Vakuumschaltungen vs. Luftschaltungen: Wesentliche Unterschiede

Niederspannungs-Luft-Schaltgeräte im Vergleich zu Vakuumschaltgeräten: Struktur, Leistung und Anwendung

Niederspannungs-Luft-Schaltgeräte, auch als universelle oder formgegossene Rahmenschaltgeräte (MCCBs) bekannt, sind für Wechselspannungen von 380/690V und Gleichspannungen bis 1500V ausgelegt, mit Nennströmen, die von 400A bis 6300A oder sogar 7500A reichen. Diese Schaltgeräte verwenden Luft als Bogenlöschmedium. Der Bogen wird durch Bogenverlängerung, -aufspaltung und -kühlung durch einen Bogenleiter (Bogenfänger) gelöscht. Solche Schaltgeräte können Kurzschlussströme von 50kA, 80kA, 100kA oder bis zu 150kA unterbrechen.

Hauptkomponenten und Funktionalität

• Betriebsmechanismus: Er befindet sich an der Frontseite des Schaltgeräts und bietet die notwendige Geschwindigkeit für den Kontaktabschluss und -öffnung. Schnelle Kontaktbewegungen helfen, den Bogen zu verlängern und abzukühlen, was seine Auslöschung erleichtert.

• Intelligentes Auslösegerät: Es ist neben dem Betriebsmechanismus montiert und bildet das "Gehirn" des Niederspannungsschaltgeräts. Es empfängt Strom- und Spannungssignale über Sensoren, berechnet elektrische Parameter und vergleicht sie mit voreingestellten LSIG-Schutzparametern:

• L: Langzeitverzögerung (Überlastschutz)

• S: Kurzzeitverzögerung (Kurzschutzsicherung)

• I: Sofortauslösung

• G: Erdfehlerschutz
  Auf Basis dieser Einstellungen gibt das Auslösegerät dem Mechanismus das Signal, das Schaltgerät bei Überlast oder Kurzschluss zu öffnen, um umfassenden Schutz zu bieten.

• Bogenkammer und Anschlüsse: Sie befinden sich an der Rückseite, wobei die Bogenkammer die Kontakte und den Bogenleiter enthält. Die drei unteren Phasen-Ausgänge sind ausgestattet mit:

• Elektronischen Stromsensoren (für Signaleingang zum Auslösegerät)

• Elektromagnetischen Stromwandler (CTs) (um Betriebsstrom für das Auslösegerät zu liefern)

Der Betriebsmechanismus hat in der Regel eine mechanische Lebensdauer von weniger als 10.000 Betriebszyklen.

Entwicklung vom Luft- zum Vakuumbrechverfahren

Historisch gab es Mittelspannungs-Luft-Schaltgeräte, die jedoch voluminös waren, eine begrenzte Unterbrechungskapazität aufwiesen und signifikante Bogenlichterzeugung (nicht-null-Bogen) hervorriefen, was sie unsicher und unpraktisch machte.

Im Gegensatz dazu haben Vakuumschaltgeräte (VCBs) eine ähnliche Gesamtaufbauweise: der Betriebsmechanismus an der Front und der Unterbrecher an der Rückseite. Allerdings verwendet der Unterbrecher einen Vakuumschalter (oder "Vakuumbüchse"), der strukturell einem Glühbirnenglas ähnelt — ein luftdicht versiegeltes Glas- oder Keramikgehäuse, das hochvakuumiert ist.

Im Vakuum:

• Ist nur ein kleiner Kontaktabstand erforderlich, um die Isolations- und Festigkeitsanforderungen zu erfüllen.

• Wird der Bogen schnell gelöscht, da es kein ionisierbares Medium gibt und Metallverdampfung effizient diffundiert.

Anwendungen von Vakuumschaltgeräten

Vakuumschaltgeräte haben sich schnell entwickelt und werden nun in Niederspannungs-, Mittelspannungs- und Hochspannungssystemen weit verbreitet eingesetzt:

• Niederspannungs-VCBs: Typischerweise mit einer Spannung von 1,14kV, Nennströmen bis 6300A und einer Kurzschlussunterbrechungskapazität bis 100kA.

• Mittelspannungs-VCBs: Am häufigsten im Bereich von 3,6–40,5kV, mit Strömen bis 6300A und einer Unterbrechungskapazität bis 63kA. Mehr als 95% der Mittelspannungsschaltanlagen verwenden heute Vakuumschaltgeräte.

• Hochspannungs-VCBs: Einpolige Unterbrecher erreichen 252kV, und 550kV-Vakuumschaltgeräte wurden durch seriell geschaltete Unterbrecher erreicht.

Wesentliche Konstruktionsunterschiede

Im Gegensatz zu Luft-Schaltgeräten, die Federkontakte verwenden, müssen Vakuumschaltgeräte den Betriebsmechanismus so gestalten, dass er:

• Einen ausreichenden Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit bietet

• Eine ausreichende Kontaktdruckkraft sicherstellt

Diese Kontaktdruckkraft muss auch nach bis zu 3mm Kontaktabnutzung ausreichend bleiben, um den Nennstrom zuverlässig zu führen und den Spitzenkurzzeitstrom bei Fehlern zu überstehen.

Vorteile von Vakuumschaltgeräten

• Hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit

• Unempfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen (Staub, Feuchtigkeit, Höhe)

• Keine Bogenlichterzeugung (kein externer Bogen)

• Kompakte Größe und lange Wartungsintervalle

Diese Vorteile machen Vakuumschaltgeräte ideal für Einsatz in gefährlichen Umgebungen wie Chemieanlagen, Kohlebergwerken und Öl- und Gasanlagen, wo Explosionsrisiken und Brandsicherheit entscheidend sind.

Fallstudie: Leistung von Vakuumschaltgeräten im Vergleich zu Luft-Schaltgeräten bei Störungen

In einer großen Chemieanlage wurden zwei Schaltgeräte — ein Luft-Schaltgerät und ein Vakuumschaltgerät — in identischen Schaltkreisen installiert und denselben Störbedingungen ausgesetzt.

Der Schaltkreis war eine Verbindungskonfiguration, bei der die Stromquellen auf beiden Seiten des Schaltgeräts nicht synchronisiert waren. Dies führte zu einer Überspannung über den Kontaktabstand, die fast doppelt so hoch wie die Nennspannung war, was zum Ausfall des Schaltgeräts führte.

Ergebnisse:

• Luft-Schaltgerät:
  Vollständiger Zerstörung. Das Gehäuse des Schaltgeräts platzte, und die benachbarten Schaltanlagen auf beiden Seiten wurden schwer beschädigt. Extensive Rekonstruktion und Ersetzung waren erforderlich.

• Vakuumschaltgerät:
  Der Ausfall war wesentlich weniger heftig. Nach dem Austausch des Vakuumschalters und der Reinigung der Bogenrückstände (Ruß) vom Schaltgerät und Abteil konnte die Schaltanlage schnell wieder in Betrieb genommen werden.

Fazit

Vakuumschaltgeräte zeigen im Vergleich zu Luft-Schaltgeräten eine überlegene Fehlerbehandlung, Sicherheit und Zuverlässigkeit, insbesondere bei schweren transitorischen Überspannungen. Ihre luftdicht versiegelten Vakuumschalter verhindern die Bogenausbreitung, minimieren Schäden und Stillstandszeiten.

In explosions- oder brennbaren Umgebungen wie Chemieanlagen und Kohlebergwerken bieten die arcfreie Funktion und die robuste Leistung von Vakuumschaltgeräten einen klaren technologischen und sicherheitstechnischen Vorteil.