Ultra-Schneller Strombegrenzer (FCL): Eine revolutionäre Lösung mit millisekundengenauer Unterbrechung und wirtschaftlichen Vorteilen

Übersicht: Neudefinition von Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit im Kurzschluss-Schutz

Diese Lösung konzentriert sich auf ein ultraschnelles Kurzschluss-Strombegrenzungsgerät, das entwickelt wurde, um die wachsende Herausforderung der übermäßigen Kurzschlussströme grundsätzlich anzugehen und die Sicherheit von Stromnetzen und Geräten zu gewährleisten.

1.1 Kernfunktionen

Ultraschnelle Unterbrechungsgeschwindigkeit: Erkennt Fehler und begrenzt den Strom innerhalb von 1 Millisekunde, was effektiv den Kurzschlussstrom vor Erreichen seines potenziellen Spitzenwerts einschränkt.
Hohes Unterbrechungsvermögen:

Eignet sich für 12kV/17,5kV-Systeme: Maximales Unterbrechungsvermögen von 210kA (RMS).
Anwendbar für 24kV/36kV/40,5kV-Systeme: Maximales Unterbrechungsvermögen von 140kA (RMS).

1.2 Kernvorteile

Wirtschaftliche Effizienz: Funktioniert parallel zu strombegrenzenden Reaktoren, um die kostengünstigste Begrenzungslösung zu liefern. Vermeidet den Ersatz ganzer Schaltanlagen oder Transformatoren aufgrund erhöhter Kurzschlussströme, was erheblich in neue oder modernisierte Umspannwerke investiert wird.
Breite Kompatibilität: Ideal für die Verbindung von Schaltanlagen und Umspannwerken; in vielen Szenarien (z.B. paralleler Betrieb mehrerer Transformatoren) ist es die einzige technisch machbare Lösung.
Ausgezeichnete Zuverlässigkeit:

Über 60 Jahre globale Betriebserfahrung (erfunden 1955), validiert in Tausenden von Projekten weltweit.
Statistiken von fast 4.000 Einheiten zeigen eine durchschnittliche Betriebsfrequenz von nur einmal alle vier Jahre, was stabile und zuverlässige Leistung demonstriert.

Wichtige technische Fragen und Antworten

Nr.	Kernfrage	Kernantwort
1	Was ist der Spitzenkurzschlussstrom?	Der maximale Momentwert während des ersten Zyklus nach dem Auftreten eines Kurzschlusses, resultierend aus der Überlagerung periodischer und nicht-periodischer Komponenten. Er erzeugt enorme elektromagnetische Kräfte (Test dynamischer Stabilität) und Wärme (Test thermischer Stabilität).
2	Warum den Spitzenkurzschlussstrom begrenzen?	Spitzenströme, die die zulässigen Widerstandskapazitäten der Ausrüstung überschreiten, können durch starke elektromagnetische Kräfte Schaltanlagen, Schaltgeräte, Stromtransformatoren und Kabelanschlüsse beschädigen.
3	Wie anpassen an den parallelen Betrieb mehrerer Transformatoren?	Für Schaltanlagen mit einer Standfestigkeit von 2Ik, in einem System mit vier Transformatoren (4Ik) in Parallel, kann durch die Installation schneller Strombegrenzer zwischen Busabschnitten (z.B. zwischen Abschnitten 1-2 und 3-4) eine perfekte Anpassung erreicht werden.
4	Welche Auslösekriterien? Wie falsche Auslösungen vermeiden?	Die Steuerungseinheit überwacht gleichzeitig den momentanen Strom (I) und die Stromänderungsrate (di/dt). Ein Auslösen erfolgt nur, wenn beide Werte die eingestellten Schwellwerte überschreiten. Dieses Doppelkriterium stellt sicher, dass nur gefährliche Kurzschlussströme unterbrochen werden, während allgemeine Fehler von nachgeschalteten Schaltgeräten behandelt werden.
5	Wie Wartung nach Betrieb durchführen?	Das Kernbetriebskomponent (leitfähige Brücke) hat ein modulares Design und kann zur Reparatur zurückgesendet werden. Nur der innere leitfähige Kern, der induktive Füllstoff und die parallelen Sicherungen müssen ersetzt werden; andere Komponenten sind wiederverwendbar, was sehr niedrige Wartungskosten sicherstellt.

Kernfunktionen und Wert

3.1 Kernfunktion

Erkennt und begrenzt Fehler während der initialen Steigerungsphase des Kurzschlussstroms (innerhalb von 1 ms), was wirksam Schäden an Stromversorgungsausrüstungen aufgrund unzureichender dynamischer und thermischer Stabilität verhindert. Es ergänzt perfekt die inhärenten Einschränkungen traditioneller Schaltgeräte – „langsam im Handeln und unfähig, den ersten Halbwelle-Spitzenstrom zu unterdrücken“.

