Nordamerikanische Standards: Ein Vergleich zwischen IEEE- und chinesischen Schaltanlagenstandards

IEEE Std C37.20.9™ definiert die Anforderungen an das Design, die Prüfung und die Installation von gasisolierten Schaltanlagen in Metallgehäuse (MEGIS), die Gas unter Druck als Hauptisoliermedium für Wechselstromsysteme im Spannungsbereich von 1 kV bis 52 kV verwenden. Dazu gehören, aber sind nicht beschränkt auf, Schaltgeräte, Schalter, Durchführungen, Stromzuführungen, Meßtransformator, Kabelenddichtungen, Zähler und Steuer- und Schutzrelais. In diesen Schaltanlagen werden vertikale Abteilungen - einige oder alle der Mittelspannungsabschnitte - hauptsächlich durch druckbeaufschlagtes Gas isoliert. Die Norm gilt sowohl für Innen- als auch für Außeninstallationen.

Historisch gesehen war der dominante Typ von Schaltanlagen auf dem US-Markt luftgefüllte, metallverkleidete Schaltanlagen. Für Ringnetzverteilungsanwendungen wurden häufig amerikanische Bodentransformatoren verwendet, bei denen Hochspannungskomponenten wie Lastschalter und Hochspannungssicherungen zusammen mit dem Transformatorkern und den Wicklungen in einem Tank mit hochentzündbarem Öl oder alternativ in luftgefüllten Lastschaltern untergebracht waren. Daher erfolgte die Einführung von gasgefüllten Schaltanlagen in den USA relativ spät.

Mit der Einführung von gasgefüllten Schaltanlagen europäischer Hersteller wie ABB und Schneider Electric auf den US-Markt begannen Kunden, diese Technologie zu akzeptieren und zu nutzen. Als Ergebnis wurde die IEEE-Norm für gasgefüllte Schaltanlagen später entwickelt und erst 2019 offiziell veröffentlicht. Diese Norm basiert weitgehend auf IEC-Normen, wurde jedoch in Bezug auf Parameter, Bauweise und Prüfanforderungen modifiziert, um sie an die IEEE C37.20.2 und andere relevante IEEE-Normen, insbesondere an die Sicherheitsanforderungen des IEEE für Geräte, anzupassen.

1. Umgebungsbedingungen für die Nutzung

a) Betriebstemperatur: maximal +40 °C; durchschnittlich über 24 Stunden nicht mehr als +35 °C; minimal –5 °C.
b) Höhenlage: nicht mehr als 3,300 Fuß (1,000 Meter).
c) Gehäuseschutzklasse: NEMA 250 Type 1 (IP20) für Inneneinsatz; Type 3R (IP24) für Außeneinsatz.

Laut GB/T 11022 werden Innenraumschaltanlagen in China in drei Mindestumgebungstemperaturkategorien klassifiziert: –5 °C, –15 °C und –25 °C. Die in IEEE C37.20.9 für gasgefüllte Schaltanlagen vorgesehene Mindestbetriebstemperatur (–5 °C) ist höher als die in IEEE C37.20.2 für luftgefüllte Schaltanlagen vorgesehene (–30 °C). Daher können gasgefüllte Schaltanlagen, die den chinesischen Standards entsprechen, die Umweltanforderungen von IEEE C37.20.9 vollständig erfüllen.

Die Tabelle 1 unten zeigt die Anforderungen von IEEE C37.20.9 an die Nennspannung, die Netzfrequenz-Spannungsfestigkeit und die Blitzimpuls-Spannungsfestigkeit für gasgefüllte Schaltanlagen.

Tabelle 1 – Isolierspannungswerte für gasgefüllte Schaltanlagen gemäß IEEE C37.20.9

Die Spannungsklassen von Schaltanlagen gemäß nordamerikanischen Standards unterscheiden sich von denen in China. Daher müssen gasisolierte Schaltanlagen (GIS) den Anforderungen an die Nenn-Wechselspannungsfestigkeit und die Nenn-Blitzimpulsfestigkeit entsprechen, wie sie in den IEEE-Standards festgelegt sind. So kann beispielsweise ein nach chinesischen Standards konstruierter GIS-Schrank mit einer Spannung von 12 kV nur den elektrischen Prüfbedingungen für die Spannungsklasse von 4,76 kV nach US-amerikanischen Standards genügen, während ein chinesischer GIS-Schrank mit 24 kV die Isolationsanforderungen für Spannungsklassen bis einschließlich 27 kV erfüllen kann.

