Wie wählt man Vakuumschaltkreuze richtig aus

01 Einleitung

In Mittelspannungssystemen sind Schaltgeräte unverzichtbare primäre Komponenten. Vakuumschaltgeräte beherrschen den heimischen Markt. Daher ist eine korrekte elektrische Planung untrennbar von der richtigen Auswahl von Vakuumschaltgeräten. In diesem Abschnitt werden wir erläutern, wie man Vakuumschaltgeräte korrekt auswählt und häufige Fehleinschätzungen bei ihrer Auswahl.

02 Unterbrechungskapazität für Kurzschlussströme muss nicht übermäßig hoch sein

Die Kurzschlussunterbrechungskapazität eines Schaltgeräts muss nicht übermäßig hoch sein, sollte aber einen gewissen Spielraum haben, um zukünftige Erweiterungen des Netzkapazitäts, die zu erhöhten Kurzschlussströmen führen können, aufzunehmen. In der Praxis wird jedoch oft eine viel zu hohe Unterbrechungskapazität für Schaltgeräte in der elektrischen Planung ausgewählt. 

Beispielsweise beträgt der Kurzschlussstrom an Busbaren in 10kV-Systemen meist etwa 10kA, und in Systemen mit größerer Kapazität kann er bis zu 16kA erreichen. Dennoch wird in elektrischen Planungszeichnungen die Unterbrechungskapazität von Vakuumschaltgeräten häufig so hoch wie 31,5kA oder sogar 40kA angegeben. Eine solch hohe Unterbrechungskapazität führt zu unnötigen Investitionen. In den oben genannten Fällen wäre eine Unterbrechungskapazität von 20kA oder 25kA ausreichend. Derzeit sind jedoch Vakuumschaltgeräte mit einer Unterbrechungskapazität von 31,5kA sehr gefragt und werden in Massenproduktion hergestellt, was zu geringeren Herstellungs- und Verkaufspreisen führt, wodurch sie weiter verbreitet werden.

In der elektrischen Planung werden berechnete Kurzschlussströme im Allgemeinen eher höher angesetzt. Der Grund dafür ist, dass die Systemimpedanz und der Kontaktwiderstand im Schaltkreislauf oft bei der Berechnung vernachlässigt werden. Selbstverständlich muss die Unterbrechungskapazität von Schaltgeräten basierend auf dem maximal möglichen Kurzschlussstrom ausgewählt werden. Die Einstellungswerte für Kurzschutz sollten jedoch nicht auf dem maximalen Kurzschlussstrom basieren. 

Dies liegt daran, dass bei Kurzschlüssen oft Bögen auftreten, und der Bogenwiderstand ist sehr hoch. In Berechnungen werden Kurzschlüsse als reine metallische Dreiphasenkurzschlüsse behandelt, ohne Bogen und ohne Kontaktwiderstand. In tatsächlichen Ausfallstatistiken sind über 80% der Kurzschlüsse einphasig, und es treten fast immer Bögen bei Kurzschlussereignissen auf. Daher ist der tatsächliche Kurzschlussstrom viel niedriger als der ideal berechnete Wert. 

Wenn die Einstellungswerte zu hoch sind, verringert dies die Sensitivität des Schutzes oder führt dazu, dass der schnelle Schutz nicht funktioniert. In der Ingenieurpraxis liegt das Problem oft nicht darin, dass das Schaltgerät nicht unterbricht, sondern dass das Schutzelement aufgrund zu hoher Einstellungswerte nicht aktiviert wird. Übrigens treten reine metallische Dreiphasenkurzschlüsse selten auf—sie kommen nur vor, wenn Erdungsleitungen nach Wartungsarbeiten nicht entfernt werden, bevor das Schaltgerät geschlossen wird. Allerdings erfolgt die Erdung normalerweise über Erdungsschalter oder Erdungswagen, und es gibt Verriegelungsfunktionen, sodass reine metallische Kurzschlüsse extrem unwahrscheinlich sind.

In elektrischen Bauzeichnungen ist es üblich, die Unterbrechungskapazität des Hauptzuleitungsschaltgeräts eine Stufe höher anzugeben als die der Abzweigschaltgeräte. Dies ist nicht notwendig. Das Hauptschaltgerät handhabt Kurzschlussfehler an den Busbaren, während die Abzweigschaltgeräte Fehler in ihren jeweiligen Schaltkreisen abfangen. Nahe der Lastseite eines Abzweigschaltgeräts, in der Nähe der Busbaren, unterscheidet sich der Kurzschlussstrom jedoch nicht signifikant vom Kurzschlussstrom an den Busbaren. Daher sollten die Unterbrechungskapazitäten des Hauptschaltgeräts und der Abzweigschaltgeräte gleich sein.

