Technologie Mittelspannung
Schalttechnik Schaltgeräte und Anlagenkomponenten
Die Firma IGEL® Electric entwickelt, produziert und vertreibt Mittelspannungsschaltanlagen der neuesten Generation. Hierbei stellen die beiden Schaltanlagenserien MV-C und MV-CS, im weitesten Sinne, nur die „äußeren Rahmen“ für die eingebaute Schalttechnik dar. Die verwendeten elektrotechnisch relevanten Kernkomponenten unterliegen strengen Qualitätskriterien und werden gemäß den Anforderungen für jeden Auftrag entsprechend ausgewählt. Diese Auswahlkriterien gelten nicht nur für die firmeninternen Produkte aus der Antriebstechnik, sondern auch für die Standardkomponenten der Schaltanlagentechnik.
Ein grundlegender Vorteil ist hier das herstellerunabhängige Produktdesign. Alle Schaltanlagen wurden für den Einsatz aller gängigen Schaltgeräte entwickelt. Mit dieser produktneutralen Plattform ist IGEL® Electric in der Lage, das für diese Anwendung beste Schaltgerät auszuwählen. Auswahlkriterien können auf der einen Seite aus dem technischen Bereich kommen, wie z. B. Schalthäufigkeit, Kurzschlussleistung oder Klasse. Auf der anderen Seite spielen Erfahrungen mit bestimmten Produktreihen oder auch der Preis eine wichtige Rolle. Nicht zuletzt können wir etwaige Betriebsmittelvorschriften unserer Kunden, durch den Einbau der entsprechenden Schaltgeräte, einhalten, ohne auf die jeweilige Schaltanlage dieses Herstellers angewiesen zu sein. Dadurch werden die Lagerkosten für Ersatzteile bei unseren Kunden wesentlich reduziert.
Im Folgenden sind die grundlegenden Anforderungen an die wichtigsten Schaltgeräte und Anlagenkomponenten aufgeführt.
Leistungsschalter werden vorwiegend im Bereich der Energieverteilungsanlagen eingesetzt. Hierbei liegen die Auswahlkriterien hauptsächlich im Bereich der Schaltleistung und der Kurzschlussleistung. Bei größeren Antriebseinheiten werden Leistungsschalter im Bereich Line- und Bypass eingesetzt. Bei diesem Einsatzfall stellt die Schalthäufigkeit ein zusätzliches Auswahlkriterium dar.
Erdungsschalter sollen vor allem die Personensicherheit bei Arbeiten an der Anlage oder den angeschlossenen Anlagen- teilen garantieren. Je nach Konfiguration sollen sie Spannungsfreiheit sicherstellen bzw. erzwingen (Einspeisung) oder das Wiedereinschalten absichern (Abgangsfeld).
Sicherungen werden zum Anlagen- und Verbraucherschutz eingesetzt. Im Gegensatz zum Leistungsschalter begrenz- en Sicherungen den Kurzschlussstrom auf einen deutlich geringeren Maximalstrom. Dadurch können Anlagenteile, die sich hinter den Sicherungen befinden, einer geringeren Kurzschluss- und Störlichtbogenklasse entsprechen. Technisch sind Sicherungen nur bis zu einer bestimmten Größe realisierbar. Die Leistungsgrenzen können durch Parallelschaltungen erweitert werden.
Lasttrennschalter werden in Mittelspannungsschaltanlagen vorwiegend als Stellglieder verwendet. So können durch Lasttrennschalter bestimmte Anlagenteile gekoppelt oder freigeschaltet werden.
Spannungswandler werden nahezu in jeder Schaltanlage installiert. Je nach Schutzkonzept wird der Spannungslevel direkt überwacht und ereignisorientiert abgeschaltet oder er wird nur angezeigt und an die entsprechende übergeordnete Schutzeinrichtung übertragen.
Stromwandler stellen die Grundlage jedes Schutzsystems dar. Je nach Funktion werden Geräte mit entsprechender Genauigkeit und Sättigungsklasse eingesetzt. Speziell im Antriebsbereich werden oft Doppelkernwandler eingesetzt, da die Wandler neben der Schutzfunktion auch noch die Regelgröße für die Antriebstechnik bereitstellen müssen.
