Schlüsselunterschiede: IEEE- vs. IEC-Vakuumschaltkreise

Unterschiede zwischen Vakuumschaltgeräten nach IEEE C37.04 und IEC/GB-Normen

Vakuumschaltgeräte, die den nordamerikanischen IEEE C37.04-Standard erfüllen, weisen einige wesentliche Design- und Funktionsunterschiede im Vergleich zu solchen, die den IEC/GB-Normen entsprechen. Diese Unterschiede resultieren hauptsächlich aus Sicherheits-, Wartungs- und Systemintegrationsanforderungen in nordamerikanischen Schaltanlagenpraktiken.

1. Freitastmechanismus (Anti-Pumping-Funktion)

Der "freitast"-Mechanismus – funktional äquivalent zur Anti-Pumping-Funktion – stellt sicher, dass das Schaltgerät, wenn ein mechanisches Freigabesignal (freitast) vor einem beliebigen Schließbefehl (elektrisch oder manuell) angewendet und aufrechterhalten wird, nicht schließen darf, auch nicht kurzzeitig.

• Sobald ein Freigabesignal initiiert wird, müssen die beweglichen Kontakte in die vollständig geöffnete Position zurückkehren und dort verbleiben, unabhängig von fortlaufenden Schließbefehlen.

• Dieser Mechanismus kann während des Betriebs die Freisetzung gespeicherter Federenergie erfordern.

• Allerdings darf sich der Kontaktabstand während dieses Prozesses um höchstens 10% verringern, und die elektrische Festigkeit des Abstands darf nicht beeinträchtigt werden. Die Kontakte müssen in einem vollständig isolierten, offenen Zustand bleiben.

• Beide elektrischen und mechanischen Verriegelungen müssen unter diesen Bedingungen das Schließen verhindern.

Implementierungsmethoden:

• Elektrische Verriegelung: Ein Solenoid verhindert das Schließen. Wenn der Freigabetaster (manuell oder elektrisch) gedrückt wird, entmagnetisiert Mikroschalter 1 (siehe Abb. 2) die Schließspule. Gleichzeitig erweitert sich der Solenoidstift, um den Schließtaster mechanisch zu blockieren. Zusätzlich schließt sich Mikroschalter 2, wodurch sein normalerweise offener Kontakt in Serie mit dem Schließspulenkreis geschaltet wird und das elektrische Schließen verhindert.

• Alternative mechanische Ausführung: Der Schließtaster kann gedrückt werden, aber die gespeicherte Energie in der Feder wird in die Luft entlassen (d.h., ohne Last), anstatt an den Hauptwellenstrang übertragen zu werden, um den Vakuumschützer zu schließen. Dies gewährleistet Sicherheit, während es eine mechanische Aktivierung ohne tatsächliches Schließen ermöglicht.

2. Automatische Federentladung (ASD)

ASD (Automatische Federentladung) ist eine wichtige Sicherheitsanforderung gemäß IEEE-Standards. Es wird verlangt, dass das Schaltgerät nicht in einem geladenen (federenergierten) Zustand sein darf, wenn es in oder aus seiner Zelle gerückt wird – ob beim Verschieben vom Prüf- zum Betriebsstatus oder beim Entfernen oder Einsetzen in die Schaltanlagenzelle.

• Dies verhindert, dass Personen während der Handhabung hochenergetischen Federmechanismen ausgesetzt sind und das Risiko eines versehentlichen Energiefreisetzens beseitigt wird.

• Das Schaltgerät muss daher offen und ungefedertert sein, bevor Ruckvorgänge beginnen können.

• Ein dedizierter automatischer Energiefreisetzer muss eingebaut werden, um die gespeicherte Federenergie während oder vor dem Herausnehmen aus der verbundenen Position sicher abzugeben.

• Wenn die Energie vor dem Herausnehmen freigesetzt wird, muss eine zusätzliche elektrische Verriegelung das automatische Wiederenergieren der Feder verhindern, um sicherzustellen, dass das Schaltgerät während der Wartung sicher bleibt.

Diese Funktion erhöht die Personalsicherheit und entspricht den nordamerikanischen Sicherheitsprotokollen für metallschalige Schaltanlagen.

3. MOC – Hauptkontakt-Positionsanzeiger (C37.20.2-7.3.6)

Im Gegensatz zu IEC/GB-Schaltgeräten, bei denen Hilfsschalter (z.B. S5/S6), die die Position der Hauptkontakte anzeigen, normalerweise innerhalb der Gehäuse des Schaltmechanismus montiert und direkt über eine Verbindung durch den Hauptwellenstrang angetrieben werden (einfach und zuverlässig), verlangen IEEE-Standards, dass die Haupt-Offen/Haupt-Geschlossen (MOC)-Hilfsschalter innerhalb der festen Schaltanlagenzelle montiert werden, nicht am Schaltgerät selbst.

