Schaltschrank Praxis Engineering Kurzschluss im Griff?

Transkript

1 Schaltschrank Praxis Engineering Kurzschluss im Griff? siemens.de/schaltschrank

2 Haftungsausschluss Die in dieser Präsentation gezeigten Applikationen sind beispielhaft ausgewählt und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit hinsichtlich denkbarer Konfigurationen und Anwendungen. Applikationsbeispiele sollen Ihnen eine Orientierung zur Bewältigung typischer Aufgabenstellungen bieten. Die Anwendung der Normen und Richtlinien basiert auf der Interpretation der Siemens AG. Die Siemens AG übernimmt für die Richtigkeit und/oder Vollständigkeit ihrer Interpretation keine Gewähr. Die Prüfung, ob Ihr Schaltschrank und Applikation den gültigen Normen und Richtlinien entspricht, obliegt Ihnen. Sie sind für die sichere und sachgemäße Installation Ihrer Produkte/Anlagen sowie für die Ermöglichung ihrer sicheren Inbetriebnahme, Nutzung und Wartung verantwortlich. Viele Tabellen und Texte in dieser Präsentation wurden zum Zeitpunkt der Präsentationserstellung aus den entsprechenden Normen und technischen Datenblättern entnommen. Die Normen und technischen Datenblätter unterliegen einer regelmäßigen Überarbeitung. Aus diesem Grund sollte jeder Nutzer dieser Präsentation die zitierten Passagen auf Aktualität prüfen. Die Siemens AG behält sich das Recht vor, Änderungen an dieser Präsentation jederzeit und ohne Ankündigung durchzuführen. Die Vervielfältigung dieser Präsentation sowie deren Weitergabe, Verwertung und Mitteilung ihres Inhalts an Dritte ist nicht gestattet. Seite 2

3 Agenda Grundlagen Kurzschluss 1.1 Größter Kurzschlussstrom 1.2 Kleinster Kurzschlussstrom Kurzschluss im Hauptstromkreis 2.1 Einspeisung 2.2 Verbraucherabzweige Kurzschluss im Steuerstromkreis Normen & Richtlinien Unterstützende Tools Seite 3

4 Warum Kurzschlussstrombetrachtung? Mögliche Störungen Video: Kurzschlussprüfung Überlast Überströme Übertemperatur Überlastströme Kurzschlussstrom Seite 4

5 Maschinenrichtlinie 2006/42/EG, Risiken durch sonstige Gefährdungen Elektrische Energieversorgung Eine mit elektrischer Energie versorgte Maschine muss so konstruiert, gebaut und ausgerüstet sein, dass alle von Elektrizität ausgehenden Gefährdungen vermieden werden oder vermieden werden können. Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und Niederspannungsrichtlinie 2014/35/EG Maschinen dürfen nur in Verkehr gebracht werden, wenn sie die Sicherheit und Gesundheit von Personen und gegebenenfalls von Haustieren und Sachen nicht gefährden. Schutz der Anlage vor bzw. bei elektrischen Störungen erforderlich! Seite 5

6 Mögliche Kurzschlüsse Kurzschluss zufällige oder beabsichtigte leitfähige Verbindung zwischen zwei oder mehr leitfähigen Teilen, durch die die elektrischen Potentialdifferenzen zwischen diesen leitfähigen Teilen zu Null oder nahezu zu Null erzwungen werden. Arten von Kurzschlüssen 1-poliger Kurzschluss 2-poliger Kurzschluss 3-poliger Kurzschluss Der einpoliger Kurzschluss erzeugt in der Regel den kleinsten Kurzschlussstrom. Seite 6 Der dreipoliger Kurzschluss erzeugt in der Regel den größten Kurzschlussstrom.