Die im Mittelspannungsbereich eingesetzten Schütze werden immer mit Vakuumtechnik realisiert. Diese Schütze gewährleisten ein Maximum an Schaltspielen und können einen gewissen Kurzschlussstrom tragen, jedoch nicht schalten. Daher sind kurzschlussbegrenzende Elemente vor den Schützen erforderlich. Bei hohen Netzkurzschlussleistungen müssen entweder Sicherungen vorgeschaltet oder Leistungsschalter verwendet werden.
Kondensatoren werden zur Verbesserung des Leistungsfaktors eingesetzt. Aufgrund der weitgehenden Verbreitung von Leistungselektronik, sollte immer eine Oberwellenbetrachtung in die Produktauswahl einfließen. Im Zweifelsfall müssen die Kondensatoren durch vorgeschaltete Drosseln gegen die hochfrequenten Störgrößen geschützt werden. Im Bereich der Sanftanlasser genügt in der Regel eine sorgfältige Auswahl der Kondensatoren aus, um die Verfügbarkeit der Anlage zu garantieren.
Begriffsdefinitionen
Einsatzfälle: Eingangsfelder können sowohl zur Energieverteilung als auch für Systeme aus der Antriebstechnik verwendet werden. Aufgabe ist es, die Versorgungsspannung über entsprechende Komponenten gemäß den Anforderungen mit der Sammelschiene des Schaltanlagensystems zu verbinden.
Aufbau: In der Regel werden Eingangsfelder mit ausziehbaren Leistungsschaltern ausgestattet. Zusammen mit einem entsprechenden Schutzgerät gewährleisten Sie den Schutz der Anlage. Als weitere häufig genutzte Variante kommt die Kombination Trenner / Sicherung zum Einsatz.
Besonderheiten: Da Eingansfelder direkt mit der externen Versorgungsspannung verbunden sind und diese in den meisten Fällen von Komponenten geliefert wird, die außerhalb des Schaltraumes stehen, ergeben sich besondere Anforderungen an diese Felder. Mit Hilfe eines Verriegelungskonzeptes muss garantiert werden, dass weder eine Schalthandlung im Eingangsfeld oder im vorgeschalteten Versorgungsfeld zu einem unerwünschten Zustand (z. B. Kurzschluss) führen können.
Einsatzfälle: Abgangsfelder werden zum Schalten oder Steuern der angeschlossenen Anlagen verwendet. In der Regel beinhalten Sie auch Schutzeinrichtungen wie z. B. Motor- oder UMZ-Schutzrelais.
Aufbau: Je nach Anforderung der angeschlossenen Anlage werden entsprechende Schaltkomponenten eingesetzt. Bei geringer Schalthäufigkeit (z. B. Trafo) werden Leistungsschalter oder Lasttrennschalter mit Sicherung eingesetzt. Bei hoher Schalthäufigkeit (z. B. Motor) kommen oft Vakuumschütze oder Motorstarteinrichtungen zum Einsatz.
Besonderheiten: Bei Abgangsfeldern ist der Personenschutz ein wichtiges Kriterium. Um sicheres arbeiten an den angeschlossenen Komponenten zu gewährleisten, werden die Abgangskabel geerdet. Zusätzlich wird durch ein Verriegelungskonzept das Abgangsfeld gegen wiedereinschalten gesichert.
Einsatzfälle: In komplexeren Systemen wie z. B. redundante Anlagen oder Schaltanlagen mit zwei Eingangsfeldern, müssen verschiedene Konfigurationen der Schaltanlage bereitgestellt werden können. Koppelfelder dienen hier als Verbindungs- und Stellglied.
Aufbau: Als schaltende Komponenten kommen je nach Anforderung entweder Trennschalter oder Leistungsschalter zum Einsatz.
Besonderheiten: Wie bei den Eingangsfeldern können Adapterfelder ungewollte oder kritische Schaltzustände herstellen. Daher müssen die Schaltkomponenten der Adapterfelder vollständig mit ins Verriegelungskonzept eingebunden werden.
