FC-Schutzschaltungsanordnung für 3~12kV Hilfsenergiesystem: Design, Auswahl und Anwendungsfälle

I. Lösungsoberblick​
Diese Lösung zielt darauf ab, ein vollständiges System auf der Grundlage der Kombination eines Hochspannungsvakuumschalters (Schalter) und eines hochspannungsfähigen Kurzschluss-Sicherungsstücks (Sicherung) bereitzustellen, das als FC-Schaltung bezeichnet wird. Es ist für mittelspannungsfähige Systeme im Bereich von 3 bis 12 kV konzipiert und eignet sich besonders für Anwendungen, die häufige Betriebsvorgänge, hohe Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz erfordern. In der FC-Schaltung übernimmt der Vakuumschalter das Schalten von normalen und Überlastströmen sowie häufige Betriebsvorgänge, während die Hochspannungssicherung robusten Kurzschluss-Schutz bietet. Zusammen bilden sie eine voll funktionsfähige, leistungsfähige Schutz- und Steuerungseinheit.

​II. Merkmale der Kernkomponenten​
Der wesentliche Vorteil der FC-Schaltung liegt in den hervorragenden Leistungsmerkmalen und der präzisen Abstimmung ihrer beiden Schlüsselkomponenten.

​​(I) Hochspannungsvakuumschalter (Betriebs- und Überlastunterbrechungskomponente)​​
Als operativer Kern der Schaltung weist der Vakuumschalter die folgenden Eigenschaften auf:

1. ​Fortschrittliche Struktur und Unterbrechungsprinzip:​​
• Verfügt über einen Vakuumunterbrecher (Vakuumniveau bis 1,33×10⁻⁴ Pa) mit seinen Hauptkontakten in einer keramischen Hülle versiegelt. Beim Öffnen trennen sich die beweglichen und festen Kontakte schnell, wobei die schnelle Verdampfung des Metalldampfes bei Stromnullpunkt effektiv den Bogen löscht und die Isolationsstärke wiederherstellt.
• Ausgestattet mit einem gekoppelten Auslösemechanismus, der sicherstellt, dass beim Durchschmelzen einer Phasensicherung ausgelöst wird, um einen Phasenausfall zu verhindern, und eine Fehlschlussvorrichtung, wenn keine Sicherungen installiert sind.
• Extrem niedriger Unterbrechungsstrom (≤0,5A), der wirksam Überspannungen beim Schalten unterdrückt und die Isolation induktiver Lasten wie Motoren schützt.
2. ​Hochzuverlässiger Betriebsmechanismus:​​
• Verwendet einen elektromagnetischen Betriebsmechanismus, der Schaltfrequenzen von bis zu 2.000 Vorgängen pro Stunde ermöglicht, was den höchsten Anforderungen an häufige Betriebsvorgänge gerecht wird.
• Flexible Haltearten: Elektrische Selbsthalterung (durch einen Haltespule nach dem Schließen gehalten, mit geringem Energieverbrauch) und mechanische Selbsthalterung (z.B. LHJCZR-Serie, mechanisch eingeklinkt nach dem Schließen, ohne ständige Energieversorgung) stehen zur Verfügung, um unterschiedlichen Steuerungsbedürfnissen gerecht zu werden.
• Starke Kompatibilität mit Steuerungsenergiequellen, unterstützt DC/AC 110V/220V.
3. ​Hervorragende Nennwerte und Lebensdauer:​​
• Wichtige elektrische Parameter:

• Verlängerte Lebensdauer: Elektrisches Leben von bis zu 300.000 Vorgängen und mechanisches Leben von bis zu 1.000.000 Vorgängen, was die Wartungsaufwand und die Lebenszykluskosten erheblich reduziert.
• Spezielle Vakuumunterbrecher: Wie z.B. der Typ TJC 12/630, mit geringem Verlust, geringer Spannungsspitze, hoher Verschleißfestigkeit und einem Kontaktwiderstand von ≤60 μΩ.

​​(II) Hochspannungsfähiges Kurzschluss-Sicherungsstück (Kurzschluss-Schutzkomponente)​​
Als Kern des Kurzschluss-Schutzes in der Schaltung ist seine Auswahl und Anwendung entscheidend.