8 Kurzschlussströme am Transformator S n in kva uk in % Anfangs-Kurzschlusswechselstrom in ka In in A ,90 144,00 I k ,20 180, ,70 361, ,60 577, ,40 722, ,50 909, , ,00 Bei generatorfernem Kurzschluss ist der Anfangs-Kurzschlusswechselstrom während der gesamten Kurzschlussdauer nahezu konstant und damit gleich dem Dauerkurzschlussstrom , , , , , , , , , ,00 Seite 8

9 Größter Kurzschlussstrom bei Paralleleinspeisung Ikmax bei einem Trafo Ikmax bei zwei Trafos Seite 9

10 Einfluss der Leitungslängen und Querschnitte auf den Kurzschlussstrom Kabel und Leitungen dämpfen den Kurzschlussstrom ka kA Querschnitt in mm² (Vorgelagert ist noch eine NSHV) Einspeisung für den Schaltschrank In =160A Zuleitung 70mm²/20m Länge [m] Seite 10

11 Einfluss der Leitungslängen und Querschnitte auf den Kurzschlussstrom Kabel und Leitungen dämpfen den Kurzschlussstrom Ikmax bei 20m Leitungslänge Ikmax bei 100m Leitungslänge Seite 11

13 Kleinster Kurzschlussstrom Schutz gegen indirektes Berühren durch automatische Abschaltung Quelle: "Berechnung von Kurzschlussströmen und Spannungsfällen" von Gunter Pistora, 4. neu bearbeitete Auflage (2016), VDE Verlag GmbH Berlin Offenbach; S. 49 Kurzschlussschnellauslösung beim 3RV 13facher Faktor vom größten thermischen Einstellwert Engineering Tipp Seite 13

15 Aufteilung in Einspeisung und Verbraucherabzweige Einspeisung Kurzschlussschutz des Schaltschrankes Überlastschutz (Leitungen) im Schaltschrank Hauptschalter zum sicheren Freischalten/ Ausschalten der Anlage Schützen und Schalten in der Einspeisung LS 1.1A.1a NS-LS 1.1A.1b NSHV 1.1A Verbraucherabzweige Kurzschlussschutz des Verbraucherabzweiges Überlastschutz der Leitungen und Verbraucher Freischalten/Ausschalten einzelner Verbraucherabzweige anstatt kompletten Anlage Schützen und Schalten von Verbrauchern NSUV 1.1A.1 M M M M M Seite 15

16 Netztrenneinrichtung für Netzanschluss zur Maschine Elektrische Sicherheit für Maschinen DIN EN Nach DIN EN Nach DIN EN Sicherungsbehafteter Aufbau mit Lasttrennfunktion Lasttrennschalter ohne Sicherung Sicherungsloser Aufbau mit Leistungsschalter 3KF, 3NP1, 3NA, 3NE3, SITOR 3KD Vorgeordnete Überstromschutzeinrichtung notwendig! 3WL, 3RV, 3VA Seite 16

17 Erklärung Kurzschlussfestigkeit Lasttrennschalter nach IEC Lasttrennschalter ohne Sicherung Auszug aus der Norm: Zustand des Geräts nach der Prüfung Unmittelbar nach der Prüfung muss nachgewiesen werden, dass das Gerät ohne Last zufriedenstellend öffnet und schließt. Vorgeordnete Überstromschutzeinrichtung notwendig 3KD, 3LD Nach DIN EN Seite 17

18 Leistungsschalterarten Verhalten unter Kurzschluss Nullpunktlöscher Offene Leistungsschalter Kurzschlussstrombegrenzende Kompaktleistungsschalter 1 D 1 2 t z.b. 4ms 10ms Rotatorisches doppelunterbrechendes Kontaktsystem beim 3VA Seite 18

19 Definition von I cu und I cs Die IEC definiert Bemessungsgrenzkurzschlussausschaltvermögen I CU Bemessungsbetriebskurzschlussausschaltvermögen I CS Dieser Strom muss vom Leistungsschalter zwei Mal ohne Beschädigung abgeschaltet werden Anschließend ist das Gerät auszutauschen oder zu revidieren Dieser Strom muss vom Leistungsschalter drei Mal ohne Beschädigung abgeschaltet werden Der Schalter muss anschließend in der Lage sein, Betriebsstrom zu führen Notierung der Anzahl der Kurzschlussauslösungen zur Bewertung der Funktionsfähigkeit. I CU : Eine Auslegung nach I CU ist Empfehlenswert, wenn die Gefahr eines Kurzschlusses sehr gering ist. I CS : Eine Auslegung nach I CS ist Empfehlenswert, wenn ein sehr hohe Anlagenverfügbarkeit gefordert ist. Engineering Tipp Seite 19

