Luftbremskraftschaltgerät

Bei einem Luftbogen-Schaltgerät wird der Bogen in nahezu statischer Luft erzeugt und gelöscht, während sich der Bogen bewegt. Diese Schaltgeräte werden für Niederspannungen, im Allgemeinen bis zu 15 kV, mit Unterbrechungskapazitäten von 500 MVA eingesetzt. Als Bogenlöschmedium bieten Luftschaltgeräte gegenüber Öl mehrere Vorteile:

• Beseitigung von Risiken und Wartungsmaßnahmen, die mit der Verwendung von Öl verbunden sind.

• Fehlen von mechanischem Stress, der durch Gasdruck und Ölbewegung verursacht wird.

• Beseitigung von Kosten für regelmäßigen Ölwechsel aufgrund von Ölverdunkelung durch aufeinanderfolgende Unterbrechungen.

Bei Luftbogen-Schaltgeräten erfolgen Kontakttrennung und Bogenlöschen in Luft unter Normaldruck, indem das Prinzip des hohen Widerstands angewendet wird. Der Bogen wird über Bogenleiter und -abzugsrinnen erweitert, während der Bogenswiderstand durch Spaltung, Kühlung und Verlängerung erhöht wird.

Der Bogenwiderstand wird erhöht, bis der Spannungsabfall über dem Bogen die Systemspannung übersteigt, wodurch der Bogen am Nullpunkt der AC-Welle gelöscht wird.

Luftbogen-Schaltgeräte werden in Gleichstromkreisen und Wechselstromkreisen bis zu 12.000 V eingesetzt. Sie sind in der Regel Innenraumtypen und werden an vertikalen Paneelen oder Innenraum-Ziehschrankanlagen montiert, wobei sie weit verbreitet in Innenraum-Mittel- und Niederspannungs-Schaltanlagen für Wechselstromsysteme verwendet werden.

Einfacher Luftbogen-Schaltgerät

Die einfachste Variante verfügt über zwei hornförmige Kontakte. Das Bögen beginnt zunächst über den kürzesten Abstand zwischen den Hörnern und wird stetig durch Konvektionsströmungen des bogenbeheizten Luft und die Wechselwirkung von magnetischen und elektrischen Feldern nach oben getrieben. Wenn sich die Hörner vollständig trennen, erstreckt sich der Bogen von Spitze zu Spitze, was eine Verlängerung und Abkühlung ermöglicht.

Die relative Langsamkeit dieses Prozesses und das Risiko, dass der Bogen auf benachbarte Metallkomponenten übergreift, beschränken seine Anwendung auf etwa 500 V und Niederleistungsschaltkreise.

Magnetisches Ausblas-Luftbogen-Schaltgerät

In Schaltkreisen mit Spannungen bis zu 11 kV wird die Bogenlöschung in einigen Luftschaltgeräten durch ein Magnetfeld erreicht, das von Ausblasewicklungen erzeugt wird, die in Reihe mit dem unterbrochenen Schaltkreis geschaltet sind. Diese Wicklungen bewegen den Bogen in Abzugsrinnen – sie löschen den Bogen nicht selbst. In den Rinnen wird der Bogen verlängert, abgekühlt und gelöscht. Bogenschutzplatten verhindern, dass der Bogen auf benachbarte Netze übergreift.

Polarität, Bogenabzugsrinnen und Betriebsdetails von Luftbogen-Schaltgeräten
Wichtigkeit der Wicklungspolarität

Die richtige Wicklungspolarität ist entscheidend, um den Bogen nach oben zu lenken und elektromagnetische Kräfte zu nutzen, um die Bogenbewegung zu verbessern. Dieses Prinzip wird bei höheren Fehlerströmen effektiver, sodass solche Schaltgeräte höhere Unterbrechungskapazitäten erreichen können.

Funktion der Bogenabzugsrinnen

Eine Bogenabzugsrinne ist ein Schlüsselgerät zur Bogenlöschung in Luft und erfüllt drei miteinander verwobene Aufgaben:

• Bogenbegrenzung: Begrenzt den Bogen auf einen definierten Raum, um unkontrollierte Ausbreitung zu verhindern.

• Magnetische Steuerung: Leitet die Bogenbewegung über magnetische Felder, um die Löscheinrichtung innerhalb der Rinne zu erleichtern.

• Schnelle Abkühlung: Entionisiert Bogen-Gase durch intensive Kühlung, um die Bogenlöschung sicherzustellen.

Design des Luftbogen-Schaltgeräts mit Bogenabzugsrinnen

Für Niederspannungs- und Mittelspannungsschaltkreise verfügt dieses Schaltgerät über:

• Doppelte Kontaktgruppen:

• Hauptkontakte: Kupferbasiert, silberbeschichtet für geringen Widerstand, leiten den normalen Strom im geschlossenen Zustand.

• Bogenkontakte (Hilfskontakte): Hitzebeständiges Kupferlegierung, entwickelt, um Bögen bei Störungsunterbrechungen standzuhalten. Sie schließen vor und öffnen nach den Hauptkontakten, um die Hauptkontakte vor Beschädigung zu schützen.

• Ausblasmechanismus: Stahl-Einsätze in den Bogenabzugsrinnen erzeugen magnetische Felder, die die nach oben gerichtete Bogenbewegung beschleunigen. Diese Platten teilen den Bogen in eine Reihe von kurzen Bögen, was den Gesamtspannungsabfall (Anode + Kathode) über den Bögen erhöht. Wenn diese Summe die Systemspannung übersteigt, löst sich der Bogen schnell auf.

• Kühlwirkung: Der Kontakt des Bogens mit kühlen Stahlplatten kühlt den Bogen schnell ab und deionisiert ihn, unterstützt durch natürliche oder magnetische Ausblaskräfte.

Arbeitsprinzip

• Fehlerauftritt: Zuerst trennen sich die Hauptkontakte, wodurch der Strom auf die Bogenkontakte übertragen wird.

• Bogenbildung: Während sich die Bogenkontakte trennen, entsteht ein Bogen zwischen ihnen.

• Bogenbewegung: Elektromagnetische und thermische Kräfte treiben den Bogen entlang der Bogenleiter nach oben.

• Bogenteilung und -löschung: Der Bogen wird durch Teilungsplatten geteilt, verlängert, abgekühlt und deionisiert, was zur Löschung führt.

Anwendungen

• Hilfsanlagen von Kraftwerken und Industriebetrieben: Geeignet für Umgebungen, in denen Feuer- und Explosionsrisiken minimiert werden müssen.

• Gleichstromsysteme: Verwenden Bogenverlängerung, -leiter und magnetisches Ausblasen für Schaltgeräte bis zu 15 kV.

Einschränkung

• Niedrigstrom-Unwirksamkeit: Bogenabzugsrinnen sind bei niedrigen Strömen aufgrund schwächerer magnetischer Felder weniger wirksam, was zu einer langsameren Bogenbewegung in die Rinne und potenziell verzögerten Unterbrechungen führt.

Dieses Design vereint Einfachheit und Zuverlässigkeit für Mittel- und Niederspannungsanwendungen, obwohl seine Leistung mit der Stromstärke variiert.