03 Elektrische und mechanische Lebensdaueranforderungen müssen nicht übermäßig hoch sein

Die hier erwähnte elektrische Lebensdauer bezieht sich nicht auf die Anzahl der Öffnungs- und Schließvorgänge unter Nenn- oder Teilbelastungsstrom in bestimmten Intervallen, sondern auf die Anzahl der Unterbrechungen von Kurzschlussströmen ohne Wartung. Es gibt keine nationale Norm für diese Anzahl. Im Allgemeinen legen Hersteller 30 solche Unterbrechungen fest. Einige Hersteller produzieren Produkte, die 50 solcher Unterbrechungen aushalten. In Ausschreibungsunterlagen für Nutzerprojekte sind oft übermäßig hohe Anforderungen an die Anzahl der Kurzschlussunterbrechungen zu finden. So verlangte zum Beispiel eine Ausschreibung, dass ein 12kV-Linien-Schutz-Vakuumschaltgerät den Nennkurzschlussstrom 100-mal unterbrechen kann, mit einer mechanischen Lebensdauer von 100.000 Betriebszyklen und 20.000 Unterbrechungen des Nennstroms—diese Anforderungen sind unvernünftig.

Übermäßig hohe Anzahl von Kurzschlussunterbrechungen sind nicht notwendig. Ein Kurzschlussfehler ist ein schwerwiegendes elektrisches Ereignis. Jedes Auftreten sollte als ernsthafter Unfall behandelt werden, der eine Ursachenanalyse und Maßnahmen zur Verhinderung von Wiederholungen erfordert. Daher wird ein Schaltgerät über seine effektive Lebensdauer hinweg nur wenige Male Kurzschlussfehler unterbrechen. Je höher die Systemspannung, desto größer die Schäden durch Kurzschlüsse, aber desto geringer die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens. Daher reicht ein Mittelspannungsschaltgerät, das 30 Kurzschlussfehler unterbrechen kann. Typprüfungen für Kurzschlussunterbrechungen sind teuer. Für ein 12kV-Vakuumschaltgerät kostet jeder Kurzschlussunterbrechungstest derzeit etwa 10.000 RMB. Zu viele Tests sind teuer und unnötig.

Bedeutet eine höhere Anzahl erfolgreicher Unterbrechungen bessere Unterbrechungsfähigkeit? Dies ist eine weitere häufige Fehleinschätzung. Der Schlüssel zu Kurzschlussunterbrechungstests von Vakuumschaltgeräten liegt in den ersten zehn Betriebszyklen. Solange das Schaltgerät den spezifizierten Strom in den ersten zehn Tests erfolgreich unterbricht, ist seine spätere Leistung in der Regel zuverlässig. Statistische Daten aus Typprüfungen zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls am höchsten während der ersten zehn Unterbrechungen ist und mit zunehmender Anzahl der Unterbrechungen abnimmt. Nach 30 Unterbrechungen ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls in nachfolgenden Tests nahezu null. Daher bedeutet, dass es 30-mal unterbrechen kann, nicht, dass es 50-mal nicht könnte—es bedeutet lediglich, dass weitere Tests unnötig sind.

Was die mechanische Lebensdauer von Vakuumschaltgeräten betrifft, gibt es keinen Bedarf an übermäßig hohen Anforderungen. Die Klasse M1 beträgt ursprünglich nicht weniger als 2.000 Betriebszyklen, und die Klasse M2 beträgt nur 10.000. Nun wetteifern Hersteller in der mechanischen Lebensdauer—ein Hersteller behauptet 25.000, ein anderer 100.000. In Ausschreibungsprozessen vergleichen die Teilnehmer die Werte der mechanischen Lebensdauer, was für Vakuumschaltgeräte im Verteilnetz sinnlos ist. Für spezielle Anwendungen wie häufiges Umschalten von Motoren, Lichtbogenschmelzen oder automatischen Kondensatorengleicheinrichtungen sind jedoch Vakuumschaltkontakte besser geeignet (für das Umschalten von Mittelspannungskondensatoren werden häufig SF6-Schaltgeräte verwendet). Kontakte haben mechanische und elektrische Lebensdauern, die mehr als eine Million Betriebszyklen überschreiten (ihre elektrische Lebensdauer wird durch Unterbrechungen des Nennstroms gemessen, nicht des Kurzschlussstroms). Es gibt keinen Grund, in Schaltgeräten in der mechanischen Lebensdauer zu konkurrieren.

