Schalterschutzkennwerte

Definition des Schalters

Ein Schalter ist ein Gerät, das so konzipiert ist, dass es elektrische Schaltkreise vor Schäden durch Überstrom oder Kurzschluss schützt, indem es den Stromfluss unterbricht.

Kurzschlussunterbrechungsstrom des Schalters

Dies ist der maximale Kurzschlussstrom, den ein Schalter (CB) aushalten kann, bevor er durch Öffnen seiner Kontakte endgültig geklärt wird.

Wenn ein Kurzschluss durch einen Schalter fließt, verursacht dies thermische und mechanische Belastungen in den stromführenden Teilen des Schalters. Wenn die Kontaktfläche und die leitenden Teile zu klein sind, kann dies zu dauerhaften Schäden an der Isolierung und den leitenden Teilen des Schalters führen.

Gemäß dem Jouleschen Wärmegesetz ist die Temperatursteigerung direkt proportional zum Quadrat des Kurzschlussstroms, dem Kontaktwiderstand und der Dauer des Kurzschlusses. Der Kurzschlussstrom fließt weiter durch den Schalter, bis der Fehler durch Öffnen des Schalters beseitigt wird.

Da die thermische Belastung im Schalter proportional zur Dauer des Kurzschlusses ist, hängt die Unterbrechungskapazität des elektrischen Schalters von der Betriebszeit ab. Bei 160°C wird Aluminium weich und verliert seine mechanische Festigkeit. Diese Temperatur kann als Grenzwert für die Temperaturerhöhung der Schalterkontakte während eines Kurzschlusses angesehen werden.

Daher ist die Kurzschlussunterbrechungskapazität oder -stromstärke eines Schalters definiert als der maximale Strom, der durch den Schalter fließen kann, vom Zeitpunkt des Auftretens eines Kurzschlusses bis zu dessen Beseitigung, ohne dauerhafte Schäden am Schalter zu verursachen. Der Wert des Kurzschlussunterbrechungsstroms wird in Effektivwert angegeben.

Während eines Kurzschlusses ist der Schalter nicht nur thermischer Belastung ausgesetzt, sondern leidet auch stark unter mechanischer Belastung. Daher wird bei der Bestimmung der Kurzschlusskapazität auch die mechanische Festigkeit des Schalters berücksichtigt.

Um einen geeigneten Schalter auszuwählen, ist es offensichtlich notwendig, die Fehlerstufe an dem Punkt des Systems zu bestimmen, wo der Schalter installiert wird. Sobald die Fehlerstufe eines Teils der elektrischen Energieübertragung festgelegt ist, ist es einfach, den korrekt dimensionierten Schalter für diesen Teil des Netzes auszuwählen.

Nennkurzschlussanstellstrom

Die Kurzschlussanstellkapazität eines Schalters wird im Spitzenwert angegeben, im Gegensatz zur Unterbrechungskapazität, die im Effektivwert angegeben wird. Theoretisch kann der Fehlerstrom beim Auftreten eines Fehlers auf das Doppelte seines symmetrischen Fehlerpegels ansteigen.

Im Moment, in dem ein Schalter in einem fehlerhaften Zustand eingeschaltet wird, ist der Kurzschlussanteil des Systems, der mit der Quelle verbunden ist. Der erste Stromzyklus, wenn der Schaltkreis durch den Schalter geschlossen wird, hat die maximale Amplitude. Dies entspricht etwa dem Doppelten der Amplitude des symmetrischen Fehlerstromwellenformen.

Die Kontakte des Schalters müssen diesen höchsten Stromwert während des ersten Wellenzyklus, wenn der Schalter unter einem Fehler geschlossen wird, aushalten. Basierend auf diesem oben beschriebenen Phänomen sollte ein ausgewählter Schalter mit einer Kurzschlussanstellkapazität bewertet werden.

Da der Nennkurzschlussanstellstrom des Schalters im maximalen Spitzenwert angegeben wird, ist er immer höher als der Nennkurzschlussunterbrechungsstrom des Schalters. Der normale Wert des Kurzschlussanstellstroms beträgt 2,5-mal mehr als der Kurzschlussunterbrechungsstrom. Dies gilt sowohl für Standard- als auch für Fernbedienungsschalter.