Einsatzfälle: Applikationen bei denen der Motorstart entweder netzschonend (reduzierter Anlaufstrom) und / oder mechanikschonend (reduziertes Anlaufmoment) durchgeführt werden soll.
Aufbau: Ein Sanftanlasser beinhaltet immer die Leistungselektronik, die so genannten Power Stacks. Im Mittelspannungsbereich sind ein Bypass- und ein Hauptschalter vorgeschrieben. Sehr oft beinhalten die Sanftanlasserfelder zusätzlich Sicherungen, Erdungstrenner und ein Motorschutzrelais.
Besonderheiten: Während des Motorstarts produziert die Leistungselektronik Wärme, die bei der Auslegung des Schaltschrankdesigns berücksichtigt werden muss. Die Signalübertragung über Lichtwellenleiter garantiert eine strikte Trennung der Niederspannung zur Mittelspannung.
Einsatzfälle: Alle netz- und drehmomentunkritischen Applikationen, die nicht geregelt werden müssen.
Aufbau: Schaltkomponente als Vakuumschütz oder Leistungsschalter, Stromwandler und Motorschutzrelais. Vakuumschütze werden oft in Kombination mit entsprechenden Sicherungen verwendet.
Besonderheiten: Siehe Abgangsfeld
Einsatzfälle: Applikationen bei denen der Startstrom während des Motorstartes reduziert werden soll.
Aufbau: Spezialtrafo in der Korndorferschaltung, der über entsprechende Schaltgeräte dem Motor verschiedene Spannungsstufen zur Verfügung stellen kann. Sehr oft werden noch Schutzkomponenten wie Sicherungen, Stromwandler und Motorschutzrelais verwendet.
Besonderheiten: Aufgrund des hohen Gewichtes und der Abmessungen des Spezialtransformators wird das Anlasstrafofeld in einer erweiterten Bauform geliefert.
Vergleich Anlassmethoden
Vorteile:
- Jederzeit elektronisch regelbare Startspannung gleicht Spannungseinbrüche im Versorgungsnetz aus.
- Die elektronische Steuerung ermöglicht die Implementierung bestimmter Hochlaufverfahren wie zum Beispiel Pumpenkurven.
- Langsames Hochfahren der Netzbelastung ermöglicht kleinere Dimensionierung von Generatoren.
Sanftstart mit einem Oszilloskop aufgenommen (Ch1, Spannung; Ch2-4 Strom L1 – L3)
Der Trafo verfügt sekundärseitig über einen Abgriff, der gemäß den vorher berechneten Anlaufparametern den Motor mit einer entsprechenden reduzierten Spannung versorgt. Nach erfolgtem Hochlauf wird das Sternschütz des Trafos ausgeschaltet. In diesem Zustand fungieren die verbleibenden Wickelungen des Trafos als Reiheninduktivität und überbrücken die Zeit bis zum Zuschalten der Bypasskontakte. Somit werden Spannungs- und Stromspitzen beim Umschalten von Startspannung auf Nennspannung verhindert.
Vorteile:
- Der transformatorische Effekt reduziert den Netzstrom entsprechende dem Übersetzungsverhältnis Motorspannung/Netzspannung.
- Somit bietet dieses Verfahren Vorteile im Bereich des Schweranlaufes.
Nachteil:
- Während des Startens ist die zur Verfügung gestellte Spannung fix und kann nicht auf Applikations- oder Netzschwankungen reagieren. Der sprunghafte Anstieg des Startstromes und des Startmomentes erzeugt mechanischen und elektrischen Stress.
Trafostart mit einem Oszilloskop aufgenommen (Ch1, Spannung; Ch2-4 Strom L1 – L3)
Vorteil:
- Günstiger als andere Startmethoden. Klein und technisch nicht anspruchsvoll.
Nachteil:
- Sehr hoher Startstrom und hohes Startmoment. Strom- und Drehmomentensprünge belasten das Versorgungsnetz und die Mechanik der angetriebenen Maschine.