3.2 Vergleichsweise Vorteile

Vergleichsobjekt	Vorteil Details
Traditionelle Schaltgeräte	Schaltgeräte benötigen Zehntel Sekunden, um zu unterbrechen, können den Einfluss des ersten Spitzenstroms nicht vermeiden. Dieser Begrenzer reagiert innerhalb von 1 ms und begrenzt den tatsächlichen Spitzenkurzschlussstrom auf ein niedrigeres Niveau.
Strombegrenzende Reaktoren	Vermeidet Spannungsabfall, aktive Verluste (Kupferverluste) und Blindlastverluste, die mit kontinuierlich betriebenen Reaktoren verbunden sind. Beseitigt auch die Notwendigkeit, Generatorregelungsprobleme durch die Integration von Reaktoren zu lösen.

3.3 Anwendungsbereiche

Kraftwerke
Große industrielle Netz-Umspannwerke
Spezifische Schlüsselschaltkreise/Szenarien: Transformator/Generator-Fütterschaltkreise, Bus-Tie-Abschnitte, Reaktor-Bypass-Anwendungen und Verbindungsstellen zwischen Netzen und Eigenenergiequellen.

Aufbau und Design

4.1 Gesamtzusammensetzung

Der dreiphasige Wechselstrom-Schnellstrombegrenzer besteht aus:

3 leitfähige Brückenbasen
3 leitfähige Brücken
3 passende Stromtransformatoren
1 Steuerungseinheit

4.2 Details der Schlüsselkomponenten

Komponentenname	Zusammensetzung / Eigenschaften	Kernparameter / Regeln
Leitfähige Brückenbasis	Enthält Montageplatte, Isolatoren, Impulstransformer und Schnellkupplungsstecker	- Nennstrom ≥2500A und Spannung 12/17,5kV: Bolzenschraubverbindungen. - Impulstransformer: ≤17,5kV (nur unten installiert); ≥24kV (oben und unten installiert für zuverlässige Isolation).
Leitfähige Brücke	Leitfähiger Kern und induktiver Füllstoff in einer isolierenden Hülle eingeschlossen	Beim Auslösen wird der induktive Füllstoff aktiviert, der den leitfähigen Kern schnell an seiner vorgeschnittenen Stelle bricht; der Strom wechselt dann auf die parallele Sicherung.
Passender Stromtransformator	Buchse oder Blocktyp, serienmäßig in den Hauptkreis geschaltet	Verfügt über einen luftspaltigen Kern (hoher Überstromfaktor, geringer Remanenz) und abgeschirmte Primär- und Sekundärwicklungen (niedriger Widerstand) zur Gewährleistung der Messgenauigkeit und -geschwindigkeit.
Steuerungseinheit	Enthält Stromversorgung, Steuerung, Anzeige und Störungsunterdrückungseinheiten	- Abmessungen: 600mm (B) × 1450mm (H) × 300mm (T); Gewicht: 100kg. - Anzeigeeinheit: 5 Flagrelais (Dreiphasen-Auslöseanzeige + Bereitschaftsüberwachung + Stromversorgungsüberwachung).

Arbeitsprinzip: 1 ms Strombegrenzung erreichen

5.1 Kernzusammensetzung

Das Gerät ist im Wesentlichen eine intelligente parallele Kombination aus zwei Komponenten:

„Extrem schneller Schalter (leitfähige Brücke)“: Trägt den Nennstrom während des normalen Betriebs und öffnet sofort bei Fehlern.
„Sicherung mit hohem Unterbrechungsvermögen“: Unterbricht den hohen Strom endgültig, nachdem der Schalter geöffnet wurde.

5.2 Betriebsablauf

Erkennung: Passende Stromtransformatoren (CTs) sammeln ständig Stromsignale; die Steuerungseinheit berechnet den momentanen Strom (I) und die Stromänderungsrate (di/dt).
Beurteilung: Wenn sowohl I als auch di/dt die eingestellten Werte überschreiten, gibt die Steuerungseinheit sofort einen Auslösebefehl (unabhängige dreiphasige Beurteilung und Auslösung).
Unterbrechung: Der Auslöse-Kondensator entlädt in den Impulstransformer, was den induktiven Füllstoff in der leitfähigen Brücke aktiviert. Dies erzeugt Hochdruckgas, das den leitfähigen Kern innerhalb von 1 ms an seiner vorgeschnittenen Stelle zerreißt.
Strombegrenzung: Der Bogenwiderstand steigt rasch, wodurch der Strom auf die parallele Sicherung übertragen wird. Die Sicherung beginnt innerhalb von 0,5 ms mit der Begrenzung und löscht den Bogen vollständig beim nächsten Stromnullpunkt, um den Fehler zu beseitigen.

