Schalterschutzschalterauswahl und -einstellung: Eine vollständige Anleitung von den grundlegenden Parametern bis hin zum selektiven Schutz

Klassifizierung von Schaltgeräten

(1) Luftschaltgerät (ACB)
Ein Luftschaltgerät, auch als gepresstes Rahmenschaltgerät oder universelles Schaltgerät bekannt, enthält alle Komponenten in einem isolierten Metallrahmen. Es ist in der Regel offen, was die Installation verschiedener Zubehörteile ermöglicht und den einfachen Austausch von Kontakten und Teilen erleichtert. Es wird häufig als Hauptstromversorgungsschalter verwendet. Überstrom-Auslöseeinheiten umfassen elektromagnetische, elektronische und intelligente Typen. Das Schaltgerät bietet vierstufigen Schutz: Langzeitverzögerung, Kurzzeitverzögerung, Sofortauslösung und Erdschluss-Schutz. Jede Schutzeinstellung kann innerhalb eines Bereichs basierend auf der Rahmengröße eingestellt werden.

Luftschaltgeräte sind für Wechselstrom mit 50 Hz, Nennspannungen von 380 V oder 660 V und Nennströme von 200 A bis 6300 A in Verteilungsnetzen geeignet. Sie werden hauptsächlich zur Verteilung von elektrischer Energie und zum Schutz von Schaltkreisen und Stromversorgungseinrichtungen vor Überlast, Unter Spannung, Kurzschluss, Einphasen-Erdschluss und anderen Fehlern verwendet. Diese Schaltgeräte bieten mehrere intelligente Schutzfunktionen und ermöglichen selektiven Schutz. Unter normalen Bedingungen können sie selten zur Schaltung von Schaltkreisen verwendet werden. ACBs mit Nennströmen bis zu 1250 A können in 50-Hz-Netzen mit 380 V verwendet werden, um Motoren vor Überlast und Kurzschluss zu schützen.

Luftschaltgeräte werden auch häufig als Hauptschalter auf der 400-V-Seite von Transformatoranlagen, Buskopplungsschalter, Hochleistungsfutterschalter und große Motorschalter verwendet.

(2) Gehäuseschaltgerät (MCCB)
Auch als Steckschaltgerät bekannt, enthält das Gehäuseschaltgerät Anschlüsse, Kontakte, Bogenlöscher, Auslöseeinheiten und Betriebsmechanismen in einer Kunststoffumhüllung. Hilfskontakte, Unter Spannung-Auslöseeinheiten und Parallelweg-Auslöseeinheiten sind oft modular. Die Struktur ist kompakt, und Wartung wird in der Regel nicht berücksichtigt. Es ist für den Schutz von Verzweigungsleitungen geeignet. Gehäuseschaltgeräte beinhalten in der Regel thermomagnetische Auslöseeinheiten, während größere Modelle mit festkörperfähigen Auslösesensoren ausgestattet sein können.

Überstrom-Auslöseeinheiten für MCCBs sind in elektromagnetischen und elektronischen Typen verfügbar. In der Regel sind elektromagnetische MCCBs nicht selektiv und bieten nur Langzeitverzögerung und Sofortauslösung. Elektronische MCCBs bieten vier Schutzfunktionen: Langzeitverzögerung, Kurzzeitverzögerung, Sofortauslösung und Erdschluss-Schutz. Einige neu eingeführte elektronische MCCBs verfügen auch über zonenselektive Verriegelung.

Gehäuseschaltgeräte werden in der Regel für die Steuerung und den Schutz von Futterleitungen, Hauptschaltern auf der Niederspannungsseite kleiner Verteilungstransformatoren, Endenergieverteilungssteuerung und als Stromversorgungsschalter für verschiedene Produktionsmaschinen verwendet.

(3) Miniatur-Schaltgerät (MCB)
Das Miniatur-Schaltgerät ist das am weitesten verbreitete Endschutzeinrichtung in Gebäudetechnik-Endverteilungssystemen. Es wird für den Schutz gegen Kurzschluss, Überlast und Überspannung in Ein- und Drei-Phasen-Leitungen bis 125 A verwendet und kommt in Einpol-(1P), Doppel-pol-(2P), Dreipol-(3P) und Vierpol-(4P)-Konfigurationen vor.

