Funktion: Strom schalten Gewährleisten sicherer und flexibler Betrieb der EEV und EV-Anlagen Möglichkeit der Instandhaltung Steuerung des Leistungsflusses einschließlich ein- und ausschalten von Abnehmern selektives Heraustrennen fehlerbehafteter und überlasteter Netz- und Anlagenteile Herstellen und Sichern des spannungsfreien Zustandes von Anlagenteilen schneller Wechsel der Zustände EIN/ Schließen: AUS/ Öffnen: optimaler Leiter, geringe Verluste idealer Isolator Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 1
arten Funktionen im System/ Schaltfähigkeiten Leistungsschalter Ein- und Ausschalten auf/ unter Last (Nennstrom), Ausschalten von KS-Strom Trenner Trennen und Schließen des Strompfades annähernd stromlos sichtbare Trennstelle schaffen; kein Schaltvermögen! (entsprechende Auslegung: kleine induktive o. kapazitive Ströme schaltbar) Lastschalter Ein- und Ausschalten von Lastströmen bis I N, keinen KS-Strom! Ausschaltvermögen bis cosϕ> 0,7 Erdungsschalter Einschaltvermögen bis I N, kein Ausschaltvermögen Erdungstrenner kein Ein- und Ausschaltvermögen, Sichern der Arbeitsstelle in vorher spannungsfrei geschaltetem Zustand Kurzschließer Einschaltvermögen in Schnellzeit im Rahmen einer Schutzeinrichtung (gewollter Kurzschluss, spezieller Auslöser), kein Ausschaltvermögen Sicherungen einmaliges Ausschalten von Über- und KS-Strömen Überspannungsableiter Begrenzung einer die Isolation gefährdenden Überspannung Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 2
Belastungen beim Schalten Betriebsmittel zur Energieverteilung Auswahlbedingungen für Schaltvorgang mit Energieänderung im Netz = Ausschalten einer stromführenden Schalteinrichtung = Einschalten einer Schalteinrichtung, die Potenzialdifferenz überbrückt elektromagnetischer Ausgleichsvorgang im Netz Belastung für Schalteinrichtung + Belastung anderer Anlagenteile durch Schaltüberspannungen Leistungsschalter vorrangig nach Ausschaltstrom auszuwählen Belastung durch Ausschaltstrom und Einschwingspannung Gefährliche Schaltüberspannungen beim Ausschalten kleiner induktiver und kapazitiver Ströme und beim Schalten langer leerlaufender Freileitungen (leerlaufende Trafos, Drosselspulen, HS-Motoren kleiner Leistung, Kondenstorbatterien) BEI AUSLEGUNG BEACHTEN! Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 3
Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 4 Betriebsmittel zur Energieverteilung Kenn- und Auswahlgrößen
Einschaltvorgang Ausschaltvorgang Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 5
Durch Schalter zu schaltende Ströme Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 6
Strom- und Spannungsverläufe beim Schalten von Kurzschlussströmen Beispielnetz (Generator G, Transformator L N, C N, Leitung L,C und Leistungsschalter P) i K Kurzschlussstrom u B Lichtbogenspannung U e Einschwingspannung U w - Wiederkehrspannung Prinzipieller Verlauf der Größen beim Schalten des KS-Stromes im Nulldurchgang Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 7
Der Lichtbogen als Schaltelement (1) Lichtbogen entsteht bei Entfernung der Kontaktflächen voneinander Anzahl der Stromübergangsstellen verringert sich Stromdichte J nimmt zu (J = I/A) hohe Stromwärme Metall verdampft Metalldampfwolke als erste Stufe des Lichbogens Ionen und Elektronen emitieren Gas wird ionisiert, Entstehung des Brennfeldes Leistungsumsatz w = i B (t)*u B (t) dt ϑ LB = (10...15)*10 3 K Folgen: Abbrand der Schaltkontakte Druckanstieg im Gas Thermische Beanspruchung der Schaltkammerwand entsprechende Konstruktion der Schaltkammer entsprechende Materialien schnelle Löschung des Lichtbogens = Minimierung der Auswirkungen Schalthäufigkeit beachten Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 8
