Design von neuartigen Stromverteilungsschränken

In der modernen Elektrotechnik dienen Verteilungsschränke und -kästen als „Nervenzentren“ für die Energieverteilung und -steuerung. Die Qualität ihrer Konstruktion bestimmt direkt die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit des gesamten Energieversorgungssystems. Angesichts zunehmend komplexer Energieanforderungen und steigender Intelligenzniveaus hat sich die Konstruktion von Verteilungsgeräten von einem einfachen „Hausen von elektrischen Komponenten“ zu einer umfassenden Systemingenieur-Aufgabe entwickelt, die Strukturmechanik, elektromagnetische Verträglichkeit, Wärmeabfuhr, Mensch-Maschine-Interaktion und intelligente Steuerung integriert. Dieser Artikel wird Optimierungsstrategien für Hoch- und Niederspannungsverteilungsschränke und -kästen aus konstruktiver Sicht untersuchen.

I. Hoch- und Niederspannungsverteilungsschränke: Optimierung der Systemebene

Hoch- und Niederspannungsverteilungsschränke sind das Kerngerät in Verteilungsraumen. Ihre Konstruktion muss einen optimalen Ausgleich zwischen Zuverlässigkeit, Praktikabilität und Wirtschaftlichkeit erreichen.

• Konstruktionsdesign: Modularität und Wartbarkeit

• Ziehleistung/Abziehbar (z.B. KYN28) Design: Dies ist derzeit das vorherrschende Hochzuverlässigkeitsdesign. Durch das Montieren wesentlicher Komponenten wie Schaltstufen auf abziehbaren „Ziehern“ oder „Wagen“ ermöglicht es sichere „Wartung unter entenergisierten Bedingungen“. Das Design muss präzise Gleis- und Bodenflachheit berücksichtigen, um eine glatte Bewegung des Wagens sicherzustellen. Schwingungsdämpfung wird durch das Verlegen von Isoliergummimatten erreicht, was die Abstimmung zwischen konstruktivem Design und Bauwerksbau widerspiegelt.

• Räumliche Anordnung und Trennung: Schränke wie der KYN28 verwenden Metalltrennwände, um den Schrank in separate Abteilungen (z.B. Kabelkammer, Wagenkammer, Busleiterkammer, Instrumentenkammer) zu teilen, wodurch funktionale Zonierung und elektrische Isolation erreicht werden, was effektiv die Fehlerausbreitung verhindert. Die Anordnung muss präzise basierend auf Bauteilmaßen, Wärmeabführungsanforderungen und elektrischen Sicherheitsabständen entworfen werden.

• Niederspannungs-Ziehleistung (z.B. GCS, MNS): Diese Niederspannungsschränke nutzen Zieheinheiten, was die Wartungseffizienz erheblich verbessert. Das Design muss die mechanische Verriegelung der Ziehelemente, die Stärke der Schienen und die Zuverlässigkeit der Verbindungen berücksichtigen, um stabile elektrische Verbindungen trotz häufiger Ein- und Aussteckvorgänge sicherzustellen.

• Bauteilauswahl und Schutzfunktionsdesign

• Schutzstrategie: Der Kern des Designs liegt in der Konfiguration von Schutzfunktionen. Sicherungen sind kostengünstig, aber nur für Kurzschluss-Schutz geeignet und erfordern Austausch. Vakuumschaltstufen oder SF6-Schaltstufen bieten hingegen umfassenden Überlast- und Kurzschluss-Schutz und sind wiederverwendbar, was sie zur bevorzugten Wahl für komplexe Lasten macht. Die Auswahl von Schutzelementen sollte auf Lastcharakteristiken (z.B. Motoren, Beleuchtung, elektronische Geräte) basieren.

• Intelligente Integration: Traditionelle Relais-basierte Schutzsysteme sind komplex und haben hohe Ausfallraten. Der moderne Designtrend geht dahin, intelligente multifunktionale Schutzrelais zu integrieren. Diese Geräte kombinieren Messung, Schutz, Steuerung und Kommunikation in einem Gerät, vereinfachen sekundäre Schaltkreise, erhöhen die Systemzuverlässigkeit und bieten Schnittstellen für zukünftige Verbindung zu Energiewirtschaftssystemen (EMS) oder Gebäudeautomatisierungssystemen (BAS).

