Ein Artikel zur Verständigung darüber, wie man mechanische Parameter von Vakuumschaltbrechern auswählt
1. Nennkontaktabstand
Wenn ein Vakuumschaltkreis in der offenen Position ist, wird der Abstand zwischen den beweglichen und festen Kontakten innerhalb des Vakuumschalters als Nennkontaktabstand bezeichnet. Dieser Parameter wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter die Nennspannung des Schalters, Betriebsbedingungen, Art des Unterbrechungsstroms, Kontaktmaterial und die dielektrische Festigkeit des Vakuumschlitzes. Er hängt hauptsächlich von der Nennspannung und dem Kontaktmaterial ab.
Der Nennkontaktabstand beeinflusst erheblich die Isolierleistung. Mit zunehmendem Abstand ab Null verbessert sich die dielektrische Festigkeit. Allerdings bringt eine weitere Erhöhung des Abstands über einen bestimmten Punkt hinaus keine weiteren nennenswerten Verbesserungen in der Isolierleistung und kann die mechanische Lebensdauer des Schalters erheblich reduzieren.
Basierend auf Installations-, Betriebs- und Wartungserfahrungen liegen typische Nennkontaktabstände in folgenden Bereichen:
6 kV und darunter: 4–8 mm
10 kV und darunter: 8–12 mm
35 kV: 20–40 mm
2. Kontaktweg (Überhub)
Der Kontaktweg muss so gewählt werden, dass selbst nach Verschleiß ausreichender Kontaktdruck aufrechterhalten wird. Er liefert auch dem beweglichen Kontakt beim Öffnen anfängliche kinetische Energie, erhöht die anfängliche Öffnungsgeschwindigkeit, um verschweißte Verbindungen zu trennen, die Bogenzeit zu reduzieren und die dielektrische Wiederherstellung zu beschleunigen. Beim Schließen ermöglicht er es der Kontaktfeder, eine sanfte Dämpfung bereitzustellen und das Kontaktwippen zu minimieren.
Wenn der Kontaktweg zu klein ist:
Unzureichender Kontaktdruck nach Verschleiß
Niedrige anfängliche Öffnungsgeschwindigkeit, was die Trennleistung und thermische Stabilität beeinträchtigt
Starkes Schließwippen und Vibrieren
Wenn der Kontaktweg zu groß ist:
Erhöhte Schließenergie erforderlich
Geringere Zuverlässigkeit des Schließvorgangs
Typischerweise beträgt der Kontaktweg 20%–40% des Nennkontaktabstands. Für 10-kV-Vakuumschalter liegt dieser in der Regel bei 3–4 mm.
3. Kontaktdruck im Betrieb
Der Betriebsdruck der Kontakte eines Vakuumschalters hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung. Er ist die Summe der inhärenten Selbstschließkraft des Vakuumschalters und der Kontaktfederkraft. Die richtige Auswahl muss vier Anforderungen erfüllen:
Aufrechterhaltung des Kontaktwiderstands innerhalb der vorgegebenen Grenzen
Erfüllung der Anforderungen an die dynamische Stabilität
Unterdrückung des Schließwippens
Reduzierung der Öffnungsvibrationen
Das Schließen unter Kurzschlussstrom stellt die anspruchsvollste Bedingung dar: Vor-Bogenströme erzeugen elektromagnetische Abstoßung, was zu Kontaktwippen führt, während die Schließgeschwindigkeit am geringsten ist. Diese Situation prüft kritisch, ob der Kontaktdruck ausreichend ist.
Wenn der Kontaktdruck zu niedrig ist:
Verlängerung der Schließwippzeit
Höherer Hauptkreiswiderstand, was zu einem unangemessen hohen Temperaturanstieg während des kontinuierlichen Betriebs führt
Wenn der Kontaktdruck zu hoch ist:
Erhöhte Federkraft (da die Selbstschließkraft konstant ist)
Höhere Schließenergieanforderung
Größerer Einfluss und Vibration auf den Vakuumschalter, was zu Beschädigungen führen kann
In der Praxis hängt die kontaktbezogene elektromagnetische Kraft nicht nur vom Spitzenkurzschlussstrom, sondern auch von der Kontaktaufbau, Größe, Härte und Öffnungsgeschwindigkeit ab. Ein umfassender Ansatz ist entscheidend.
Empirische Daten für den Kontaktdruck basierend auf dem Unterbrechungsstrom:
12,5 kA: 50 kg
16 kA: 70 kg
20 kA: 90–120 kg
31,5 kA: 140–180 kg
40 kA: 230–250 kg
4. Öffnungsgeschwindigkeit
Die Öffnungsgeschwindigkeit beeinflusst direkt die Geschwindigkeit, mit der die dielektrische Festigkeit nach dem Stromnullpunkt wiederhergestellt wird. Wenn die Wiederherstellung der dielektrischen Festigkeit langsamer erfolgt als die Steigerung der Wiederherstellspannung, kann es zur Wiederentzündung des Bogens kommen. Um die Wiederentzündung zu verhindern und die Bogenzeit zu minimieren, ist eine ausreichende Öffnungsgeschwindigkeit unerlässlich.