IEEE Std 386™-2016 legt Anforderungen an trennbare isolierte Verbindungen in Verteilungssystemen mit einer Spannung von 2,5 kV bis 35 kV fest – bekannt als „amerikanischer Ellbogenverbindung“-Standard. Diese Verbindungen werden in US-amerikanischer Ausrüstung wie Bodentransformatoren und Kabelverteilerkästen weit verbreitet eingesetzt. Im Gegensatz dazu verwendet chinesisches gasisoliertes Schaltgerät in der Regel Kabeldurchführungen und Stecker, die dem EN 50181 entsprechen. Der IEEE-Standard für gasisolierte Schaltanlagen enthält spezifische elektrische Prüfanforderungen für verschiedene Arten von Kabelendstückzubehör.

2 Nennstrom
Empfohlene Werte für den Nennkontinuierlichen Strom der Hauptleitern in gasisolierten Schaltanlagen (MEGIS) des IEE-Business sind 200 A, 600 A, 1200 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A und 4000 A – dies unterscheidet sich von üblichen chinesischen Nennwerten wie 630 A, 1250 A und 3150 A.

3 Nennfrequenz
Der IEEE-Standard legt eine Nennfrequenz von 60 Hz fest, während die Standardfrequenz in China 50 Hz beträgt. Die höhere Frequenz von 60 Hz hat einen signifikanten Einfluss auf die Temperatursteigerung und die Leistung bei Kurzschlussunterbrechungen. Gemäß GB/T 11022 gilt für Schalt- und Steuergeräte, die für 50 Hz oder 60 Hz ausgelegt sind – vorausgesetzt, es gibt keine ferromagnetischen Komponenten in der Nähe der stromführenden Teile –, wenn die gemessene Temperatursteigerung bei einem Dauerstromtest bei 50 Hz nicht mehr als 95 % des maximal zulässigen Grenzwerts überschreitet, das Gerät als kompatibel mit beiden Frequenzen angesehen wird, d. h. es erfüllt auch die Temperatursteigerungsanforderung bei 60 Hz.

Aufgrund der begrenzten Wärmeabfuhr in gasisolierten Schaltanlagen und ihres relativ geringen thermischen Spielraums sind oft Verbesserungen im Design erforderlich, um den Anforderungen bei 60 Hz gerecht zu werden. Produkte, die den Temperatursteigerungstest bei 1,1× Nennstrom nach chinesischen Standards bestanden haben, können in der Regel den Anforderungen bei 60 Hz genügen.

4 Nenndurchgangsströmung und Nennspitzenströmung
Die empfohlenen Werte für die Nenndurchgangsströmung in gasisolierten Schaltanlagen des IEE-Business sind in Tabelle 3 dargestellt. Anders als in chinesischen Standards, die eine Kurzschlussdauer von 3 s oder 4 s vorsehen, definiert der IEEE-Standard eine Kurzschlussdauer von 2 Sekunden.

Darüber hinaus, da das IEEE-System mit 60 Hz (im Gegensatz zu 50 Hz) arbeitet, wird die Nennspitzenströmung als 2,6-mal so hoch wie die Nenndurchgangsströmung definiert. Beispielsweise entspricht eine Nenndurchgangsströmung von 31,5 kA einer Nennspitzenströmung von 82 kA – etwas höher als die in China üblichen 80 kA. Um den elektrodynamischen Kräften, die durch solche Spitzenkurzschlussströme entstehen, standzuhalten, muss der Kontaktdruck und die mechanische Festigkeit von Komponenten wie Kontakten verbessert werden.

Tabelle 2 – Empfohlene Nenndurchgangsströmungswerte für gasisolierte Schaltanlagen des IEE-Business