Beschreibung der grundlegenden Phänomene während des Schaltvorgangs von Leistungsschaltern in Netzen

Die Schaltterminologie von Schaltgeräten kann durch die Betrachtung eines tatsächlichen Ereignisses verstanden werden.
Die Abbildungen 1 bis 3 zeigen den Verlauf eines Schließen-Öffnen (CO) dreiphasigen unerdschten Fehlerstromtests an einem Vakuumschalter (Verlaufsdaten freundlicherweise zur Verfügung gestellt von KEMA).
Betrachten wir jede Abbildung nacheinander, lautet die Terminologie wie folgt:

Ablauf und zugehörige Größen beim Abschalten des Schalters

Aus Abbildung 1 können wir die folgende Abfolge von Ereignissen im Detail beobachten:

1. Anfangszustand:

• Der Schalter beginnt in der offenen Position.

• Ein Schließsignal wird an die Schließspule angelegt, um den Schließvorgang zu initiieren.

2. Schließvorgang:

Nach einer kurzen elektrischen Verzögerung beginnt der bewegliche Kontakt sich zu bewegen (wie in der unteren Kurve des Laufgraphen dargestellt) und trifft schließlich auf die festen Kontakte. Dieser Moment wird als Kontaktschluss oder Kontaktaufnahme bezeichnet. In der Praxis kann die tatsächliche elektrische Verbindung aufgrund von Vorbrechungen zwischen den Kontakten leicht vor dem mechanischen Kontaktschluss erfolgen.

Die Zeitspanne zwischen der Anlegung des Schließsignals und dem Moment des Kontaktschlusses wird als mechanische Schließzeit bezeichnet.

3. Geschlossener Zustand und Fehlerstrom:

• Sobald geschlossen, führt der Schalter den Fehlerstrom. Ein Auslösesignal wird dann an die Auslösespule angelegt, um den Öffnungs- oder Auslösevorgang des Schalters zu initiieren.

• Nach einer kurzen elektrischen Verzögerung beginnt der bewegliche Kontakt sich von den festen Kontakten zu entfernen, was zu ihrer mechanischen Trennung führt. Dieser Moment wird als Kontakttrennung, Kontaktöffnung oder Kontaktabstand bezeichnet.

• Die Zeitspanne zwischen der Anlegung des Auslösesignals und dem Moment der Kontakttrennung wird als mechanische Öffnungszeit bezeichnet.

4. Bogenbildung und Stromunterbrechung:

• Während die Kontakte sich trennen, bildet sich ein elektrischer Bogen zwischen ihnen. Der Strom versucht an den Nullstellen zu unterbrechen, zunächst in Phase b, gefolgt von Phase a und schließlich erfolgreich in Phase c.

• Phase c ist die erste Phase, die eine vollständige Unterbrechung erreicht, mit einer Bogendauer (der Zeit zwischen der Kontakttrennung und der Stromunterbrechung) von etwa halbem Zyklus. Die Unterbrechungszeit (auch als Schaltzeit bezeichnet) für Phase c ist die Summe der mechanischen Öffnungszeit und der Bogendauer.

5. Stromverteilung während der Unterbrechung:

• Im Moment der Stromunterbrechung in Phase c verschieben sich die Ströme in Phasen a und b um 30°, werden gleich groß, aber entgegengesetzt polarisiert. Der Strom in der führenden Phase (Phase a) erlebt einen verkürzten Halbzylkus, während der Strom in der nachfolgenden Phase (Phase b) einen verlängerten Halbzylkus erlebt.

• Die Gesamtabarbeitungszeit ist die Summe der mechanischen Öffnungszeit und der maximalen Bogendauer, die in Phase a oder Phase b beobachtet wird.

Strombezogene Größen beim Schalten des Schalters:

In Abbildung 2 kann man sorgfältig beobachten, dass:

•  Bei einem an der Spannungsspitze begonnenen Fehler ist der Strom symmetrisch. Symmetrisch bedeutet, dass jeder Halbzylkus des Stroms, auch als Stromschleife bezeichnet, identisch zum vorherigen Halbzylkus des Stroms ist. Der Strom in Phase a ist nahezu symmetrisch, da der Fehler kurz vor der Spannungsspitze begonnen wurde.

• Die Ströme in Phase b und Phase c sind asymmetrisch und bestehen aus langen und kurzen Stromschleifen, die als Haupt- und Nebenschleifen bezeichnet werden.
  Maximale Asymmetrie tritt auf, wenn der Fehler an einer Spannungsnullstelle begonnen wird.

Spannungsbezogene Größen beim Schalten des Schalters

Aus Abbildung 3 können wir die folgende Abfolge von Ereignissen im Detail beobachten:

Stromnullstellen:
Eine Stromnullstelle tritt alle 60 Sekunden auf. Nachdem die Kontakte getrennt wurden, versucht die Pole, die am nächsten zur nächsten Nullstelle liegt, den Strom zuerst zu unterbrechen. In diesem Fall versucht die Pole von Phase b, die am nächsten zur ersten Nullstelle liegt, den Strom zu unterbrechen.

2. Anfängliche Versuche der Stromunterbrechung:

Die Pole von Phase b versucht den Strom zu unterbrechen, scheitert jedoch, da die Kontakte zu nahe beieinander sind, um die Übergangserholungsspannung (TRV) zu überstehen, was zu einer Wiederentzündung führt.
 Anschließend versucht die Pole von Phase a den Strom ebenfalls zu unterbrechen, scheitert jedoch ebenfalls und entzündet sich erneut.

3. Erfolgreiche Stromunterbrechung:

 Schließlich unterbricht die Pole von Phase c den Strom erfolgreich, wodurch das System zur TRV und der Wechselrichterholungsspannung (AC-Erholungsspannung) zurückkehrt.

4. Übergangserholungsspannung (TRV):

•  Definition: TRV ist die transiente Oszillation, die auftritt, während die Spannung auf der Netzseite des Schalters zur vorfehlerhaften Systemspannung zurückkehrt.

• Verhalten: TRV oszilliert um die AC-Erholungsspannung, die als Zielpunkt oder Achse der Oszillation dient. Der Spitzenwert der TRV hängt von der Dämpfung im Kreis ab.

• Oszillationsdauer: Wie in der Wellenform dargestellt, oszilliert TRV über ein Viertel eines Netzfrequenzzyklus (d.h., 90 Grad).

• Auswirkung auf die Pole: Die erste Pole, die freigeschaltet wird (in diesem Fall Phase c), ist der höchsten TRV ausgesetzt, da sie die volle transiente Oszillation erfährt.

5.    Freischaltung der nachfolgenden Pole:

• Die Pole von Phase a und Phase b werden 90 Grad später als die Pole von Phase c freigeschaltet.

• Für diese Pole sind die TRV-Werte niedriger als diejenigen, die die Pole von Phase c erfahren, und haben entgegengesetzte Polaritäten.

• Die AC-Erholungsspannung ist die Leitungsspannung, die zwischen den beiden Phasen geteilt wird.