Mechanische Ausdauerprüfungen für Schaltgeräte: Normen Herausforderungen und Best Practices

Mechanische Belastbarkeitstests

Die mechanische Belastbarkeit von Schaltgeräten wird gemäß IEC 62271-100 getestet, wobei 10.000 Betriebszyklen (Klasse M2) erforderlich sind. Während der Tests in einem ausländischen Labor scheiterte das erste Prototypgerät nach 6.527 Betriebszyklen aufgrund eines Bruchs der Auslösespannfeder. Das Labor akzeptierte diesen isolierten Versagensfall und schrieb ihn Fehlern bei der Spannfederinstallation zu. Ein zweites Prototypgerät wurde getestet, scheiterte aber ebenfalls nach über 6.000 Betriebszyklen aufgrund eines weiteren Bruchs der Auslösespannfeder. Daher stellte das Testlabor nur einen Bericht zur mechanischen Belastbarkeit für 2.000 Betriebszyklen (Klasse M1) aus.

Ursachenanalyse: Der Bruch ging von Maschinenhammerspuren an der Biegepunkte der Spannfeder während der Herstellung aus, die eine Schwachstelle schufen, die nach Tausenden von Betriebszyklen versagte. Obwohl der 36 kV-Schaltkreisbrecher nur eine Klassifizierung M1 (2.000 Betriebszyklen) erreichte, ermöglichte der hohe Autoritätsgrad und die Glaubwürdigkeit des KEMA-Testberichts—gültig sowohl für 50/60 Hz als auch für geerdete/ungeerdete Systeme—erfolgreiche Verkäufe in Lateinamerika, Europa, Südostasien und anderen globalen Märkten.

Für Erdungsschalter und einziehbare Schaltkreisbrecher zeigt Tabelle 1 Unterschiede im mechanischen Haltbarkeitstest. Im Allgemeinen akzeptieren IEC-Kunden, dass Wagen für einziehbare Schaltkreisbrecher nur für Wartungsarbeiten verwendet werden. Somit können internationale Kundenanforderungen durch die Durchführung von nur 25 Ein- und Herausziehzyklen, wie in IEC 62271-200, Abschnitt 6.102.1 spezifiziert, erfüllt werden.

Überprüfung der Schalt- und Schließfähigkeit

Schalt- und Schließtests für Schaltkreisbrecher werden in verschiedenen Konfigurationen abhängig von der Anwendung durchgeführt: freistehende (ohne Gehäuse) Schaltkreisbrecher, einziehbare Schaltkreisbrecher, die in Testausrüstungen montiert sind, oder einziehbare Schaltkreisbrecher, die in Schaltanlagen installiert sind. Wenn Schaltanlage und Schaltkreisbrecher gemeinsam getestet werden, werden die Schalt- und Schließtests innerhalb der zusammengesetzten Schaltanlage durchgeführt. Für Typentests freistehender Geräte wird empfohlen, einen dedizierten einziehbaren Fachraum für den Test bereitzustellen.

IEC-Schaltests für Schaltkreisbrecher definieren verschiedene Testsequenzen. Kunden können verschiedene Sequenzen auswählen. Zum Beispiel besteht Sequenz 1 aus 274 Unterbrechungen (130 T10, 130 T30, 8 T60 und 6 T100). Um Kosten- und Zeitwirtschaftlichkeit zu verbessern—da Testlabore nach Testdauer abrechnen—wählen Kunden oft Sequenz 3 mit insgesamt 72 Operationen (3 T10/T30, 60 T60 und 6 T100). Obwohl die Anzahl der Operationen reduziert wird, wird die gesamte Energie erhöht. Verglichen mit dem inländisch üblichen Vollleistungsteststandard von 50 Unterbrechungen ist der IEC-Test jedoch deutlich weniger streng. Tabelle 2 gibt die in IEC 62271-100 für Haltbarkeitstests definierten Schaltoperationen an.

Für Schaltkreisbrecher, die sowohl für 50 Hz- als auch für 60 Hz-Anwendungen vorgesehen sind, legt die STL-Richtlinie Prüffrequenzen fest, um die Eignung zu bestätigen und einen Typentestbericht auszustellen. Um den Anforderungen für Doppelfrequenz gerecht zu werden, sind nur grundlegende Schalttests (Klasse E1) bei 50 Hz und 60 Hz erforderlich. Der Haltbarkeitstest kann bei 50 Hz oder 60 Hz durchgeführt werden. Ähnlich bedarf es für den O–0,3 s–CO–15 s–CO-Sequenztest nur der grundlegenden Tests. Obwohl die Testanforderungen für verschiedene Neutralerdsysteme variieren, beeinflusst dies nicht den Haltbarkeitstest.