Zweck dieser Anforderung:

• Ermöglicht die Testung des Sekundärystems ohne das Schaltgerät: Techniker können die Position des Schaltgeräts (offen/geschlossen) mit einem Testsonde oder -simulator simulieren, um die Überprüfung von Schutzrelais, Steuerkreisen und Signalanlagen zu ermöglichen – auch wenn das Schaltgerät aus der Zelle entfernt wurde.

• Unterstützt Hochstrom-Hilfskreise: Ältere Steuersysteme erforderten manchmal Hochstromsignale (z.B. >5A), die standardmäßige Sekundärsteckkontakte (normalerweise für 1,5 mm² Draht ausgelegt) nicht zuverlässig tragen können. Feste MOC-Schalter ermöglichen dickere Leiter in der Zelle.

Designherausforderungen:

• Der Hauptwellenstrang des Schaltgeräts muss den festen MOC-Schalter sowohl in der Prüf- als auch in der Betriebsposition antreiben.

• Eine Antriebsverbindung (oben, unten oder seitlich montiert) muss die Bewegung vom beweglichen Schaltgerät zum stationären Schalter übertragen.

• Dies erfordert eine bewegliche Kupplung anstelle einer starren Verbindung, was die mechanische Komplexität erhöht.

• Aufgrund hoher Stoßkräfte während des Betriebs und möglicher Justierungstoleranzen sind Zuverlässigkeit und mechanische Haltbarkeit entscheidend.

• IEEE verlangt mindestens 500 mechanische Abläufe für MOC-Mechanismen, aber in der Praxis müssen sie die volle mechanische Lebensdauer des Schaltgeräts erreichen (oft 10.000 Abläufe).

• Die zusätzliche Verbindungsmasse kann die Schließ- und insbesondere die Öffnungsgeschwindigkeit beeinflussen, daher sind leichte, niedriginertische Komponenten entscheidend, um die Leistungseinbußen zu minimieren.

4. TOC – Test- und Verbunden-Positionsanzeiger (C37.20.2-7.3.6)

Im Gegensatz zu IEC/GB-Schaltgeräten, bei denen Positionsanzeigen (z.B. S8/S9) normalerweise am Chassis des Schaltgeräts montiert und durch den Ruckschraubenantrieb betätigt werden, verlangen IEEE-Standards, dass die Test- und Verbunden- (TOC)-Positionschalter innerhalb der Schaltanlagenzelle fixiert werden.

• Diese Schalter erkennen und signalisieren die physische Position des Schaltgerätwagens: ob er in der Verbunden (Betrieb), Test- oder Entfernt (Heruntergefahren)-Position ist.

• Die Fixierung in der Zelle gewährleistet eine konsistente, zuverlässige Anzeige, unabhängig vom internen Zustand des Schaltgeräts.

• Dies unterstützt sichere Verriegelungen (z.B. das Verhindern des Schließens, wenn nicht vollständig verbunden) und ermöglicht die Fernüberwachung der Schaltgerätposition.

5. Mechanischer Kontaktabnutzungsanzeiger für Vakuumschützer

Im Gegensatz zu SF₆-Schaltgeräten sind Vakuumschützer versiegelte Einheiten mit Fläche-zu-Fläche-Kontakten und ohne Bogenhörner oder Vorsteckkontakte. Beide, die Unterbrechung von Fehlerströmen und normale mechanische Operationen, führen zu Kontaktabnutzung und Verschleiß.

• Die Kontaktabnutzung ist der primäre Bestimmungsfaktor für die elektrische Lebensdauer eines Vakuumschaltgeräts.

• Während viele Algorithmen die elektrische Lebensdauer basierend auf der Anzahl der Betriebszyklen, Kurzschlussstrompegeln und Bogenzeit schätzen, sind diese weitgehend theoretisch oder empirisch.

• Aufgrund von Variationen im ersten Pol, der freigegeben wird, Stromphasen und individuellen Geräteunterschieden korreliert die vorhergesagte Lebensdauer oft nicht genau mit dem tatsächlichen physikalischen Verschleiß.

• Es besteht eine Lücke zwischen softwarebasierten Prognosen und realer physikalischer Degradation.

Daher fordert der nordamerikanische Markt einen mechanischen Kontaktabnutzungsanzeiger, der direkt in den Vakuumschützer oder den Betriebsmechanismus integriert ist.

• Dieser visuelle oder mechanische Messstab ermöglicht Wartungspersonal, den Grad der Kontaktabnutzung während Inspektionen direkt zu beobachten.

• Er bietet eine zuverlässige, physische Messung der verbleibenden Kontaktlebensdauer, verbessert die prädiktive Wartung und stellt sicher, dass der Austausch rechtzeitig vor dem Versagen erfolgt.