20 Definition von I cu und I cs Datenblattauszug 3RV2021-4EA10 (27 32A) Seite 20

21 Selektivität Begriffserklärung Q1 Q1 Q3 Q2 Q3 Q2 Eine Anlage mit mehreren in Reihe geschalteten Schutzorganen ist selektiv, wenn im Störungsfall nur das in Energierichtung gesehen direkt vor der Störungsstelle liegende Schutzorgan (Q2) anspricht und allein den Fehler abschaltet. Nichtbetroffene Abzweige (Q3) werden weiterhin versorgt. Selektivitätshandbuch 3VA Selektivitätstabellen des 3VA Schaltet zusätzlich zum Schutzorgan im betroffenen Stromkreis (Q2) auch das Schutzorgan im vorgeordneten Stromkreis (Q1) ab, wird für weitere vom Fehler nicht betroffene Stromkreise die Spannungsversorgung unterbrochen. In diesem Fall spricht man von nicht selektivem Verhalten. Engineering Tipp Seite 21

22 Kompaktleistungsschalter 3VA2 mit ETU340 ELISA Bessere Skalierung mit nachgeschalteter Sicherung im Vergleich zu LSI Beispiel: NH-Sicherung mit I n = 100 A mit einem vorgeschalteten 3VA2 3NA Sicherung, I n 100 A 3VA2, ETU350, I n 160 A nicht selektiv 3NA Sicherung, I n 100 A 3VA2, ETU350, I n 250 A I r 225 A 15-20% Kostensenkung 3NA Sicherung, I n 100 A 3VA2, ETU340 ELISA, I n 160 A I r 160 A Seite 22

23 Back-Up-Schutz Back-up-Schutz Ist das Nutzen eines strombegrenzenden übergeordneten Schutzorgans (Q1), das ein nachgeordnetes Schutzorgan (Q2) dabei unterstützt, Überströme anzuschalten, die größer sind, als sein Kurzschlussausschaltvermögen. Das übergeordnete Schutzorgan löst dabei (je nach Größe des Überstroms) auch aus. Q1 Q2 Seite 23

24 Back-Up-Schutz Link: Back-Up Tabellen 3VA Seite 24

25 Verteilung nach der Einspeisung Verteilung über Sammelschienensysteme Flexibler Aufbau 60-mm-Sammelschienensystem 1 Um Kurzschlussfestigkeit von 50 ka bei Sammelschienensyste m 20x10 oder 12x10 zu erreichen muss alle 350mm eine Stütze gesetzt werden Speziell abgestimmter Aufbau Betrachtung der Kurzschlussfestigkeit ist erforderlich. 1 2 Stoßstrom I pk Abstand der Sammelschienenhalter 2 Seite 25

27 Aufbaumöglichkeiten von Verbraucherabzweigen Sicherungsbehafteter Aufbau Sicherungsloser Aufbau 5SE, 3NA 3RV Seite 27

28 Sicherungslose Verbraucherabzweige Geprüfte Kombinationen bis 150 ka Selbstzusammenbau Geprüfte Kurzschlussfestigkeit nach DIN EN bis 150 ka (400 V) Geprüfte Kombinationen für Zuordnungsart 1 und Zuordnungsart 2 Geprüfte Kombinationen für verschiedene Anwendungen (z.b. Direkt-, Wende-, Stern-Dreieck-Start) Fertigmontierte Kombinationen 3RA2 Fertig montierte und geprüfte Verbraucherabzweige 3RA2 für Direkt- und Wendestart Leistungsschalter 3RV2 und Schütz 3RT2 elektrisch und mechanisch über Bausätze ab Werk verbunden im Einstellbereich von 0,14 bis 65 A als fertige Kombination erhältlich System für Schraub- als auch Federzug erhältlich Seite 28

30 Überstromschutz Steuerstromkreise Leiter von Steuerstromkreisen müssen gegen Überstrom geschützt sein! in Steuerstromkreisen, die an das Schutzleitersystem angeschlossen sind, durch Einbau einer Überstromschutzeinrichtung in den Schaltleiter Seite 30