1. ​Funktionsprinzip:​​ Wenn der Strom einen bestimmten Wert für eine bestimmte Dauer überschreitet, schmilzt das Sicherungselement sofort und unterbricht den Fehlerstrom. Seine wesentliche Eigenschaft besteht darin, dass je größer der Unterbrechungsstrom, desto kürzer die Reaktionszeit, was starke Strombegrenzungsfähigkeit bietet.
2. ​Auswahlprinzipien:​​
• Nennspannung: Muss nicht kleiner sein als die Nennspannung des Systems; sie kann leicht höher, aber niemals niedriger sein.
• Nennstrom: Muss die normale Betriebsstromstärke, die Überlaststromstärke und die Startcharakteristiken der Geräte (z.B. Motorstartstrom und -zeit) umfassend berücksichtigen. Als Rückgriffsschutz greift es nur dann, wenn der Fehlerstrom die Unterbrechungskapazität des Schalters überschreitet oder der Schalter nicht funktioniert.
3. ​Schutzabstimmung mit verschiedenen Geräten:​​
• Hochspannungsmotoren (≤1200 kW): Die Sicherung muss den Motorstartstrom aushalten, während der Überlastschutz durch ein umfassendes Schutzrelais erfolgt. Stellen Sie sicher, dass die Zeit-Strom-Kennlinie der Sicherung korrekt mit der Relaiskurve überschneidet, um eine Schutzabstimmung zu erreichen.
• Beispiel: Für einen 250 kW-Motor mit einer Startzeit von 6 s und einem Startstrom von 220 A ist ein 100 A-Sicherungselement geeignet (für 2-3 Starts pro Stunde).
• Transformator (≤1600 kVA): Die Sicherung muss Einschaltspitzenströme und dauerhafte Überlastströme aushalten. Die Auswahl erfolgt direkt basierend auf der Nennleistung und Spannungsebene des Transformators.
• Beispiel: Für einen 10 kV/800 kVA-Transformator ist eine 80 A-Sicherung geeignet.
• Kondensatorenbänke (≤1200 kvar): Muss Einschaltspitzenströme aushalten, und ihre Durchlassenergie muss kleiner sein als die Belastbarkeit der Kondensatoren. Der Nennstrom beträgt in der Regel 1,5–2 mal den Nennstrom der Kondensatoren. Für Anwendungen mit extremen Einschaltspitzenströmen oder häufigem Schalten werden Serienreaktoren empfohlen.

​III. Anwendungsbereich und typische Fälle​

​​(I) Anwendungsbereich​

• ​Eignete Szenarien:​​
• Schutz- und Steuerschaltkreise für Transformatoranlagen bis 1600 kVA in Industrieanlagen.
• Häufige Start- und Schutzschaltkreise für Hochspannungsmotoren bis 1200 kW.
• Schaltkreise für Kondensatorenbänke bis 1200 kvar.
• ​Uneignete Szenarien:​​ Für Lasten, die die oben genannten Kapazitäten überschreiten, müssen Vakuumschalttafeln verwendet werden.

​​(II) Erfolgreiche Fälle​
Die FC-Schaltkreislösung wurde in zahlreichen Kraftwerksprojekten erfolgreich angewendet und hat sich als zuverlässig erwiesen:

1. ​Thermisches Kraftwerk:​​ Verwendete 8 Vakuumschalttafeln + 36 FC-Tafeln. Davon schützen LHJCZR-Schalter mit WFNHO-Sicherungen Motoren, während XRNT-Sicherungen Transformatoranlagen schützen.
2. ​Kraftwerk:​​ Verwendete 10 Vakuumschalttafeln + 36 FC-Tafeln (21 für Motorschutz, 12 für Transformatorschutz und 3 für Kondensatorschutz).

​IV. Lösungsvorteile und Fazit​
Diese FC-Schaltkreislösung kombiniert die doppelten Vorteile von Vakuumschaltern und kurzschlussbegrenzenden Sicherungen und bietet die folgenden Kernvorteile:

1. ​Kosteneffizienz:​​ Wesentlich niedrigere Investitionskosten im Vergleich zu Vakuumschalttafeln, mit hohem Preis-Leistungs-Verhältnis.
2. ​Spezialisierte Leistung:​​ Schalter sind für häufige Betriebsvorgänge und Überlastunterbrechungen ausgelegt, während Sicherungen für das schnelle Unterbrechen von hohen Kurzschlussströmen sorgen, was eine klare Arbeitsteilung und hervorragenden Schutz gewährleistet.
3. ​Sicherheit und Zuverlässigkeit:​​ Extrem kurze Kurzschlussunterbrechungszeit (Millisekundenbereich), ausgezeichnete Strombegrenzungseigenschaften und effektiver Schutz der Systemgeräte. Der gekoppelte Auslösemechanismus verhindert Phasenausfälle.
4. ​Instandhaltungsfrei und lange Lebensdauer:​​ Vakuumunterbrecher sind instandhaltungsfrei, mit elektrischer und mechanischer Lebensdauer von bis zu einer Million Vorgängen, was die Lebenszykluskosten erheblich reduziert.
5. ​Kompakte und flexible Konstruktion:​​ Kompakte Struktur spart Installationsraum. Hohe Vielseitigkeit ermöglicht die Interoperabilität ähnlicher Produkte, erleichtert die Wartung und das Ersatzteilverwaltung.

​Fazit:​​ Der FC-Schaltkreis ist eine ideale Wahl für den Schutz von kleinen bis mittleren Transformator-, Motor- und Kondensatorkapazitäten in industriellen Energiesystemen wie Kraftwerken, Petrochemie und Metallurgie. Diese Lösung ist technologisch reif, umfangreich validiert und bietet hervorragende Vorteile, was sie zur besten Praxis für die Balance von Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit macht. Für Anwendungen, die den Kapazitätsbereich überschreiten, werden Vakuumschalttafellenlösungen empfohlen.