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SF6 oder Vakuum?

Welcher MS-Leistungsschalter ist der richtige? Guenter Leonhardt, Mauro Marchi, Giandomenico Rivetti Mehr als drei Jahrzehnte Erfahrung in der Entwicklung von SF6- und Vakuum-Leistungsschaltern und die immer engere Zusammenarbeit zwischen allen beteiligten Forschungszentren sichern ABB einen wichtigen Wettbewerbsvorteil, wenn es darum geht, für eine bestimmte Anwendung die optimale Schaltertechnik zu wählen. Dank seiner bahnbrechenden Leistungen auf diesem Gebiet verfügt das Unternehmen über ideale Voraussetzungen, beide Techniken durch gezielte Forschung und Entwicklung voranzutreiben und deren Leistungsfähigkeit an die Grenzen des technisch Möglichen heranzuführen. Diese Forschungsarbeiten in ihrer Gesamtheit und die profunde Marktkenntnis versetzen ABB in die glückliche Lage, Kunden bei ihrer Suche nach den geeignetsten Schaltgeräten für ihre Anforderungen objektiv zu beraten und zu unterstützen.

V

or ungefähr 35 Jahren, in der Mitte

kontinuierlich so weit erforscht und weiter-

eine oder andere der beiden vorherrschen-

der sechziger Jahre, kamen zwei

entwickelt worden, dass man heute sagen

den Techniken ausgewählt werden soll.

neue Leistungsschaltertechniken auf den

kann, dass sie gemeinsam die älteren

Die Auswahl erfolgt nicht objektiv nach

Markt, von denen die eine SF6-Gas und

Schaltgerätetypen fast verdrängt haben.

praxisnahen Merkmalen, sondern sie wird

die andere ein Vakuum als Löschmittel

Allerdings herrscht nicht immer Einigkeit

weitgehend vom jeweiligen Leistungs-

benutzte. Seitdem sind beide Techniken

hinsichtlich der Kriterien, nach denen die

schalter-Hersteller bestimmt.

26

ABB Technik 4/2000

100

SF6- und Vakuumschalter verzeichnen in den verschiedenen Teilen der Welt recht

80

unterschiedliche Markterfolge 1 ; während Länder des Mittleren Ostens zur SF6-Technik

[% ]

die europäischen Länder und die meisten neigen, bevorzugen China, Japan und die USA

60 40

eindeutig die Vakuumtechnik. In anderen 20

Regionen sind beide Techniken gleich beliebt. Öl- und ölarme Leistungsschalter werden noch

0

in China, Osteuropa, Indien und Lateinamerika

US

eingesetzt, doch lassen die Entwicklungstendenzen eindeutig erkennen, dass diese

A

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Techniken sehr bald von der SF6- und der Vakuumtechnik abgelöst werden.

W

Wie 2 zeigt, konzentriert sich ABB heute

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Others SF 6 Vacuum

fast ausschließlich auf die zwei vorherrschenden Techniken und beliefert den Markt

1 Weltweiter Markt für MS-Leistungsschalter nach Regionen (1998)

sowohl mit der SF6- als auch mit der Vakuumtechnik.

100

Auf Grund der Erfahrungen mit mehr als 300 000 weltweit eingebauten MS-Leistungs-

80

schaltern beider Ausführungen und mehr als 30-jähriger intensiver Forschungstätigkeit [1] ist beide Techniken ideal ergänzen, in einigen Anwendungsfällen aber auch als Alternativen

SF 6

Others

Vacuum

60 [ %]

ABB zur Überzeugung gekommen, dass sich

(SF 6 +vacuum)

40 20

anzusehen sind. Diese Überzeugung, dass die SF6- und die Vakuumtechnik gleichermaßen wichtig und ebenbürtig sind, hat das Unter-

0 1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

nehmen veranlasst, die Entwicklung beider Techniken voranzutreiben: somit ist ABB

2 MS-Leistungsschalter von ABB

heute als weltweit größter Hersteller von MS-Leistungsschaltern in der einmaligen Lage,

des Verhaltens der beiden Techniken möglich,

maximale Synergieeffekte erzielt werden

die Kunden bei der Auswahl von Schaltgeräten

den Kunden einen besseren Service anzu-

konnten. Schließlich wurde schon frühzeitig

für jeden Anwendungsfall objektiv zu beraten

bieten. Gleichzeitig hat der harte Wettbewerb

erkannt, dass es sowohl für den Anwender

und zu unterstützen.

zwischen den Forschungslabors innerhalb des

als auch für den Hersteller von großem

Der Entscheidung, beide Techniken mit

Unternehmens die beteiligten Teams zu

Nutzen wäre, wenn die Leistungsschalter

gleichem Nachdruck zu verfolgen, verdankt

hervorragenden Leistungen angespornt,

so aufgebaut würden, dass sie wie in 3

ABB mehrere wichtige Vorteile. Zunächst

wobei durch den Informationsaustausch

dargestellt vollkommen austauschbar

einmal wurde es dank der profunden Kenntnis

zwischen den parallel arbeitenden Teams

sind:

ABB Technik 4/2000

27

Switchgear

sowohl in HS- als auch in MS-Schaltgeräten

Elektrode verbundenen Kolbens erzeugt.