5.3 Hilfsaggregate

Stromversorgungseinheit: Bietet 150V Gleichspannung zur Ladung des Auslöse-Kondensators und zur Versorgung elektronischer Komponenten. Enthält eine Watchdog-Schaltung zur Überwachung des Systemzustands.
Störungsunterdrückungseinheit: Alle externen Leitungen führen durch diese Einheit, was effektiven Schutz gegen externe elektromagnetische Störungen bietet und falsche Betriebsvorgänge verhindert.

Inbetriebnahme und Prüfung

6.1 Prüfvorschriften

Regelmäßige Funktionsprüfungen sind erforderlich, die von Benutzern oder ABB-Serviceingenieuren durchgeführt werden können.

6.2 Spezielle Geräte

Simulator: Ersetzt temporär die leitfähige Brücke während der Prüfung. Seine eingebaute Neonlampe leuchtet auf, wenn ein Auslösepuls empfangen wird, was eine korrekte Funktionalität anzeigt.
Prüfstecker & Prüfinstrument: Wird verwendet, um die Auslösespannung und die Gesamtfunktionalität zu überprüfen. Verfügt über eine benutzerfreundliche Oberfläche und einfache Bedienung (Abmessungen: 400×215×320mm; Gewicht: 11kg).

Lieferumfang und Parameter

7.1 Liefermodelle

Modelltyp	Anwendbare Szenarien	Kernkonfiguration
Einzelkomponenten	Für die Installation in bestehenden Schaltanlagen	3 Basen + 3 leitfähige Brücken + 3 CTs + 1 Steuerungseinheit
Ziehrahmen-Schrank	Für metallverkleidete Schaltanlagen	Leitfähige Brücken montiert auf ziehbaren Wagen (mit Isolierschaltfunktion); CTs fest; Steuerungseinheit im Niederspannungsfach installiert
Fester Schrank	- Für 12/17,5/24kV-Systeme - Pflicht für 36/40,5kV-Systeme	Alle Komponenten fest im Schrank installiert. Für 36/40,5kV-Systeme ist die Steuerungseinheit oft in einem separaten Steuerschrank installiert.

7.2 Kerntechnische Parameter (Beispiel: Einzelkomponenten)

Hinweis: ¹ bedeutet, dass gezwungene Luftkühlung erforderlich ist; kompatibel mit 50/60Hz Frequenz.

Technischer Parameter	Einheit	12kV	17,5kV	24kV	36/40,5kV
Nennspannung	V	12000	17500	24000	36000/40500
Nennstrom	A	1250-5000¹	1250-4000¹	2500-4000¹	1250-3000¹
Nennkurzschlussunterbrechungsstrom (Max.)	kA RMS	210	210	210	140

Typische Anwendungsszenarien

Anwendungsszenario	Kernproblem	Lösungswert
Parallelsystembetrieb	Kurzschlussstrom von mehreren parallel geschalteten Transformatoren übersteigt die Schaltanlagenratings	1. Erlaubt reduzierten Systemimpedanz, minimiert Spannungsabfall. 2. Optimiert die Lastverteilung der Transformatoren, reduziert Verluste. 3. Ermöglicht ununterbrochenen Lasttransfer während Fehlern, verbessert die Versorgungssicherheit.
Netz-Eigenenergie-Verbindung	Betrieb von Eigenenergiegeneratoren verursacht übermäßigen Kurzschlussstrom am gemeinsamen Kopplungspunkt	Die einzige rationale Lösung. Kann mit gerichteter Auslösung (erfordert CT am Generatorneutralpunkt) ausgestattet werden, um nur bei Netzseite-Fehlern zu arbeiten.
Umgehung von Strombegrenzungsreaktoren	Reaktoren im kontinuierlichen Betrieb verursachen Verluste und Spannungsabfall	Umgeht Reaktoren während des normalen Betriebs (Nullverlust, Nullspannungsabfall); unterbricht schnell bei Kurzschlüssen, leitet den Strom zum Reaktor für die Begrenzung weiter.
Selektive Anwendung mehrerer Einheiten	Selektiver Betrieb erforderlich, wenn mehrere Begrenzer auf mehrere Busabschnitte installiert sind	Verwendet das „Summenvektor des Stroms“-Kriterium, um sicherzustellen, dass nur der Begrenzer, der am nächsten am Fehler liegt, arbeitet. Unterstützt bis zu 5 Transformatoren in Parallel (mit 4 Begrenzern).