Innere Bogenpruebaufbau

Prüfspannung: Gemäß IEC 62271-200, Anhang AA.4.2, soll der Test bei einer geeigneten Spannung, die die Nennspannung nicht überschreitet, durchgeführt werden. Falls eine niedrigere Spannung als die Nennspannung gewählt wird, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
a) Der berechnete mittlere effektive Prüfstrom muss den Stromanforderungen in AA.4.3.1 entsprechen;
b) Der Bogen darf zu keinem Zeitpunkt vorzeitig erlöschen.
Ein vorübergehendes Ersterben des Bogens in einer Phase ist zulässig, wenn die kumulative Dauer der Stromunterbrechungen 2 % der Gesamtprüfzeit nicht übersteigt und keine einzelne Unterbrechung länger dauert als der nächste erwartete Stromnullpunkt. Das Integral des Wechselstromkomponenten muss mindestens dem in AA.4.3.1 angegebenen Wert entsprechen.
Gemäß der STL-Richtlinie können bei Dreiphasen- und Zweiphasenbogenprüfungen zwei Phasen von einer Stromquelle bei einer Spannung unterhalb des Nennwertes gespeist werden, während die dritte Phase von einer separaten Spannungsquelle bei Ur/√3 gespeist wird. Bei Einphasentests muss der Bogen zwischen der Mittelphase und Masse initiiert werden. Die Schaltung kann von einer Stromquelle bei einer Spannung unterhalb des Nennwertes gespeist werden, sofern die Spannungsquelle genug Kurzschlussleistung hat, um eine Spannungszerschlagung klar zu erkennen und sie von Störungen zu unterscheiden.

Für eine 17,5 kV-Schaltanlage wird der interne Bogenfehler-Test bei 7,1 kV durchgeführt, was im Testbericht dokumentiert ist.

Testbedingungen und Ausrüstungsaufbau:

Es ist zulässig, sequentielle Tests an verschiedenen ungetesteten Sektionen einer Einheit durchzuführen. Das Labor ist nicht verantwortlich für die Bereitstellung oder Anordnung von Kabelkanälen. Der Testaufbau muss im Testbericht detailliert beschrieben werden. Wenn eine Funktionsgruppe nicht als Endeinheit in Betriebsbedingungen vorgesehen ist, sollten während des Tests zwei oder mehr Funktionsgruppen in der Anordnung platziert werden, wobei die getestete Einheit so nahe wie möglich an der Seite und vom simulierten Raum entfernt positioniert wird.

Die Decke muss mindestens 200 mm ± 50 mm über dem Testobjekt liegen. Der Öffnungsweg des Druckablasspanels darf die Decke nicht berühren. Die Testergebnisse gelten für alle Abstände zwischen dem Testobjekt und der Decke, die größer als der Testaufbaudistanz sind. Das Teststück muss in seiner tatsächlichen Betriebskonfiguration getestet werden. Für Schaltanlagen mit gekoppelten Lüftungsklappen müssen entnehmbare Bedienelemente nicht installiert werden, aber die Klappe muss während des internen Bogenpruebas in der offenen Position sein. Wie in Abbildung 4 dargestellt, beinhaltet der interne Bogenpruebaufbau für eine 17,5 kV-Schaltanlage vier Schaltanlageneinheiten in einer Reihe. Der Test wird an den drei Hochspannungsabteilen der linken Endeinheit durchgeführt. Die Oberseite des Gehäuses liegt 600 mm unter der Decke, wobei eine Reflektorplatte installiert ist, um die Reflexion des Bogens von der Decke und das Verbrennen von horizontalen Indikatoren zu verhindern. Ein Testisolatorwagen ersetzt den Schaltkreisbrecher für den Test, und die innere Schutzplatte an der unteren Lüftungstür ist in der offenen Position.

Zusätzliche Hinweise zu IEC-Tests

IEC-Tests führen zu separaten Typentestzertifikaten für verschiedene Testelemente, darunter:

• Typentestzertifikat für Isolationsleistung

• Typentestzertifikat für Kurzschluß-Schalt- und Unterbrechungsleistung

• Typentestzertifikat für innere Bogenleistung

Um die Übereinstimmung zwischen der getesteten Schaltanlage und den unterstützenden Konstruktionszeichnungen zu demonstrieren, müssen die folgenden Zeichnungen und Herstellerdokumentationen bereitgestellt werden. Das Testlabor wird die Probe durch Messungen und Überprüfungen der Zeichnungen, Busleiterangaben, Trägerspannweiten usw. gegenüber den bereitgestellten Dokumenten verifizieren. Jegliche Abweichungen werden protokolliert.

a) Einleitungsdiagramm der Schalt- und Steuergeräte, einschließlich Komponententypnamen.
b) Allgemeine Anordnungszeichnung (Montagezeichnung), einschließlich:

• Gesamtmaße

• Abmessungen des Busleitersystems

• Trägerstruktur

• Elektrische Freiräume

• Materialien der Hauptkomponenten
  c) Identifizierungszeichnungen der Schaltanlage, wie in den relevanten STL-Richtlinien detailliert.