31 Absicherung von Steuerstromkreisen Die DIN EN verlangt eine Absicherung der Steuerstromkreise gegen Überstrom. Dabei stehen uns folgende Möglichkeiten zur Verfügung: Absicherung mit Leitungsschutzschalter Absicherung mit Selektivitätsmodul Seite 31

32 Absicherung von Steuerstromkreisen Ersatzschaltbild im Fehlerfall Stromversorgung 24 V/10 A R i = 30 mω Leitungsschutzschalter C4 Klemmenleiste R ü = 20 mω Kurzschlussimpedanz: 3 Ω Leiterimpedanz = 2,4 Ω R k = 10 mω Verbraucher Problem! Einige Millisekunden Unterversorgung reichen bereits aus, um eine Anlage zum Stillstand zu bringen. Bei einer SPS können bereits Unterbrechungen ab ca. 20ms kritisch werden. Leitung 2 * 50 m; 0,75 mm 2 spezifischer Widerstand Cu 17,8 mω * mm²/m Leiterimpedanz 17,8 mω * 100 m/0,75 mm² = 2,4 Ω Kurzschlussstrom durch Impedanz 24 V/ 3 Ω = 8 A Auslösezeit C4 14,5 sec Tipp: SITOP Select oder ele. Sicherung nutzen Seite 32

34 Wesentliche Änderungen in der IEC (Edition von 2011) Nachweis der Kurzschlussfestigkeit Nachweis der Bemessungsströme des Kurzschlusses durch Vergleich mit einer Referenzkonstruktion (Checkliste oder Berechnung) Prüfung Der Nachweis der Kurzschlussfestigkeit darf entfallen bei A Schaltgerätekombinationen mit Bemessungskurzzeitstromfestigkeit I cw oder bedingtem Bemessungskurzschlussstrom I cc von höchstens 10 ka Effektivwert B Schaltgerätekombinationen, geschützt durch strombegrenzende Einrichtungen, deren Durchlassstrom maximal 17 ka (I peak ) nicht überschreitet. C Für Hilfsstromkreise: U N2 110V, P N 10kVA und uk 4% U N2 < 110V, P N 1,6kVA und uk 4% Seite 35

35 A Schaltgerätekombinationen mit Bemessungskurzzeitstromfestigkeit I cw oder bedingtem Bemessungskurzschlussstrom I cc von höchstens 10 ka Effektivwert Icw Bemessungskurzzeitstromfestigkeit oder Icc Bemessungskurzschlussstrom 10 ka Einspeisung Feld A Feld B Abgänge Icp 10kA (Angabe des Betreibers) Seite 36

36 B Schaltgerätekombinationen, geschützt durch strombegrenzende Einrichtungen, deren Durchlassstrom maximal 17 ka (I peak ) nicht überschreitet. Überstromschutzgeräte: Ic 17kA Ic 17kA bei max. prospektiven Kurzschlussstrom Icp an der Einspeisung Einspeisung Feld A Feld B Abgänge Icp 10kA Seite 37

37 Kurzschlussnachweis nach IEC-Normen Kurzschlussnachweis nach IEC Übersicht Kompaktleistungsschalter 3VA... mit Durchlasswerten 17 ka Sicherungssysteme NH-Sicherungssysteme Seite 38

38 Kurzschlussnachweis nach IEC-Normen Kurzschlussnachweis nach IEC SIMARIS curves Beispiel mit SIMARIS curves Leistungsschalter 3RV2042, 50 A, I cu = 100 ka I = 30 ka I c = 16,2 ka I c 17 ka Kein Nachweis der Kurzschlussfestigkeit erforderlich!! Seite 39

39 Referenzkonstruktion Beispiel 3VA11 Baugröße 160A 70 ka bei Gehäusevolumen > 23,3 dm³ 5 x 3RV2 S00 bis 16 A 55 ka bei Gehäusevolumen > 12,6 dm³ 4 x 3RV2 S0 bis 25 A 55 ka bei Gehäusevolumen > 12,6 dm³ 1 x 3RV2 S0 bis 32 A 50 ka bei Gehäusevolumen > 12,6 dm³ Addition aller Gehäusevolumen, der im Schaltschrank verbauten Komponenten notwendig? Nein, nur Verbraucherabzweig plus Hauptschalter ist zu beachten, wenn keine Selektivität gewährleistet. 35,9 dm³ Einspeisung Verbraucherabzweige Bei garantierter Selektivität ist das größtes Volumen ist zu beachten. 23,3 dm³ Angabe auf dem Typenschild: I cc = 70 ka (kurzschlussstrombegrenzende Wirkung des 3VA) Seite 40