Der Lichtbogen als Schaltelement (2) Leiter Leiter mit Widerstand Isolator Guter Stromübergang nicht beeinflussbare Ionen- und kein Leitungsvorgang Elektronenleitung Definiert durch Form und Material keine feste Länge, Form und Lage geringe Eigenerwärmung hohe Lichtbogentemperatur Abkühlen auf Umgebungs- Veränderung im µs/ ms-bereich temperatur Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 9
Prinzipien der Lichtbogenlöschung Ziel der Lichtbogenlöschung = Lichtbogenstrom auf Wert Null reduzieren = Wiederzünden über der Schaltstrecke auftretenden Wiederkehrspannung verhindern Lichtbogenlöschung erfolgreich, wenn die Schaltstrecke der wiederkehrenden Spannung ohne Wiederzündung standhalten kann Schaffung der Löschbedingungen durch: Erhöhung der Lichtbogenspannung Verringerung der Restleitfähigkeit der Schaltstrecke schnelle Herstellung der Durchschlagfestigkeit der Schaltstrecke Verringerung der Beweglichkeit durch Druckerhöhung Trägerschwund durch intensive Wärmeableitung (Kühlung) Erhöhung des Konvektionsstromes durch Lichtbogenbewegung Methoden und Einrichtungen der Lichtbogenlöschung kombinieren mehrere Effekte mit unterschiedlichen Anteilen an der Löschwirkung Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 10
Prinzipien der Lichtbogenlöschung Löschmitteleinwirkungen Stromabhängig Stromunabhängig kombiniert Löschmittel feste flüssige = Quarzsand (Sicherungen), gasabgebende Isolierwände = Mineralöl, Wasser gasförmige = Druckluft (bis 4MPa), Vakuum, SF 6 Anzahl der Ausschaltungen orientierende Berechnung bis zur Revision bezogen auf vollen Kurzschlussstrom Angabe Schalthäufigkeit = Anwenderforderung! n n a an I = I an a α t t an a n a = n an I I an a α I an = voller KS-Strom I a = beliebiger Ausschaltstrom n an, a = Anzahl Ausschaltungen t a, t an = Lichtbogenzeit bei I a, I an α = Konstruktionswert (1,5-2,3) Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 11
Prinzipien der Lichtbogenlöschung 1. natürliche Lichtbogenverlängerung (thermischer Auftrieb) Lichtbogendehnung 2. Magnetisches Fremdfeld = magnetische Beblasung Verlängerung 3. Form der Löschkammer = Lichtbogen durch thermischen Auftrieb in Löschkammer geleitet Konstruktion so, dass starke Verlängerung des Lichtbogens 4. Kühlung = Gas oder Öl, Energieentzug 5. Deionkammer (Fußpunktkühlung) = verkupferte Eisenbleche, Aufteilung in Teillichtbögen Verringerung der Spannung unter U LB Löschung Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 12
Prinzipien der Lichtbogenlöschung Ausschaltvorgang in SF 6 Quelle: Siemens Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 13
Prinzipien der Lichtbogenlöschung SF 6 -Leistungsschalter Quelle: Siemens Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 14
Prinzipien der Lichtbogenlöschung Vakuumschaltröhre Quelle: Siemens Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 15
antrieb - Beispiele Elektrohydraulischer Antrieb 1 Hydraulikspeicher 2 Antriebszylinder 3 Kolbenstange 4 Hauptventil 5 Einschaltmagnet 6 Ausschaltmagnet 7 Ölbehälter 8 Ölpumpe 9 Motor 10 Filter 11 Hilfsschalter Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 16
antrieb - Beispiele Einschalten Federspeicher-Antrieb Ausschalten Einschaltfeder spannen 1 Einschaltfeder 2 Pleuelstange 3 Ausschaltauslöser 4 AUS-Klinke 5 Hebel mit Rolle 6 Kurvenscheibe 7 Einschaltauslöser 8 EIN-Klinke 9 Koppelgestänge 10 Kontakt 11 Unterbrechereinheit 12 Schaltstange 13 Umlenkgetriebe 14 Ausschaltfeder 15 Transportklinke 16 Getriebe 17 Motor 18 Handkurbel 19 Antriebswelle 20 Nockenscheibe 21 Festplatte für dreipoliges Ein- und Ausschalten Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 17
