Die überarbeitung dieses Artikels kann einige Tage dauern deshalb bitte etwas Geduld. --Pittimann 11:38, 22. Okt. 2008 (CEST)
Leistungsschalter sind spezielle Schalter, die für hohe Ströme ausgelegt sind. Sie können nicht nur Betriebsströme und geringe Überlastströme schalten, sondern auch bei Fehlern hohe Überlastströme und Kurzschlussströme (GLS bis 800 Kiloampere) einschalten, diese Fehlerströme eine vorgegebene Zeit halten und wieder ausschalten. Die Schalter sind so konstruiert, dass sie bei Überlastung oder Kurzschluss in nur einem Außenleiter allpolig abschalten.
Grundlagen
Der hier erwähnte Überlaststrom bezieht sich auf das schwächste Glied der, in Energieflußrichtung gesehen, dem Leistungsschalter nachgeordneten Anlage. Um solche nachgeordneten Anlagen vor Schäden durch Überlast oder Kurzschluss zu schützen, soll der Leistungsschalter diese Ströme in Verbindung mit den Einrichtungen des Netzschutz ausschalten.
Das Unterbrechen des Stromflusses führt bei jedem Schalter zumindest kurzzeitig zu einem Spannungsüberschlag zwischen den beiden Kontakten, da der Abstand während des Trennvorganges zur Isolation noch nicht ausreicht. Befindet sich Gas zwischen den beiden Polen, wird es bei entsprechend hoher Spannungsdifferenz zwischen den Polen durch den Überschlag ionisiert und es bildet sich eine sich selbst erhaltende Gasentladung, die Lichtbogen genannt wird.
Dieses Plasma leitet nicht nur weiterhin Strom, sondern reduziert auch die Lebensdauer des Bauteils, bei starken Strömen kann es den Schalter sogar zerstören. Im Gegensatz zu Trennern sind Leistungsschalter so konstruiert, dass der beim Öffnen der Schaltkontakte entstehende Lichtbogen schnell und ohne Beschädigung des Schalters gelöscht und damit der Stromfluss unterbrochen wird.
Einsatzgebiet
Abgesehen von der Trivialanwendung als einfaches Schaltelement werden Leistungsschalter als Netzschutz bei Fehlern wie Kurzschluss oder Erdschluss eingesetzt. Die Ansteuerung von Leistungsschaltern kann über unterschiedliche Mechanismen erfolgen und richtet sich in erster Linie nach der zu schaltenden Leistung. Als Antriebe werden Handantriebe und so genannte Kraftantriebe verwendet. Als Kraftantriebe werden Antriebe bezeichnet, bei denen die Betätigung nicht durch die Kraft eines Menschen erfolgt. Es gibt folgende Kraftantriebe:
- Magnetantriebe
- Motorantriebe
- Druckluftantriebe
Ein besonderer Vorteil ist bei Kraftantrieben das eine Fernbedienung des Schalters möglich ist.
Niederspannungsanwendungen
Niederspannungs-Leistungsschalter sind elektromagnetische Selbstschalter. Ihre Arbeitsweise entspricht prinzipiell der Arbeitsweise von Leitungsschutzschaltern. Sie sind meist mit einem thermischen und einem magnetischen Auslöser ausgestattet und besitzen somit die gleichen konstruktiven Elemente wie Leitungsschutzschalter. Allerdings sind sie für größere Bemessungsströme konstruiert, außerdem sind die Auslöser von Leistungsschaltern, anders als beim Leitungsschutzschalter, separat einstellbar. Im Niederspannungsbereich werden die Schalter als auch als Motorschutzschalter eingesetzt.
Mittelspannungsanwendung
Einzelne Hersteller bieten auch Auslöser für Mittelspannung an, diese werden aber selten verwendet. Die Ansteuerung erfolgt über kurzzeitbetätigte Ein- und Ausschaltspulen oder mechanisch lösbare Verklinkungen, welche die in einem Speicher (pneumatischer oder hydraulischer Druckspeicher, Federspeicher) vorliegende Schaltenergie freigeben. Die Schalter werden als Schutzschalter für Generatoren und Transformatoren eingesetzt oder als Kuppelschalter von Sammelschienen.
Hochspannungsanwendungen
Bei Hochspannungsanlagen können die dort auftretenden Größen (Strom und Spannung) nicht direkt gemessen werden, da der Aufwand in der Messtechnik zu hoch wäre. Aus diesem Grund transformiert ein Messwandler Strom beziehungsweise Spannung in einen um einige Größenordnungen kleineren Wertebereich, in dem sie dann gemessen werden können. Von den ausgelesenen Daten kann dann auf die ursprünglichen Größen zurückgeschlossen werden. Weichen die Messdaten zu stark ab, löst ein Relais oder ein Schütz die Schutzabschaltung aus. Diese Technik wird im Mittel- Hoch- und Höchstspannungsbereich eingesetzt.
