidung von lokalen Überhitzungen an den Schaltstücken wird der Lichtbogen zum Laufen gebracht (sog. B-Bogen). a. Radiales Zusatzmagnetfeld Gegenläufig geschlitzte Schaltstückträger formen einen schleifenförmigen Stromweg. Die Kraft des Magnetfeldes läßt den Lichtbogen umlaufen Konzentrierter Modus b. Axiales Zusatzmagnetfeld Die Schaltstückträger sind gleichsinnig geschlitzt und formen einen spulenförmigen Stromweg. Durch das axiale Magnetfeld wird der Lichtbogen diffus gehalten 02 24 © W. Castor, 2007 Fertigung von Vakuum-Röhren Fertigung im Reinraum Ultrahochvakuumerzeugung von 10-7 bar durch Lötung im Vakuumofen bei über 800 °C Spannungskonditionierung zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit Druck: Stoßhäufigkeit, mit der die Gasteilchen aneinander oder an die Wand des umschließenden Gefäßes stoßen. Stoßgeschwindigkeit abhängig von Temperatur des Gases und der Masse der Teilchen 10 -7 bar 200 km MIR 300 km © W. 02 25 Castor, 2007 Lichtbogenlöschung bei konventionellen Leistungsschaltern I Ölkesselschalter Alle Pole befinden sich in einem gemeinsamen Kessel In der Regel ist keine Löschkammer vorhanden, der in zwei Teillichtbögen aufgeteilte Lichtbogen wird mit einer Schaltraverse gezogen. Funktion: Bildung von Wasserstoff aus Öl (Wasserstoffeffekt). Wasserstoff hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen hohen Lichtbogenspannungsfall (13,5 mal so hoch wie Luft) Grosses Ölvolumen (bis > 100 l), große Lichtbogenarbeit (große Lichtbogenlänge, lange Dauer) hoher Gasdruck bis hin zur Kesselexplosion 02 26 © W. Castor, 2007 Lichtbogenlöschung bei konventionellen Leistungsschaltern II Ölarmer Leistungsschalter (small-oil-volume circuit-breaker) Lichtbogenlöschung durch Ölströmung, entweder durch LiBo selbst erzeugt oder durch Pumpeinrichtung erzwungen (bei starrer Löschkammer durch Schalterstiftbewegung möglich) Kombination aus stromabhängiger und stromunabhängiger Ölströmung Radiale Beblasung (Querströmung) „weiches“ Schalten aufgrund der Restleitfähigkeit der offenen Schaltstrecke © W. 02 27 Castor, 2007 Lichtbogenlöschung bei konventionellen Leistungsschaltern III Lichtbogenspannung Wiederkehrende Spannung Spannung an derr Schaltstrecke Strom t1 Einschaltstellung 02 28 t2 Schaltstift verläßt Kontakttulpe LiBo entsteht t3 t4 t5 Ölströmung kühlt den LiBo LiBo erlischt Ausschaltstellung © W. Castor, 2007 Löschprinzipien von konventionellen Leistungsschaltern IV Wasserschalter (Expansionsschalter) Durch den LiBo wird Wasserstoff gebildet. Das Gas umgibt den LiBo unter hohem Druck. In der Nähe des Stromnulldurchgangs wird die Gasentwicklung schwächer, der Druck nimmt ab, das Wasser verdampft schlagartig, die Schaltstrecke wir entionisiert. Wegen der Leitfähigkeit des Wassers sind Lufttrennmesser erforderlich Beim Einschalten auf Kurzschluß durch Vorlichtbogen Abbrennen des Schaltstiftes Expansin = dest. Wasser + Glykol Druckluftschalter (air-blast circuit-breaker) Löschmittelströmung immer stromunabhängig Zum Vermeiden von Schaltüberspannungen werden Widerstände parallel zur Schaltstrecke geschaltet. Doppelhub erforderlich: Kontakttrennung + Isolierhub Speichern eines großen Luftvolumens notwendig (Betriebsdrücke, große Rohrquerschnitte) Bei Ausfall der Druckluftversorgung kann nicht geschaltet werden ! Laute Schaltgeräusche © W. 02 29 Castor, 2007 Überspannungsableiter I (surge voltage protector) Schutz von Anlagen und Geräten vor Überspannungen (Blitzeinschläge, Schaltüberspannungen, Erdschlüsse) Isolationskoordination Funkenstreckenableiter: Löschfunkenstrecke Unterbrechen des Ableitstromes und Trennung im Normalbetrieb spannungsabhängiger Widerstand (SiC-Varistor) mit Funkenstrecke Vorteil: einfache Dimensionierung für jede Sternpunktform einsetzbar Nachteil: hohe Restspannung Ansprechspannung SiC-Varistor (Begrenzung der Restspannung) Restspannung Ableitstoßstrom Folgestrom 0 02 30 10 ms © W. Castor, 2007 Überspannungsableiter II Metall-Oxid-Ableiter (MO): Metall-Oxid-Widerstandsscheiben mit spannungsabhängiger Kennlinie ((ZnO) Vorteil: niedriger Schutzpegel Nachteil: genaue Anpassung an Netzverhältnisse MO-Ableitwiderstand (ZnO mit nichtlinearer Kennlinie) Ableitstrom (A) 105 104 103 SiC 102 10 1 ZnO 10-1 10-2 10-3 Klemmen-/ Dauerspannung 10-4 1 3 2 Kontrollfunkenstrecke (spark gap) 220-kV-Ableiter © W. 02 31 Castor, 2007 Primäre Bemessungsgrößen Bemessungsbetriebsspannung Ur: Obere Grenze der höchsten Spannung des Netzes für welches das Schaltgerät vorgesehen ist. 3,6 kV – 7,2 kV – 12 kV – 17,5 kV – 24 kV – 36 kV – 52 kV – 72,5 kV- 100 kV – 123 kV – 145 kV – 170 kV – 245 kV 300 kV – 362 kV – 420 kV - 550 kV – 800 kV Bemessungsisolationsspannung Up: Isoliervermögen von Leiter gegen Erde, zwischen den Leitern und über geöffnete Trennstrecken. Nachweis durch Blitzstoßspannung mit Normstoß 1,2 / 50 µs und Wechselspannungsprüfung 50 Hz / 1min. typ. Werte: Ur = 12 kV: UP = 75 kV Ur = 24 kV: UP = 125 kV Ur = 123 kV: UP = 450 kV Bemessungsstoßspannungsfestigkeit Uimp: Mass für die Festigkeit der Isolationsstrecken eines Schaltgerätes gegenüber Stoßüberspannungen Bemessungsbetriebsstrom Ir: Strom, den die Hauptstrombahn unter def. Bedingungen dauernd führen kann ohne thermisch Schaden zu nehmen Bemessungsstoßstrom Ip: Scheitelwert der ersten Teilschwingung nach Stromflußbeginn im Kurzschluss. Maß für die elektodynamische (mech.) Beanspruchung Bemessungskurzschlußeinschaltstrom ICM: Scheitelwert des Einschaltstromes bei einem Kurzschluß an den Anschlüssen eines Schaltgerätes. Die dyn. Stromkräfte wirken der Bewegung de Schaltstücke entgegen. Bemessungsausschaltstrom Ir: Lastausschaltstrom im Normalbetrieb Bemessungskurzschlußausschaltstrom ICN: Effektivwert des Ausschaltstromes bei Kurzschluß an den Anschlüssen 02 32 © W. Castor, 2007 Auswahl Schaltgeräte: Normalbetrieb Schaltaufgabe Leistungsschalter Leistungstrennschalter (Vakuum, SF6) Lasttrennschalter (Luft, Hartgas) Trennschalter einschaltfeste Erdungsschalter Überspannungsableiter induktive Stromkreise leerlaufende Trafos (Nullpunktbildner) x x x Belastete Trafos x x x Trafo im Rush x x Petersenspulen x x Kompensationsspulen x Motoren im Anlauf x x kapazitive Stromkreise Kondensatoren x x x unbelastete Kabel x x x x unbelastete Freileitungen x x Filterkreise x x Rundsteueranlagen x x Parallelschalten von Kondensatoren x x Ringauftrennung x andere Betriebsaufgaben x Sammelschienenwechsel x Erden und Kurzschließen x Synchronisieren x x x (verriegelt) x Trennen x x x Ableiten von Überspannungen x © W. 02 33 Castor, 2007 Auswahl Schaltgeräte: gestörter Betrieb Schaltaufgabe Leistungsschalter Leistungstrennschalter (Vakuum, SF6) Lasttrennschalter (Luft, Hartgas) Sicherung einschaltfeste Erdungsschalter Schalten bei Kurzschluß Einschalten x Klemmenkurzschluß x Kurzunterbrechung x Kurzschluß hinter Generator x Kurzschluß hinter Drosselspule x Kurzschluß hinter Transformator x blockierter Motor x Doppelerdschluß x Phasenopposition x x x x x x x x Schalten bei Erdschluß unbel. Kabel/Freileitungen Fehler auf der Netzseite x x bel. Kabel/Freileitungen Fehler auf der Netzseite x x unbel. Kabel/Freileitungen Fehler auf der Lastseite x x x unbel. Kabel/Freileitungen Fehler auf der Lastseite x x (x) (x) andere Betriebsaufgaben Trennen unter Last 02 34 x Schnellumschalten x Trafo mit Windungsschluß x Kurzschließen bei anstehender Spannung x x x © W. Castor, 2007