- Schütze Magnetisches Antriebssystem Horizontale Schaltstückbewegung Wie a) Vertikale Schaltstückbewegung Drehbewegung der Kontaktgabe Schütz mit magnetkraftunabhängiger Kontaktkraft 1 Kontaktfedern 2 Schaltstücke 3 Stößel 4 Bewegliche Magnethälfte 5 Rückstellfedern Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 18
- Schütze entscheidend für mechanische Beanspruchung Kraftbedarfskennlinie der zu bewegenden Elemente und Kraft-Weg-Kennlinie des Magnetantriebes stimmen nur unvollkommen überein I = Anzugbeginn = größter Luftspalt zwischen Magnethälften II = Schaltstückberührung III = voller Federdurchdruck Kraftbedarf und Kraft-Weg-Kennlinie des Magnetantriebes a) Kraftbedarf b), c), d) Kraft-Weg-Kennlionien Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 19
- Schütze Vakuumschütz Quelle: Siemens Lebensdauer: bis zu 2 Mio Schaltspielen Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 20
Trenner - Drehtrennschalter Zwei-Stützer-Aufstellung in luftisolierten Anlagen Zweiteilige Strombahn wird waagerecht drehend geöffnet oder geschlossen eine Schaltstrecke je Pol Funktionsweise: bei Betätigung dreht Antrieb die Antriebswelle um 180 Hebel und Gestänge drehen sämtliche Isolatoren mit den fest mit ihnen verbundenen Strombahnhälften um je 90 Öffnen oder Schließen der Strombahn Anschluss von Erdungsschaltern möglich Kurzschlussfestigkeit des Erdungsschalters muss der des Trenners entsprechen Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 21
Trenner - Drehtrennschalter Aufstellungsart hintereinander nebeneinander Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 22
Betriebsmittel zur Energieverteilung Trenner -Greifertrennschalter Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 23 in luftisolierten Anlagen Trennstrecke mit Strombahn liegt in der Stützerachse Einsäulentrennschalter Gegenkontakt an einem Leiter über über dem Trennschalter aufgehängt
Betriebsmittel zur Energieverteilung Trenner - Hebeltrennschalter Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 24 luftisolierte Anlagen Strombahn schwenkt vertikal in Achse mit dem Trennschalterpol Schaltzustand klar erkennbar
Niederspannungs- VDE 0660 Konstruktions-und Einsatzbedingungen kontaktgebende bis 1000V prinzipielle Funktionen vergleichbar mit HS/ MS-n Leistungsschalter Schütze Motorschutzschalter erfüllen Motorschaltbedingungen, kleine KS-Ströme, Netzausläufer, direkt an der Arbeitsmaschine angebracht keine Einrichtungen zur LB-Löschung Leitungsschutzschalter Leitungsschutz im Bereich kleiner Nennströme, konstruktive Merkmale von Leistungsschaltern, Ersatz für Schmelzsicherungen speziell in Haushaltsstromkreisen (bis 63A) Fehlerspannungs (FU) - und Fehlerstrom (FI) - Schutzschalter - Auftrennung des Stromkreises bei Auftreten gefährlicher Berührungsspannungen infolge von Isolationsfehlern Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 25
Sicherungen Schmelzzeitkennlinien von Sicherungen a) Träge b) flink c) träg flink d) überflink Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 26
Sicherungen Selektivität von Sicherungen in Kombination mit Leistungsschaltern Leistungsschalter und nachgeschaltete Schmelzsicherung vorgeschaltete Schmelzsicherung 400A 1250A t V =100ms 630A gl 80A gl 400A 400A 800A gl 250A Prof. Dr.-Ing. Kathrin Lehmann EET, Abschnitt 10 Folie - 27