Lichtbogenlöschung
Bei der Art der Lichtbogenlöschung unterscheidet man:
- Leistungsschalter mit Nullpunktlöschung
- Leistungsschalter mit Kurzschlussstrombegrenzung
Die so genannten Nullpunktlöscher löschen beim Nulldurchgang den Wechselstrom-Schaltlichtbogen. Bei Leistungsschalter mit Kurzschlussstrombegrenzung wird der Stoßkurzschlusstrom auf einen kleineren Durchlaßstrom begrenzt. Das rasche Öffnen der Schaltstücke wird über das Schaltschloss erreicht. Es gibt aber auch andere Abschaltmechanismen wie z.B. einen Schlaganker oder die Auslösung durch die Kraftwirkung zweier paralleler stromdurchflossener Kontaktstücke.
Löschmittel
(Druck-)Luft
Die Luft wurde in durch eine Drucklufterzeugung-, Speicher- und Verteilanlage auf Druck von 30 bar verdichtet uns sorgte im Schaltvorgang über entsprechende Düsen für das Ausblasen entstehender Lichtbögen. Die Luft wurde von diesen Aufbereistungsanlagen gereinigt, entfeuchtet und verdichtet.
Umgebungsluft wird heute in der Freilufttechnik immer noch Isoliert und Löschmedium benutzt. Dies führt im Vergleich zu Schutzgasisolierten Leistungsschaltern zu größerem Platzbedarf, da die Löschfähigkeit von Luft geringer ist.
Isoliergas SF6
Das Schwefelhexafluorid- Gas (SF6) dient in der Leistungsschaltertechnik als Isoliergas zum Löschen von entstehenden Lichtbögen bei Schaltvorgängen des Leistungsschalters. Hierzu eignet es sich hervorragend durch seine hohe elektrische Festigkeit und große Wärmeleitfähigkeit. Verwendet wird SF6 für hohe Ausschaltleistungen in Blaskolbenschaltern, während für mittlere Ausschaltleistungen die Selbstblastechnik eingesetzt wird.
ÖL
Öl fand bis etwa 1930 in Kesselölschaltern anwendung. Heute sind diese im Höchstspannungsnetzt noch anzutreffen. Bei dieser Schaltervariation zersetzt die hohe Temperatur des Lichtbogens einen Teil des Öles in den Löschkammern zu einem Gas. Der Gasdruck bewirkt eine Ölströmung, die den Lichtbogen löscht. Bei kleinen Schaltleistungen wurde die geringer Ölströmung mit Pumpwirkung unterstützt. Dieser Schaltertyp kann z.B. bei einer Spannung von 240 kV einen Strom von 4 kA schalten. Bei geringeren Schaltspannungen sind die Schaltströme wesentlich höher.
Vakuum
Die jüngste Leistungsschalter-Technologie sind Vakuumschalter, bei denen sich die Kontakte zur Vermeidung eines Lichtbogens unter Vakuum befinden. Diese werden allerdings nur bei Mittelspannungsschaltanlagen mit Spannungen von unter 36 kV eingesetzt. Vakuumschalter werden nur im Mittelspannungsbereich (bis etwa 52 kV) verwendet und sind für sehr große Schalthäufigkeiten bei weitestgehender Wartungsfreiheit geeignet. Es gibt auch Vakuum-Schütze, die durch eine einzige dauerbetätigte Spule aktiviert werden..
Schaltprinzipien
Nicht gekapselte Schalter
Luftisolierte Schalter
Unter Luftisolierten Schaltern (in Englisch Air Insulated Switchgear (Kurz: "AIS")) versteht man Leistungsschalter die aufgrund der Schaltbewegngslänge der Kontakte einen Lichtbogen löschen. Diese Schaltbewegungen sind von der Spannungsebene abgängig in welcher der Schalter eingesetzt wird. In Innenräumen werden üblicherweise AIS bis 20 kV Nennspannung eingesetzt. Höhere Spannungsebenen werden in gekapselten Leistungsschalter oder in Freiluftschaltern geschaltet.
