Generatorleistungsschalter (GCB) im Vergleich zu konventionellen Hochspannungs-Leistungsschaltern: Die wichtigsten Unterschiede

1. Unterbrechung von Kurzschlussströmen mit "verzögertem Nulldurchgang"

• Herkömmliche Leistungsschalter: Löschen des Lichtbogens beim natürlichen Stromnulldurchgang. In einem typischen Verteilnetz klingt der Gleichstromanteil des Kurzschlussstroms schnell ab, sodass der Stromnulldurchgang fast sofort eintritt und die Unterbrechung unkompliziert ist.
• Generatorleistungsschalter: Sehen sich einer ganz anderen Situation gegenüber. Bei dem extrem hohen X/R-Verhältnis des Generatorstromkreises klingt der Gleichstromanteil sehr langsam ab, was den Nulldurchgang weit in die Zukunft verschieben kann – ein Zustand, der als "verzögerter Nulldurchgang" bekannt ist. Gemäß IEC/IEEE 62271-37-013 muss der GCB in der Lage sein, Ströme mit einem sehr hohen Gleichstromanteil zu unterbrechen. Dies geschieht durch den Aufbau einer hohen Lichtbogenspannung, wenn sich die Kontakte trennen, wodurch der Strom auf Null gezwungen wird, damit der Fehler sicher beseitigt werden kann.

2. Anstiegsrate der transienten Wiederkehrspannung (TRV)

• Herkömmliche Leistungsschalter: Weisen bei Klemmenfehlern während der Kontaktöffnung einen relativ sanften TRV-Anstieg auf, sodass das erforderliche dielektrische Erholungsvermögen bescheiden ist.
• Generatorleistungsschalter: Erleben bei Generatorquellenfehlern einen extrem schnellen TRV-Anstieg mit sehr geringer Zeitverzögerung. Um dies zu überstehen, benötigt ein GCB eine dielektrische Erholungsgeschwindigkeit, die weit über dem liegt, was ein Verteilnetzleistungsschalter derselben Klasse bieten würde.

3. Isolationsniveau und Stehvermögen

• Herkömmliche Leistungsschalter: Sind hauptsächlich gegen normale Netzspannungsschwankungen isoliert.
• Generatorleistungsschalter: Müssen mit schnellen Spannungsänderungen zurechtkommen, wenn der Generator abgeschaltet wird, was sehr hohe transiente Überspannungen am Schalter verursachen kann. GCBs werden daher mit deutlich höheren Isolationsniveaus und Blitzstoßspannungsfestigkeit gebaut als Verteilnetzleistungsschalter vergleichbarer Nennwerte.

4. Außerphasiges Ausschalten und Einschalten

• Herkömmliche Leistungsschalter: Haben in der Regel keine zwingende Anforderung an das außerphasige Ausschalten oder nur eine milde.

• Generatorleistungsschalter: Müssen ein starkes außerphasiges Ausschalten bieten. Wenn Generator und Netz nicht synchron sind – also Spannung und Frequenz nicht übereinstimmen – wird die Schaltstrecke durch extrem hohe Spannung belastet. GCBs werden daher für weitaus höhere außerphasige Ausschaltströme als herkömmliche Leistungsschalter spezifiziert, wobei auch ein höherer zulässiger Gleichstromanteil im asymmetrischen Strom erlaubt ist.

5. Nennstrom und Schaltvermögen

• Herkömmliche Leistungsschalter: Sind für bescheidene Stromnennwerte gebaut.
• Generatorleistungsschalter: Sind für hohe Ströme ausgelegt. Ihr Nenn-Dauerstrom und Kurzschluss-Ausschaltstrom übertreffen die von Verteilnetzleistungsschaltern bei weitem, da sie die extreme Beanspruchung großer Erzeugungseinheiten bewältigen müssen.

6. Aufbau und Antriebsmechanismus

• Herkömmliche Leistungsschalter: Besonders bei höheren Spannungen, wo der Phasenabstand groß ist, werden sie oft als einpolig betätigte Geräte gebaut, was das Risiko eines nicht gleichzeitigen Phasenbetriebs birgt.
• Generatorleistungsschalter sind in der Regel mit einem dreiphasigen mechanisch verriegelten Antriebsmechanismus ausgestattet, um einen synchronen Betrieb zu gewährleisten. Dies verhindert den Negativsequenzstrom, den ein nicht gleichzeitiger Betrieb im Generatorständer erzeugen würde, was andernfalls den Läufer beschädigen könnte. Moderne GCBs neigen auch dazu, den Leistungsschalter, den Trennschalter, den Erdungsschalter und die Messwandler in einer kompakten Baugruppe zu integrieren.

Zusammenfassung

Ein GCB ist nicht einfach nur ein herkömmlicher Hochspannungsleistungsschalter, der in den Generatorstromkreis eingefügt wird; es handelt sich um einen speziell entwickelten Schutz, der für die einzigartigen Anforderungen von Generatorsystemen gebaut wurde. Der herkömmliche Leistungsschalter arbeitet in einem Verteilungsnetz, in dem der Gleichstromanteil schnell abklingt und die Systemimpedanz relativ stabil bleibt, während der GCB mit Strömen mit verzögertem Nulldurchgang aufgrund hoher X/R-Verhältnisse, einer extrem steilen TRV, anspruchsvollen Außer-Tritt-Schaltspielen und sehr hohen Nennströmen zurechtkommen muss.

Hinzu kommt der dreiphasige Verriegelungsmechanismus, und so entsteht eine Konstruktion, die das Risiko von Rotorschäden durch nicht gleichzeitiges Schalten eliminiert. Verteilungsleistungsschalter sind den elektrischen Beanspruchungen am Generatorabgang schlichtweg nicht gewachsen – nur ein GCB kann diese Fehler in Millisekunden abschalten und den Schutz bieten, auf den große Generatoreinheiten und ihre Aufwärtstransformatoren angewiesen sind.

Bearbeitet nach: Garca