Entwicklungen für beide Techniken nutzbar.

und -anlagen, die dadurch ein sehr gutes

Solche Kolbenschalter benötigten einen relativ

Die wichtigsten Ergebnisse dieses Lösungs-

Betriebsverhalten und sehr hohe Zuverlässig-

leistungsstarken Antrieb [2]. Die dritte Genera-

ansatzes sind die Verwendung von Magnet-

keit aufweisen.

tion von Leistungsschaltern machte für die

Bei dieser Vorgehensweise sind alle neuen

Beblasung die im Lichtbogen enthaltene

antrieben für die Schalterbetätigung und der

Die speziellen Vorteile von SF6-Gas in

Einbau von Sensoren in die Schalttafeln. Eine

elektrotechnischen Anwendungen waren seit

Energie nutzbar. Diese Schalter mit «Selbst-

uneingeschränkte Austauschbarkeit erleichtert

den frühen dreißiger Jahren allgemein

blastechnik» konnten mit wesentlich weniger

den Benutzern die Wahl, und bauliche

bekannt, doch wurden die ersten SF6-isolierten

Energie geschaltet werden.

Überlegungen spielen bei ihrer Entscheidung

Hochspannungs-Leistungsschalter erst in den

keine nennenswerte Rolle mehr.

späten fünfziger Jahren entwickelt und

Forschungsarbeiten von ABB auf dem Gebiet

montiert. SF6-Mittelspannungs-Leistungs-

der Kolben- und Selbstblasschalter haben jetzt

Schaltungsprinzip

schalter folgten einige Jahre später.

zu einem neuen und sehr effizienten Schalter

SF6-Leistungsschalter

Mittelspannungs-Leistungsschaltern verwende-

vereint die Vorteile seiner beiden Vorgänger.

Schwefelhexafluorid (SF6) ist ein künstliches

te ein Zweidruck-Gassystem. Die Schalter der

Der «auto-puffer»-Leistungsschalter arbeitet

Inertgas mit hervorragenden Isoliereigen-

zweiten Generation arbeiteten mit einem

beim Unterbrechen von Strömen bis 30% des

schaften und außergewöhnlicher thermischer

Druckgradienten, der für die Beblasung

maximalen Bemessungsausschaltvermögens als

und chemischer Stabilität. Diesen Eigenschaf-

notwendig war; der erforderliche Blasdruck

reiner Kolbenschalter und bei höheren Strömen

ten verdankt das Gas seine breite Verwendung

wurde dabei mittels eines mit der beweglichen

als Selbstblasschalter. Der «auto-puffer»

Die erste Generation von SF6-isolierten

Die mehr als 30-jährigen Erfahrungen und

geführt. Dieser sogenannte «auto-puffer»

3 VM1 Vakuum- (links) und HM1 SF6-Mittelspannungs-Leistungsschalter mit Magnetantrieb

28

ABB Technik 4/2000

benötigt vom Antrieb nur eine geringe Ener-

4 Schnittansicht des Magnetantriebes

gie, besitzt aber das hohe Leistungsvermögen

1

Spulen

des Selbstblasschalters. Die geringere Licht-

2

Permanentmagnete

bogenarbeit bei niedrigen und hohen Strömen

3

Stößel

(Kurzschlussströmen) gleichermaßen ermöglicht eine elektrische Lebensdauer, die deutlich über den Werten der beiden früheren Ausführungen liegt. Dieses Betriebsverhalten lässt sich völlig ohne Abreißströme erreichen, ein Merkmal, das für die Selbstblastechnik kennzeichnend ist. Der Antrieb ist so optimiert worden, dass er nur den Druck erzeugt, der für die sichere Unterbrechung von Strömen in dem für die Blaskolbentechnik in Betracht kommenden Bereich notwendig ist. Daher

1

werden kleine induktive Ströme mit Überspannungsfaktoren unter 2,5 pu wirksam unterbrochen.

Vakuum-Leistungsschalter

2

3

Bereits zu Beginn des letzten Jahrhunderts wurde die Stromunterbrechung in einem Vakuum als «ideale» Schalttechnik erkannt. Doch wurde sie wegen praktischer Schwierigkeiten fast drei Jahrzehnte lang nicht weiterverfolgt. Eines der Grundprobleme bestand darin, ein geeignetes Isolierstoffgehäuse herzustellen, das während seiner gesamten Lebensdauer hermetisch dicht bleibt. Dieses Problem