Ein MCB besteht aus einem Betriebsmechanismus, Kontakten, Schutzeinrichtungen (verschiedene Auslöseeinheiten) und einem Bogenlöscher-System. Die Hauptkontakte werden manuell oder elektrisch geschlossen. Nach dem Schließen sperrt ein Freiabwurfsmechanismus die Kontakte in der geschlossenen Position. Die Spule der Überstrom-Auslöseeinheit und das Heizelement der thermischen Auslöseeinheit sind in Reihe mit dem Hauptkreis verbunden, während die Spule der Unter Spannung-Auslöseeinheit parallel zur Stromversorgung angeschlossen ist.

In der Elektroinstallation von Wohngebäuden werden Miniatur-Schaltgeräte hauptsächlich für Schutz- und Betriebszwecke wie Überlast, Kurzschluss, Überstrom, Spannungsabfall, Unter Spannung, Erdung, Leckage, automatische Umschaltung zwischen zwei Stromquellen und seltene Motorstartvorgänge verwendet.

Grundlegende Charakteristische Parameter von Schaltgeräten

(1) Nennbetriebsspannung (Ue)
Die Nennbetriebsspannung ist die Nennspannung des Schaltgeräts, unter der das Gerät unter vorgegebenen normalen Bedingungen und Leistungsbedingungen kontinuierlich arbeiten kann.

In China beträgt die maximale Betriebsspannung für Spannungsniveaus bis 220 kV 1,15-mal die Systemnennspannung; für 330 kV und darüber beträgt die maximale Betriebsspannung 1,1-mal die Nennspannung. Das Schaltgerät muss Isolierung aufrechterhalten und in der Lage sein, unter der maximalen Betriebsspannung des Systems zu schließen und zu trennen.

(2) Nennstrom (In)
Der Nennstrom ist der Strom, den die Auslöseeinheit bei einer Umgebungstemperatur unter 40 °C kontinuierlich tragen kann. Für Schaltgeräte mit einstellbaren Auslöseeinheiten bezieht sich dies auf den maximalen Strom, den die Auslöseeinheit kontinuierlich tragen kann.

Bei Verwendung in Umgebungstemperaturen über 40 °C, aber nicht über 60 °C, kann das Schaltgerät bei reduzierter Belastung für langfristigen Betrieb arbeiten.

(3) Überlast-Auslösestrom-Einstellung (Ir)
Wenn der Strom die Einstellung Ir der Auslöseeinheit überschreitet, löst das Schaltgerät nach einer Zeitverzögerung aus. Es repräsentiert auch den maximalen Strom, den das Schaltgerät ohne Auslösung tragen kann. Dieser Wert muss größer als der maximale Laststrom Ib, aber kleiner als der maximal zulässige Strom Iz des Schaltkreises sein.

Für thermomagnetische Auslöseeinheiten ist Ir in der Regel innerhalb von 0,7–1,0 In einstellbar. Für elektronische Auslöseeinheiten liegt der Einstellbereich in der Regel breiter, typischerweise 0,4–1,0 In. Für Schaltgeräte mit nicht einstellbaren Überstrom-Auslöseeinheiten gilt Ir = In.

(4) Kurzschluss-Auslösestrom-Einstellung (Im)
Die Kurzschluss-Auslöseeinheit (Sofortauslösung oder Kurzzeitverzögerung) bewirkt, dass das Schaltgerät schnell auslöst, wenn hohe Fehlerströme auftreten. Ihr Auslöseschwelle ist Im.

(5) Nennkurzzeitbelastbarer Strom (Icw)
Dies ist der Stromwert, der für eine bestimmte Dauer durch den Leiter fließen darf, ohne dass durch Überhitzung Schäden entstehen.

(6) Trennfähigkeit
Die Trennfähigkeit eines Schaltgeräts bezieht sich auf seine Fähigkeit, Fehlerströme sicher zu trennen, was nicht unbedingt mit seinem Nennstrom zusammenhängt. Gebräuchliche Nennwerte sind 36 kA und 50 kA. Sie wird in der Regel in ultimative Kurzschluss-Trennfähigkeit (Icu) und Dienst-Kurzschluss-Trennfähigkeit (Ics) unterteilt.