• Wirtschaftliches und praktisches Design

• Inländisch vs. Import: Inländische Schränke (z.B. GCS) bieten moderate Preise und bequeme Nachverkaufsleistungen, haben jedoch oft eine größere physische Fußabdruckfläche. Importierte Schränke (z.B. ABB's MNS) weisen fortschrittliche Technologie und eine kompakte Größe auf, aber höhere Kosten und möglicherweise längere Reparaturzyklen. Designer müssen eine umfassende Wahl basierend auf Projektbudget, Verteilungsraumgröße und Wartungsfähigkeiten treffen.

• Parametrisches Design: Präzise Berechnung des maximalen Nennstroms und des kurzzeitigen Durchhaltestroms der Hauptbusleiter ist essentiell. Basierend auf diesen Berechnungen müssen angemessene Busleiter-Spezifikationen und der Ingress Protection (IP)-Schutzgrad des Schrankes ausgewählt werden, um eine sichere Betriebsführung auch unter Spitzenlastbedingungen sicherzustellen.

II. Verteilungskästen: Design mit Fokus auf Detail und Innovation

Als Endpunkte der Energieverteilung fokussiert sich das Design von Verteilungskästen mehr auf Installationskomfort, Umweltanpassung und Benutzererfahrung.

• Installationsmethodendesign

• Oberflächenmontage vs. Flachmontage: Das Oberflächenmontagedesign von Verteilungskästen (z.B. mit Winkelstahlhalterungen oder Metallausdehnungsbolzen) muss die Wandtragfähigkeit und die präzise Positionierung der Befestigungspunkte berücksichtigen. Flachmontierte Verteilungskästen erfordern enge Abstimmung mit dem Bauwerk, um genaue Maße und Höhen der vorgefertigten Öffnungen sicherzustellen und die Kontamination des Kastens während nachfolgender Verputzarbeiten zu vermeiden, was hochpräzise Designdrawings erfordert.

• Struktur- und Materialinnovationsdesign

• Patentbeispiel:

• Festigkeit und Stabilität: Hinzufügen erhöhter Rippen an der Innenseite der Tür und entsprechender Rillen im Türrahmen schafft bei geschlossener Tür eine „Muffelholz-ähnliche“ Struktur, die die Türsteifigkeit und die Gesamtstabilität erheblich verbessert und das häufige Problem der Verformung bei herkömmlichen Blechtüren löst.

• Geräuschreduzierendes Design: Die Innenwände integrieren eine Aluminiumschaumlage mit runden Löchern. Aluminiumschaum ist ein leichtes, poröses Material, dessen innere Mikroporen Schallwellen in Wärme umwandeln, was den Betriebslärm effektiv absorbiert und eliminiert und eine ruhigere Umgebung schafft.

• Energieeffizienz und präzise Steuerung: Die interne Integration von Filter-Kompensationsschaltkreisen (Harmonischerfilter + Leistungsfaktorkorrektur) beseitigt nicht nur Netzharmonische, sondern verbessert auch den Leistungsfaktor, reduziert damit direkt die Leitungsverluste. Gleichzeitig liefern unabhängige Strom- und Spannungsmessschaltkreise präzise Energieverbrauchsdaten für das System, was die nachfolgende Energieeffizienzanalyse und -optimierung erleichtert.

• Sicherheits- und Wartungsdesign

• Isolierung und Prüfung: Das Design muss einen Isolierprüfvorgang einschließen. Nach der Installation muss ein 500V Megger (Isolationswiderstandsprüfer) verwendet werden, um die Isolationswiderstände zwischen Phasen, Phase-Erde, Phase-Neutral usw. zu prüfen und sicherzustellen, dass sie den Standards entsprechen. Dies ist grundlegend für die Sicherheit von Personal und Geräten.

• Wärmeableitung: Lüfter werden in die Rückwand integriert, aber dies muss mit dem Geräuschreduzierungsdesign abgestimmt sein. Dieses Patentdesign nutzt effizient die Aluminiumschaum-Schalldämpfung, ermöglicht Belüftungsschlitze ohne signifikante Geräuschkopplung und löst clever den Konflikt zwischen Wärmeableitung und Geräuschreduktion.