Vorteile und Anwendungen von Niederspannungs-Vakuumschaltern

Niederspannungs-Vakuumschaltkreise: Vorteile, Anwendungen und technische Herausforderungen

Aufgrund ihrer geringeren Spannungseinstufung haben Niederspannungs-Vakuumschaltkreise im Vergleich zu Mittelspannungs-Typen eine kleinere Kontaktabstand. Bei solch kleinen Abständen ist die Querfeld-Technologie (TMF) für das Unterbrechen hoher Kurzschlussströme überlegen gegenüber der Axialfeld-Technologie (AMF). Beim Unterbrechen großer Ströme neigt der Vakuumbogen dazu, in einen konzentrierten Bogenmodus überzugehen, wobei lokalisierte Erosionszonen den Siedepunkt des Kontaktmaterials erreichen können.

Ohne angemessene Steuerung geben überhitzte Bereiche an der Kontaktoberfläche überschüssiges Metallgas ab, was unter dem transitorischen Wiederherstellungsstrom (TRV) nach Stromnullpunkt zu einer Dielektrikum-Zerstörung des Kontaktabstands führen kann, was wiederum zu einem Unterbrechungsversagen führt. Durch Anwenden eines Querfeldes, das senkrecht zur Bogensäule steht, wird der konzentrierte Bogen schnell über die Kontaktoberfläche rotiert. Dies reduziert erheblich die lokale Erosion, verhindert eine übermäßige Temperatursteigerung bei Stromnullpunkt und verbessert damit die Unterbrechungsfähigkeit des Schaltkreises erheblich.

Vorteile von Vakuumschaltkreisen:

• Kontakte benötigen keine Wartung

• Lange Betriebsdauer, wobei die elektrische Lebensdauer fast gleich der mechanischen Lebensdauer ist

• Vakuumschaltkreise können in jeder Ausrichtung montiert werden

• Geräuschloser Betrieb

• Keine Brand- oder Explosionsgefahr; der Bogen ist vollständig in der versiegelten Vakuumkammer enthalten, was sie für gefährliche, explosionsgeschützte Umgebungen wie Kohlebergwerke geeignet macht

• Die Leistung wird nicht durch umgebende Umweltbedingungen wie Temperatur, Staub, Feuchtigkeit, Salznebel oder Höhe beeinflusst

• Fähig, hohe Spannungen über sehr kleine Vakuumpfade zu überstehen

• Stromunterbrechung wird in der Regel beim ersten Nullübergang des Stromes abgeschlossen

• Umweltfreundlich und leicht recycelbar

Niederspannungs-Vakuumschaltkreise bieten den gleichen umfassenden Schutz, umfangreiche Messfähigkeiten und reiche Diagnosefunktionen wie herkömmliche Luftschaltkreise (ACBs). Sie bieten jedoch überlegene Vorteile, einschließlich höherer elektrischer und mechanischer Haltbarkeit, größerer Anzahl von nominellen Kurzschlussunterbrechungen, stärkerer Bogenlöschfähigkeit und echter "Null-Bogenblitz"-Leistung.

Diese Eigenschaften machen sie besonders geeignet für harte Umgebungen und Hochspannungs-Niederfrequenz-Systeme wie AC690V und 1140V in TN-, TT- und IT-Konfigurationen, die häufig in Photovoltaik- und Windenergieanwendungen vorkommen. Sie ermöglichen Hochspannungs-Sammelsysteme, die Transmissionsverluste reduzieren. Darüber hinaus können diese Schaltkreise auch Motoren (gemäß GB50055) und Generatoren (gemäß GB755) schützen und bieten Nutzern eine sicherere, zuverlässigere und umfassendere Niederspannungs-Verteilungsschutzmöglichkeit.

Warum sind Vakuumschaltkreise in Niederspannungsanwendungen nicht weiter verbreitet?

Der Hauptgrund liegt in den erheblichen Energieanforderungen des Betriebsmechanismus:

Niederspannungs-Schaltkreise verwenden in der Regel leichte Betriebsmechanismen mit kompakten Komponenten. Im Gegensatz dazu erfordern Vakuumschaltkreise erheblich mehr Betriebsenergie, insbesondere jene, die für Anwendungen mit hoher Unterbrechungskapazität entwickelt wurden. Aufgrund ihres kleinen Kontaktabstands erfordert das Löschen des Bogens intensive Energie. Um elektromagnetische Kräfte während der Fehlerunterbrechung zu überstehen, ist ein hoher Kontaktdruck unerlässlich. Zum Beispiel:

• Ein 31,5 kA-Vakuumschaltkreis erfordert etwa 3200 N Kontaktdruck.

• Um ausreichenden Druck nach Kontaktabnutzung aufrechtzuerhalten, ist ein Kontaktweg von 4 mm erforderlich.

• Daher ist die gesamte Energie, die vom Kontaktanschluss bis zur vollständigen Schließung benötigt wird, viel höher als bei Luftschaltkreisen.

Spezifische Energieanforderungen umfassen:

• 45 Joule für einen 40 kA-Schaltkreis (Kontaktdruck: 4200 N)

• 63 Joule für einen 50 kA-Schaltkreis (Kontaktdruck: 6200 N)

Daher muss der Betriebsmechanismus erheblich verstärkt werden, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Für eine 100 kA-Niederspannungsanwendung übersteigt die von einem Vakuumschaltkreis benötigte Energie die Kapazität standardmäßiger Niederspannungs-Betriebsmechanismen.

Eine vollständige Aktualisierung ist notwendig – größere Energiespeicherfedern, erhöhter Federvorspannungsweg usw. Einige bestehende Mechanismen haben minimalen Vorspannungsweg (z.B. nur 25 mm), und selbst eine Erhöhung der Federsteifigkeit kann nicht genug Energie liefern. Stattdessen sind Mechanismen mit längerem Hub erforderlich. Wie bei Mittelspannungs-Vakuumschaltkreisen erweitern sich oft cam-getriebene Federn über 50 mm, was ausreichende Energiespeicherung ermöglicht. Darüber hinaus muss die gesamte mechanische Festigkeit, Härte und Steifigkeit des Betriebsmechanismus verbessert werden, um die hohen Kräfte zu bewältigen.