41 Zusammenfassung SIMARIS design Link SIMARIS design Engineering Tipp Kostenloses Tool zur Netzberechnung komplette Dokumentation Seite 42

42 Vorteile SIMARIS design Kurzschlussansicht bei der Netzplanung Größter Kurzschlussstrom & kleinster Kurzschlussstrom Seite 43

43 Vorteile SIMARIS design Dimensionierungsziel Back-Up Schutz Selektivität Seite 44

44 Vorteile SIMARIS design - Professional Selektivitätsansicht auf einen Blick durch farbliche Kennzeichnung Seite 45

45 Zusammenfassung SIMARIS design Ansicht der Kurzschlussströme bei der Projektausgabe Seite 46

46 Welche Unterstützung bietet Siemens an? Website Schaltschrank und Normen SIMARIS-tools Übersicht Kompaktleistungsschalter 3VA.. mit Durchlasswerten 17 ka Verfügbar im Siemens Industry Online Support Übersicht Leistungsschalter 3RV.. mit Durchlasswerten 17 ka (derzeit in Erstellung) Übersicht Sicherungssysteme mit Durchlasswerten 17 ka Verfügbar im Siemens Industry Online Support Website zur IEC Seite 47

47 Schaltschrank Praxis Engineering Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Besuchen Sie im Anschluss unsere Kolleginnen und Kollegen auf der Microfair. Wir stehen Ihnen gern für Fragen zur Verfügung! Seite 48

48 Terminologie Dauerkurzschlussstrom Ik Effektivwert des Kurzschlussstroms, der nach Abklingen aller Ausgleichsvorgänge bestehen bleibt Anfangs-Kurzschlusswechselstrom Ik`` Effektivwert des Wechselstromanteils eines Kurzschlussstrom im Augenblick des Kurzschlusseintritts (ohne Gleichstromanteil) Stoßkurzschlussstrom Ip Maximal möglicher Scheitelwert eines Kurzschlussstrom im Augenblick des Kurzschlusseintritts (inkl. Gleichstromanteil) Bemessungsgrenzkurzschlussausschaltvermögen Icu Kurzschluss abschalten => 3 Minuten Pause => auf bestehenden Kurzschluss schalten und abschalten Prüffolge Bemessungsbetriebskurzschlussausschaltvermögen Ics Kurzschluss abschalten => 3 Minuten Pause => auf bestehenden Kurzschluss schalten und abschalten => 3 Minuten Pause => noch einmal auf bestehenden Kurzschluss schalten und abschalten unbeeinflusster Kurzschlussstrom Icp Der unbeeinflusste Kurzschlussstrom ist der Strom, der fließen würde, wenn die Versorgungsleitungen zur Schaltgerätekombination an den Anschlüssen der Einspeisung der Schaltgerätekombination mit vernachlässigbarer Impedanz kurzgeschlossen werden (Strom auf der Primärseite einer Sicherung) Kurzschlussschutzgerät (SCPD) Gerät, das dazu dient, einen Stromkreis oder einen Teil eines Stromkreises vor Kurzschlussströmen zu schützen, indem diese unterbrochen werden. Bemessungskurzzeitstrom Icw Effektivwert des Kurzzeitstroms, den ein Stromkreis einer Schaltgerätekombination ohne Schaden tragen kann. Bemessungsstoßstromfestigkeit Ipk Scheitelwert des Stroms, dem ein Schaltgerätekombination standhalten kann. Bedingter Bemessungskurzschlussstrom Icc angegebener Wert des unbeeinflussten Kurzschlussstroms, dem der durch eine Kurzschluss-Schutzeinrichtung (SCPD) geschützte Stromkreis während der Gesamtausschaltzeit (Stromflussdauer) standhalten kann. Seite 49