04 Übermäßige Anforderungen an andere elektrische Parameter

Die kurzzeitige Standfestigkeit eines Schaltgeräts bezieht sich auf seine Fähigkeit, die thermischen Belastungen durch Kurzschlussströme während eines Fehlers zu überstehen. Dies ist nicht dasselbe wie Temperaturanstieg. Bei Temperaturanstiegsprüfungen wird der Nenn- oder spezifizierte Strom lange Zeit durch das Schaltgerät geleitet, und es wird sichergestellt, dass der Temperaturanstieg an verschiedenen Punkten die vorgegebenen Grenzwerte nicht überschreitet. Die kurzzeitige Standfestigkeit eines Schaltgeräts wird in der Regel für 3 Sekunden getestet.

Innerhalb dieser Zeit darf die durch den Kurzschlussstrom erzeugte Wärme das Schaltgerät nicht beschädigen. Eine 3-sekündige thermische Standfestigkeit ist ausreichend. Der Grund dafür ist, dass nach einem Kurzschluss absichtliche Verzögerungen in zeitgestuften Schutzsystemen eingeplant werden, um Selektivität sicherzustellen. Für zeitgesteuerten Schutz beträgt die Verzögerung zwischen benachbarten Schaltgeräten 0,5 Sekunden, um Selektivität zu gewährleisten. Wenn die Schaltgeräte zwei Stufen auseinanderliegen, beträgt die Verzögerung 1 Sekunde; bei drei Stufen 1,5 Sekunden. Eine 3-sekündige Standfestigkeit ist bereits ausreichend. Manche Benutzer oder Designer bestehen jedoch auf einer 5-sekündigen thermischen Standfestigkeit, was wirklich unnötig ist.

Während des Schließvorgangs eines Schaltgeräts können die beweglichen und festen Kontakte sprühen. Wenn die Sprühzeit zu lang ist oder die Dreiphasensynchronisation beim Schließen groß ist, kann es zu Durchschlägen und Rückentladungen zwischen den Kontakten kommen. Rückentladungen verursachen Ladungs-Abladeprozesse im Schaltkreis, was die Steilheit und Amplitude der Überspannung erhöht. Diese Überspannung wird als Kontaktrückentladungsüberspannung bezeichnet.

Ihre Gefahr kann sogar die Spannungsspitzen von Vakuumschaltgeräten übertreffen und die Wickelisolierung von Transformator und Motor bedrohen. Daher sollten die Sprühzeit und die Dreiphasensynchronisation nicht länger als 2 ms sein. Aktuelle Schaltgeräteparameter entsprechen dieser Anforderung. Manche Benutzer verlangen jedoch Werte unter 2 ms, ja sogar, dass sie nicht mehr als 1 ms betragen, was den aktuellen technischen Möglichkeiten übersteigt.

05 Negative Auswirkungen eines zu hohen Startstroms von Vakuumschaltstellen

Der Nennstartstrom für Mittelspannungsvakuumschaltstellen beträgt 630 A. Derzeit produzieren einige Hersteller keine 630-A-Versionen mehr, und der minimale Startstrom hat sich auf 1250 A erhöht. Dies ist mit der Herstellung von Vakuumschaltstellen verbunden. Allerdings bringt dies eine Reihe negativer Konsequenzen mit sich. Da der Startstrom der Vakuumschaltstellen zu hoch ist, müssen Vakuumschaltgeräte, die mit diesen Schaltstellen montiert werden, dem Strom der Schaltstelle entsprechen. 

Dadurch müssen alle zugehörigen Komponenten—wie Polensäulen, Steckkontakte an den Polensäulen und feste Kontakte in der Schaltanlage—dem Strom der Schaltstelle entsprechen. Dies führt in den meisten Fällen zu erheblichem Verschwendung von nichtferromagnetischen Metallmaterialien. Beispielsweise kann ein 12kV-Vakuumschaltgerät nur einen 1000kVA-Transformator versorgen, dessen Nennstrom an der 10kV-Seite nur 57,7 A beträgt. Da jedoch die Vakuumschaltstelle mit 1250 A startet, muss das Schaltgerät auf 1250 A ausgelegt sein. Folglich müssen alle Zubehörteile des Schaltgeräts mindestens 1250 A leisten, und die festen Kontakte in der Schaltanlage müssen ebenfalls mindestens 1250 A leisten, was zu erheblicher Verschwendung von nichtferromagnetischen Metallen führt.

Schlimmer noch, Benutzer oder Designer bestehen darauf, dass die Stromtragfähigkeit der Hauptleiter in der Schaltanlage der des Schaltgeräts entsprechen muss—d. h., die Stromtragfähigkeit der Leiter ist für 1250 A ausgelegt. Tatsächlich wäre eine Kapazität von 60 A ausreichend, und solange die Mindestquerschnitte der Schaltleiter dynamische und thermische Stabilitätstests bestehen, gibt es erheblichen Raum für Materialersparnis.