Allgemeine Grundsätze für die Auswahl von Schaltgeräten

Zuerst wählen Sie den Typ und die Anzahl der Pole basierend auf der Anwendung; dann wählen Sie den Nennstrom basierend auf dem maximalen Betriebsstrom; schließlich wählen Sie den Typ der Auslöseeinheit und der Zubehörteile. Spezifische Anforderungen sind wie folgt:

• Die Nennbetriebsspannung des Schaltgeräts ≥ Netznennspannung.

• Die Nennkurzschluss-Schaltfähigkeit des Schaltgeräts ≥ berechneter Laststrom des Leiters.

• Die Nennkurzschluss-Schaltfähigkeit des Schaltgeräts ≥ maximal möglicher Kurzschlussstrom im Leiter (in der Regel als Effektivwert berechnet).

• Einspeisender Einphasen-Erdschlussstrom am Ende des Leiters ≥ 1,25-mal die Sofortauslösung (oder Kurzzeitverzögerung) der Einstellung des Schaltgeräts.

• Die Nennspannung der Unter Spannung-Auslöseeinheit = Netznennspannung.

• Die Nennspannung der Parallelweg-Auslöseeinheit = Steuerspannung.

• Die Nennbetriebsspannung des elektrischen Betriebsmechanismus = Steuerspannung.

• Bei Verwendung in Beleuchtungsschaltkreisen beträgt die Sofortauslösung der elektromagnetischen Auslöseeinheit in der Regel 6-mal den Laststrom.

• Bei Verwendung eines Schaltgeräts für den Kurzschluss-Schutz eines einzelnen Motors beträgt die Sofortauslösung 1,35-mal den Motorstartstrom (für DW-Reihe) oder 1,7-mal (für DZ-Reihe).

• Bei Verwendung eines Schaltgeräts für den Kurzschluss-Schutz mehrerer Motoren beträgt die Sofortauslösung 1,3-mal den Startstrom des größten Motors plus die Betriebsströme der restlichen Motoren.

• Bei Verwendung eines Schaltgeräts als Hauptschalter auf der Niederspannungsseite eines Verteilungstransformators sollte dessen Trennfähigkeit den Kurzschlussstrom auf der Niederspannungsseite des Transformators überschreiten. Der Nennstrom der Auslöseeinheit sollte nicht geringer als der Nennstrom des Transformators sein. Die Kurzschluss-Schutzeinstellung beträgt in der Regel 6–10-mal den Nennstrom des Transformators; die Überlast-Schutzeinstellung entspricht dem Nennstrom des Transformators.

• Nach der vorläufigen Auswahl des Schaltgerättyps und -nennwerts ist eine Abstimmung mit den oberen und unteren Schutzeinrichtungen erforderlich, um Kaskadenauslösung zu vermeiden und den Unfallbereich zu minimieren.

Selektivität von Schaltgeräten

In Verteilungssystemen werden Schaltgeräte basierend auf ihrem Schutzverhalten als selektiv oder nicht-selektiv klassifiziert. Selektive Niederspannungsschaltgeräte haben entweder zweistufigen oder dreistufigen Schutz. Sofortauslösung und Kurzzeitverzögerung werden für den Kurzschluss-Schutz verwendet, während Langzeitverzögerung für den Überlast-Schutz verwendet wird. Nicht-selektive Schaltgeräte sind in der Regel sofortig, werden nur für Kurzschluss-Schutz verwendet, oder langsam, werden nur für Überlast-Schutz verwendet.

In Verteilungssystemen wird die Selektivität erreicht, indem die Zeitverzögerung der Kurzzeitverzögerung-Auslöseeinheit oder Unterschiede in den Zeitverzögerungseinstellungen genutzt werden, wenn der obere Schaltkreis selektiv und der untere Schaltkreis nicht-selektiv oder selektiv ist. Wenn der obere Schaltkreis mit Zeitverzögerung arbeitet, ist Folgendes zu beachten:

• Unabhängig davon, ob der untere Schaltkreis selektiv oder nicht-selektiv ist, sollte die Sofortauslösung des oberen Schaltgeräts in der Regel nicht weniger als 1,1-mal der maximale Drei-Phasen-Kurzschlussstrom am Ausgang des unteren Schaltgeräts betragen.