Nennbetriebsablauf

Dies ist die mechanische Anforderung an den Betriebsmechanismus des Schalters. Der Ablauf des Nennbetriebsdienstes eines Schalters wurde wie folgt spezifiziert:

Hierbei steht O für die Öffnungsoperation des Schalters. CO repräsentiert die Schließzeitspanne, die unmittelbar von einer Öffnungsoperation ohne absichtliche Zeitverzögerung gefolgt wird. t' ist die Zeit zwischen zwei Operationen, die erforderlich ist, um die Anfangsbedingungen wiederherzustellen und/oder eine unangemessene Erwärmung der leitenden Teile des Schalters zu verhindern. t = 0,3 Sekunden für den Schalter, der für die erste automatische Wiedereinschaltdienst vorgesehen ist, wenn nicht anders angegeben.

Angenommen, der Nenndienstablauf eines Schalters lautet:

Dies bedeutet, dass eine Öffnungsoperation des Schalters von einer Schließoperation nach einer Zeitspanne von 0,3 Sekunden gefolgt wird, und dann öffnet der Schalter ohne absichtliche Zeitverzögerung erneut. Nach dieser Öffnungsoperation wird der Schalter nach 3 Minuten erneut geschlossen und löst sich sofort ohne absichtliche Zeitverzögerung aus.

Nennkurzdauerstrom

Dies ist der Stromgrenzwert, den ein Schalter sicher für eine bestimmte Zeit ohne Schaden tragen kann. Die Schalter beseitigen den Kurzschlussstrom nicht sofort, sobald ein Fehler im System auftritt. Es gibt immer absichtliche und unbeabsichtigte Zeitverzögerungen zwischen dem Moment des Auftretens des Fehlers und dem Moment, in dem der Fehler durch den Schalter beseitigt wird.

Diese Verzögerung ergibt sich aus der Betriebszeit der Schutzrelais, der Betriebszeit des Schalters und möglicherweise aus absichtlichen Zeitverzögerungen, die in Relais für die ordnungsgemäße Koordination des Netzschutzes eingebaut sind. Sogar wenn ein Schalter versagt, wird der Fehler durch den nächsthöher positionierten Schalter beseitigt.

In diesem Fall ist die Fehlerschaltzeit länger. Daher muss ein Schalter nach einem Fehler den Kurzschluss für eine bestimmte Zeit tragen. Die Summe aller Zeitverzögerungen sollte nicht mehr als 3 Sekunden betragen; daher sollte ein Schalter in der Lage sein, einen maximalen Fehlerstrom für mindestens diese kurze Zeit zu tragen.

Der Kurzschlussstrom kann zwei wesentliche Auswirkungen innerhalb eines Schalters haben. Aufgrund des hohen elektrischen Stroms kann es zu hoher thermischer Belastung in der Isolation und den leitenden Teilen des Schalters kommen. Der hohe Kurzschlussstrom verursacht erhebliche mechanische Belastungen in verschiedenen stromführenden Teilen des Schalters.

Ein Schalter ist so konstruiert, dass er diese Belastungen aushält. Ein Schalter sollte jedoch keinen Kurzschlussstrom für länger als die angegebene kurze Zeit tragen. Der Nennkurzdauerstrom eines Schalters ist mindestens gleich seinem Nennkurzschlussunterbrechungsstrom.

Nennspannung des Schalters

Die Nennspannung des Schalters hängt von seinem Isoliersystem ab. Für Systeme unter 400 kV ist der Schalter so ausgelegt, dass er 10 % über der normalen Systemspannung standhält. Für Systeme von 400 kV oder darüber sollte die Isolierung des Schalters in der Lage sein, 5 % über der normalen Systemspannung zu standhalten.

Das bedeutet, dass die Nennspannung des Schalters der höchsten Systemspannung entspricht. Dies liegt daran, dass die Spannungsebene des Energiesystems bei Leer- oder geringer Last bis zur höchsten Spannungsbewertung des Systems steigen darf.