Die Öffnungsgeschwindigkeit hängt hauptsächlich von der Nennspannung ab. Bei fester Spannung und Kontaktabstand variiert die erforderliche Geschwindigkeit mit dem Unterbrechungsstrom, Lasttyp und Wiederherstellspannung. Höhere Unterbrechungsströme und kapazitive Ströme (mit hoher Wiederherstellspannung) erfordern höhere Öffnungsgeschwindigkeiten.
Typische Öffnungsgeschwindigkeit für 10-kV-Vakuumschalter: 0,8–1,2 m/s, manchmal über 1,5 m/s.
In der Praxis hat die anfängliche Öffnungsgeschwindigkeit (gemessen über die ersten paar Millimeter) einen größeren Einfluss auf die Trennleistung als die Durchschnittsgeschwindigkeit. Hochleistungs- und 35-kV-Vakuumschalter geben oft diese anfängliche Geschwindigkeit vor.
Obwohl eine höhere Geschwindigkeit vorteilhaft erscheint, kann sie die Öffnungsvibrationen und den Überhub erhöhen, was den Belastungen auf den Glockenbalg und die mechanische Spannung auf die Mechanik zusetzt und zu vorzeitiger Ermüdung und Leckagen führen kann. Sie erhöht auch die mechanische Spannung auf die Mechanik, was das Risiko von Komponentenversagen erhöht.
5. Schließgeschwindigkeit
Wegen der hohen statischen dielektrischen Festigkeit von Vakuumschaltern bei Nennabstand ist die erforderliche Schließgeschwindigkeit erheblich geringer als die Öffnungsgeschwindigkeit. Eine ausreichende Schließgeschwindigkeit ist notwendig, um die elektrische Erosion vor dem Bogen und das Kontaktverschweißen zu minimieren. Allerdings erhöht eine zu hohe Schließgeschwindigkeit die Schließenergie und setzt den Schalter einer größeren Belastung aus, was die Lebensdauer verringert.
Typische Schließgeschwindigkeit für 10-kV-Vakuumschalter: 0,4–0,7 m/s, bis 0,8–1,2 m/s, wenn erforderlich.
6. Schließwippzeit
Die Schließwippzeit ist ein wichtiger Indikator für die Leistung von Vakuumschaltern. Sie wird durch den Kontaktdruck, die Schließgeschwindigkeit, den Kontaktabstand, das Kontaktmaterial, den Aufbau des Schalters, die Bauart des Schalters und die Qualität der Installation und Justage beeinflusst.
Eine kürzere Wippzeit deutet auf bessere Leistung hin. Eine übermäßige Wippzeit führt zu schwerwiegenden elektrischen Erosionen, erhöht das Risiko von Überspannungen und kann während Kurzschlüssen oder Kondensatorumlegungen sowie bei thermischen Stabilitätstests zu Kontaktverschweißen führen. Eine verlängerte Wippzeit beschleunigt auch die Ermüdung des Glockenbalgs.
Für 10-kV-Vakuumschalter mit Kupfer-Chrom-Kontakten sollte die Schließwippzeit nicht 2 ms überschreiten. Für andere Materialien kann sie leicht höher sein, aber 5 ms nicht überschreiten.
7. Dreipolsynchronismus
Der Dreipolsynchronismus misst den Grad der Gleichzeitigkeit beim Schließen oder Öffnen der drei Pole. Da die Synchronismuswerte für Öffnen und Schließen ähnlich sind, wird in der Regel nur der Synchronismus beim Schließen angegeben.
Ein schlechter Synchronismus beeinträchtigt erheblich die Trennleistung und verlängert die Bogenzeit. Aufgrund der schnellen Betriebsgeschwindigkeiten und kleinen Abstände kann eine genaue Justage leicht die Anforderungen erfüllen. Der Synchronismus beim Schließen sollte in der Regel innerhalb von 1 ms liegen.
8. Ausrichtung der beweglichen und festen Kontakte (Koaxialität)
Eine korrekte koaxiale Ausrichtung der beweglichen und festen Kontakte ist entscheidend für die Leistung des Vakuumschalters und wird durch die Herstellungspräzision gewährleistet. Ob diese Ausrichtung nach der Installation aufrechterhalten wird, hängt von der Art des Betriebsmechanismus und des Montageprozesses ab.
Bei aufgehängten Mechanismen wird die Ausrichtung hauptsächlich durch den Mechanismus selbst bestimmt. Bei Bodenmontage ist die mechanische Ausrichtung ebenso wichtig. Während der Installation sollten Quer- oder seitliche Kräfte auf den Schalter vermieden werden.
Typische Toleranz für die Koaxialität: ≤2 mm.