• Wenn der untere Schaltkreis nicht-selektiv ist, um zu verhindern, dass die Kurzzeitverzögerung-Auslöseeinheit des oberen Schaltgeräts bei Kurzschluss zuerst auslöst, aufgrund mangelnder Sensitivität der Sofortauslösung des unteren Schaltgeräts, sollte die Kurzzeitverzögerung-Auslösung des oberen Schaltgeräts in der Regel nicht weniger als 1,2-mal die Sofortauslösung des unteren Schaltgeräts betragen.

• Wenn der untere Schaltkreis ebenfalls selektiv ist, um die Selektivität zu gewährleisten, sollte die Kurzzeitverzögerung-Betriebszeit des oberen Schaltgeräts mindestens 0,1 Sekunden länger sein als die des unteren Schaltgeräts.

In der Regel sollte, um eine selektive Funktion zwischen oberen und unteren Niederspannungsschaltgeräten zu gewährleisten, das obere Schaltgerät eine Kurzzeitverzögerung-Auslöseeinheit haben, und sein Betriebsstrom sollte mindestens eine Stufe höher als der des unteren Auslösemechanismus sein. Mindestens sollte der obere Betriebsstrom Iop.1 nicht weniger als 1,2-mal der untere Betriebsstrom Iop.2 betragen, d.h. Iop.1 ≥ 1,2 Iop.2.

Kaskaden-Schutz von Schaltgeräten

In der Verteilungssystemplanung muss die Abstimmung zwischen oberen und unteren Schaltgeräten "Selektivität, Geschwindigkeit und Sensitivität" gewährleisten. Selektivität bezieht sich auf die Abstimmung zwischen den Schaltgeräten, während Geschwindigkeit und Sensitivität mit den Eigenschaften der Schutzeinrichtung und dem Betriebsmodus des Schaltkreises verbunden sind.

Eine angemessene Abstimmung zwischen oberen und unteren Schaltgeräten ermöglicht die selektive Isolierung des fehlerhaften Schaltkreises und stellt sicher, dass andere nicht-fehlerhafte Schaltkreise ihren normalen Betrieb fortsetzen. Eine schlechte Abstimmung beeinträchtigt die Zuverlässigkeit des Systems.

Kaskaden-Schutz ist eine praktische Anwendung der strombegrenzenden Eigenschaften von Schaltgeräten. Sein Hauptprinzip besteht darin, die strombegrenzende Wirkung des oberen Schaltgeräts (QF1) zu nutzen, wodurch ein unteres Schaltgerät (QF2) mit geringerer Trennfähigkeit ausgewählt werden kann, was die Kosten senkt. Das strombegrenzende obere Schaltgerät QF1 kann den maximalen erwarteten Kurzschlussstrom an seinem Installationspunkt unterbrechen. Da die oberen und unteren Schaltgeräte in Serie geschaltet sind, wird der tatsächliche Kurzschlussstrom, wenn ein Kurzschluss am Ausgang des unteren Schaltgeräts QF2 auftritt, durch die strombegrenzende Wirkung von QF1 signifikant reduziert, weit unter dem erwarteten Kurzschlussstrom an diesem Punkt. Somit wird die Trennfähigkeit von QF2 durch QF1 effektiv verbessert und übersteigt ihre Nenn-Trennfähigkeit.

Kaskaden-Schutz hat bestimmte Bedingungen: Zum Beispiel sollten benachbarte Schaltkreise keine kritischen Lasten haben (da das Auslösen von QF1 auch den Schaltkreis von QF3 de-energisieren würde), und die Sofortauslösung von QF1 und QF2 müssen ordnungsgemäß abgestimmt sein. Kaskaden-Daten können nur experimentell bestimmt werden, und die Abstimmung zwischen oberen und unteren Schaltgeräten muss vom Hersteller bereitgestellt werden.

Sensitivität von Schaltgeräten

Um einen zuverlässigen Betrieb der Sofortauslösung oder Kurzzeitverzögerung-Auslöseeinheit unter minimalen Systembedingungen und bei mildesten Kurzschlüssen innerhalb ihres Schutzbereichs zu gewährleisten, muss die Sensitivität des Schaltgeräts den Anforderungen des "Normenwerks für die Planung von Niederspannungsverteilungssystemen" (GB50054-95) entsprechen, das eine Sensitivität von mindestens 1,3 vorsieht, d.h. Sp = Ik.min / Iop ≥ 1,3. Hierbei ist Iop der Betriebsstrom der Sofortauslösung oder Kurzzeitverzögerung-Auslöseeinheit, Ik.min der Einphasen- oder Zweiphasen-Kurzschlussstrom am Ende des geschützten Leiters unter minimalen Systembedingungen, und Sp ist die Sensitivität des Schaltgeräts.