Freiluftschalter
Freiluftschalter trennen eine unter Spannung stehende Leitung in dem sich die beiden Kontakte voneinander entfernen. Die Entfernen ist so ausgelegt, dass auch bei hoher Luftfeuchtigkeit der Plasmakanal des Lichtbogens zusammenbricht. Dies kann dazu führen, dass, je nach Spannungsebene, diese Trennstrecke mehrere Meter betragen kann und daher meist im Freien stehen (=>"Freiluft")
Gekapselte Schalter
Unter gekapselten Schaltern versteht man Leistungsschalter, die von einem System aus Rohren, Gehäusen und Einfassungen gegen die Umwelt angeschirmt sind. Diese Abschirmung ermöglicht es auch andere Medien als die Umgebungsluft zum Löschen des Lichtbogens zu benutzen.
Druckgasschalter / 2 Kammerschalter
Hier wird Luft als Löschmittel für den Lichtbogen verwendet. Luft dient in der Regel auch zur Betätigung des Schalters. Es wird mit hohem Druck ein- oder ausgeschaltet. Durch den hohen Druck ist die Schaltzeit der Kontakte sehr kurz. Beim Ausschalten kommt hinzu, dass der entstehende Lichtbogen durch die Luftströmung in die Länge gezogen wird, bis er abreißt (da die Spannung über diese Länge nicht ausreicht, den Lichtbogen bestehen zu lassen). Diese Schalter wurden bevorzugt eingesetzt, wenn häufig zu- oder abgeschaltet werden musste. Druckgasschalter sind bereits seit mehreren Jahrzehnten aufgrund ihrer hohen Lärmentwicklung kaum mehr üblich. Sie wurden größtenteils von Selbstblasschalter oder Strömungsschaltern – meist mit SF6-Gas – abgelöst.
Blaskolbenschalter
Bei Schaltern die nach dem Blaskolbenprinzip entwickelt worden sind besteht die Löscheinheit aus einem Festkontakt und dem beweglichen Blaszylinderkontakt. Während der Ausschaltbewegung wird das Volumne des Blaszylinders stetig verkleinert und somit der Druck des eingeschlossenen Gases erhöht bis sich der Fest- und Bewegungskontakt trennen. Durch die Kontaktrennung wir ein Lichtbogen erzeugt, der eine weitere Drucksteigerung zur des Gases zu Folge hat. Die Hauptkompression des Gases übvernimmt hierbei jedoch der Schalterantrieb. Bei genügend Hohem Druck kann das komprimierte Gas ausströmen und durch die Strömbewegung dem Lichbogen Energie entziehen und ihn schließlich ausblasen. Durch Ausbildung der beiden Kontakte als Düsenkontakte ergeben sich optimale Strömungs- und Löscheigenschaften.
Selbstblasschalter
Der erforderliche Löschdruck wird wie beim Blaskolbenschalter während der Ausschaltbewegung des Schalters erzeugt. Jedoch wird die Enegergie des Lichtbogens selbst hier im so genannten Heizvolumen intensiv zur Druckerhöhung des Isoliergases genutzt. Dies hat zur Folge, dass der Antrieb des Selbstblasschalters nur die Energie für die Schaltbewegung des Schalters und nur unwesentlich zur Kompression des Isolier- und Löschgases auswenden muss. Dies hat eine Energieeinsparung von etwa 80 Prozent zu Folge, womit auch kleine Bauweisen für den Antrieb möglich sind.
Strömungsschalter
Strömungsschalter werden für alle Wechselspannungen (derzeit bis 765 kV, demnächst bis 1.100 kV) im Höchstspannungsnetz angeboten. Typische höchstzulässige Ausschaltströme liegen im Bereich von 25 bis 63 kA, in Sonderfällen auch 80 kA und mehr. Anstelle von Öl wird seit längerem zunehmend Schwefelhexafluorid (SF6)-Gas verwendet.
Quellen
Literatur
- Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
- Theodor Schmelcher: Handbuch der Niederspannung, Projektierungshinweise für Schaltgeräte Schaltanlagen und Verteiler. 1. Auflage, Siemens Aktiengesellschaft (Abt. Verlag), Berlin und München, 1982, ISBN 3-8009-1358-5
- Wilfried Knies, Klaus Schierack: Elektrische Anlagentechnik; Kraftwerke, Netze, Schaltanlagen, Schutzeinrichtungen. 5. Auflage, Hanser Fachbuchverlag. 2006 ISBN 978-3446405745
- Réne Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 4. Auflage, Verlag B.G. Teubner, 1982, ISBN 3-519-36411-5
- Henning Gremmel, Gerald Kopatsch: ABB Schaltanlagen-Handbuch 11. Auflage, ISBN 3-589-24102-0