Bei der Auswahl eines Schaltgeräts sollte auch dessen Sensitivität überprüft werden. Für selektive Schaltgeräte mit Kurzzeitverzögerung- und Sofortauslösung-Auslöseeinheiten muss nur die Sensitivität der Kurzzeitverzögerung-Auslöseeinheit geprüft werden; die Sensitivität der Sofortauslösung-Auslöseeinheit erfordert keine Prüfung.

Auswahl und Einstellung der Auslöseeinheiten von Schaltgeräten

(1) Einstellung des Betriebsstroms der Sofortauslösung-Auslöseeinheit
Einige elektrische Geräte, die durch das Schaltgerät geschützt werden, haben beim Start hohe Spitzenströme, mehrere Male den Nennstrom, was dazu führt, dass das Schaltgerät kurzzeitig hohe Spitzenströme erfährt. Der Betriebsstrom Iop(o) der Sofortauslösung-Auslöseeinheit muss den Spitzenstrom Ipk des Schaltkreises überschreiten, d.h. Iop(o) ≥ Krel·Ipk, wobei Krel der Zuverlässigkeitsfaktor ist. Bei der Auswahl eines Schaltgeräts stellen Sie sicher, dass seine Sofortauslösung-Einstellung den Spitzenstrom übersteigt, um ungewolltes Auslösen zu vermeiden.

(2) Einstellung des Betriebsstroms und der Zeit der Kurzzeitverzögerung-Auslöseeinheit
Der Betriebsstrom Iop(s) der Kurzzeitverzögerung-Auslöseeinheit sollte ebenfalls den Spitzenstrom Ipk des Schaltkreises überschreiten, d.h. Iop(s) ≥ Krel·Ipk, wobei Krel der Zuverlässigkeitsfaktor ist. Kurzzeitverzögerung-Auslösung-Zeiten betragen in der Regel 0,2 s, 0,4 s oder 0,6 s, je nach der Selektivität mit oberen und unteren Schutzeinrichtungen, um sicherzustellen, dass die obere Einrichtung später als die untere um eine Zeiteinheit auslöst.

(3) Einstellung des Betriebsstroms und der Zeit der Langzeitverzögerung-Auslöseeinheit
Die Langzeitverzögerung-Auslöseeinheit dient hauptsächlich zum Überlastschutz. Ihr Betriebsstrom Iop(l) muss nur den maximalen Laststrom (berechneten Strom I30) des Schaltkreises überschreiten, d.h. Iop(l) ≥ Krel·I30, wobei Krel der Zuverlässigkeitsfaktor ist. Die Betriebszeit sollte länger als die Dauer der zulässigen kurzfristigen Überlastungen sein, um ungewolltes Auslösen zu vermeiden.

(4) Abstimmungsanforderungen zwischen dem Betriebsstrom der Auslöseeinheit und dem geschützten Schaltkreis
Um Insulationsbeschädigungen oder Brände aufgrund von Überlast oder Kurzschluss ohne das Auslösen des Schaltgeräts zu vermeiden, muss der Betriebsstrom Iop der Auslöseeinheit die Bedingung Iop ≤ Kol·Ial erfüllen. Hierbei ist Ial die zulässige Stromtragfähigkeit des isolierten Kabels; Kol ist der zulässige kurzfristige Überlastfaktor—typischerweise 4,5 für Sofortauslösung- und Kurzzeitverzögerung-Auslöseeinheiten, 1,1 für Langzeitverzögerung-Auslöseeinheiten, die für Kurzschluss-Schutz verwendet werden, und 1,0, wenn sie nur für Überlast-Schutz verwendet werden. Wenn diese Abstimmungsanforderung nicht erfüllt ist, sollten die Einstellungen der Auslöseeinheit angepasst oder der Querschnitt des Leiters oder Kabels entsprechend erhöht werden.