Ein weiteres großes Problem bestand darin,

war ein niedriger Abreißstrom beim Unter-

blieb mehrere Jahrzehnte ungelöst, bis in den

einen geeigneten Werkstoff für die Leistungs-

brechen kleiner Ströme ebenso wichtig wie

frühen sechziger Jahren eine Lösung mit Glas-

schalter-Kontaktstücke zu finden und entspre-

ein ausreichender Getter-Effekt. Bei der Suche

gehäusen entwickelt wurde. Seltsamerweise

chend zu formen. Die Kontaktstücke mussten

nach einem geeigneten Werkstoff wurde fest-

war die Technologie geblasener Glasbehälter

eine hohe Festigkeit gegenüber Lichtbogen-

gestellt, dass Chrom die meisten der verlang-

zu diesem Zeitpunkt bereits seit Jahrhunderten

erosion während der Aus- und Einschaltung

ten Eigenschaften besaß. Weitere Untersu-

allgemein bekannt. Ein weiterer Schritt nach

aufweisen, und eine etwaige Erosion musste

chungen ergaben, dass ein Verbundwerkstoff

vorn gelang mit der Entwicklung von Alumini-

diffus erfolgen und sich über die gesamte

aus Kupfer und Chrom am geeignetsten war

umoxid (AL2O3)-Keramik, einem Werkstoff,

Kontaktfläche verteilen. Der Kontaktwerkstoff

und die Grundanforderungen am besten

der gegenüber Temperatur-Wechsel-

musste sowohl während des Schließens als

erfüllen konnte. Heute gilt Cu/Cr mit einem

beanspruchungen eine wesentlich höhere

auch im geschlossenen Zustand eine geringe

Chromgehalt zwischen 20% und 60% als

Festigkeit besitzt.

Neigung zum Verschweißen aufweisen. Ferner

Standardwerkstoff für Kontaktstücke und

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29

Switchgear

wird von allen Herstellern von Vakuum-

Innovationen wurde es bei beiden Techniken

Schaltkammern werden durch die Kraft eines

Leistungsschaltern verwendet.

möglich, die Effizienz zu verbessern, die

Permanentmagneten in ihrer Ein- bzw. Aus-

Gesamtabmessungen zu reduzieren und, was

schaltstellung ohne jede externe Energie

seine inhärente Fähigkeit, die bei kleinen bis

ganz wichtig ist, den Energiebedarf für die

gehalten. Die Stellungsänderung der beweg-

mittleren Strömen entstehenden Lichtbögen im

Schalterbetätigung zu verringern.

lichen Kontaktstücke wird durch eine Ände-

Der Vakuum-Leistungsschalter verdankt

Stromnulldurchgang automatisch zu löschen,

Dank der Verringerung der Betätigungs-

rung der Richtung des Magnetfeldes herbei-

dem Mechanismus der Ladungsträgerbildung.

energie konnte ein völlig neuer Betätigungs-

geführt, die durch die Erregung der als

Allerdings erfordert eine zufriedenstellende

mechanismus, der Permanentmagnet-Antrieb,

Steuerelemente des Antriebs dienenden

Unterbrechung von Kurzschlussströmen

entwickelt werden.

Elektromagnete bewirkt wird. Durch entsprechende Regelung der Stromversorgung für die

zusätzliche konstruktive Maßnahmen. Die ersten Schalterausführungen waren mit einer

Magnetantrieb

Elektromagnete ist es möglich, die vom System

speziell geformten Elektrode ausgestattet,

Der Antrieb eines Leistungsschalters hat die

entwickelte Energie an die Anforderungen

die im Kontaktbereich des Lichtbogens ein

scheinbar «einfache» Aufgabe, die Kontakt-

verschiedener Typen und Größen von

radiales Magnetfeld erzeugte. Dieses mit dem

stücke von der geschlossenen in die offene

Leistungsschaltern anzupassen.

Lichtbogenstrom reagierende Magnetfeld

Stellung oder umgekehrt zu bewegen und

Dieser neue Antrieb ist beträchtlich

zwang den Fußpunkt des Lichtbogens, sich

nach Erreichen der erforderlichen Stellung

einfacher aufgebaut als das konventionelle

ständig auf der Kontaktfläche zu bewegen,

dafür zu sorgen, dass die Schaltstücke in die-

mechanische System. Dank der wesentlich

um so eine lokale Überhitzung und eine

ser Stellung bleiben, bis ein bestimmter Befehl

geringeren Anzahl von Bauteilen ist der

ungleichmäßige Abnutzung zu verhindern.

gegeben wird, die Stellung wieder zu ändern.

Antrieb naturgemäß weniger störanfällig, und

Der Antrieb ist somit ein typisches bistabiles

sein Wartungsbedarf reduziert sich auf das

mit der besonders das Stromausschalt-

Stellglied. Diese Aufgabe wird seit vielen

absolute Minimum. 4 zeigt den Aufbau eines

vermögen bei extrem hohen Kurzschluss-

Jahren von mechanischen Federantrieben und

solchen Antriebs mit dem festen geschichteten

strömen erhöht wurde, war die Entwicklung

Schaltschlössern mit hoher Zuverlässigkeit und

Eisenkern, den Permanentmagneten, dem

des «axialen», d.h. in Richtung der Längsachse

Sicherheit wahrgenommen. Allerdings haben

Stahlanker sowie den Ein- und Ausschalt-

wirkenden Magnetfeldes. Auch hier dient eine

neue Möglichkeiten, die Entwicklungen in der

spulen. Alle Hilfsfunktionen wie Verriegelung,

speziell gestaltete Elektrode dazu, ein in

Leistungselektronik heute bieten, die Hersteller

Signalisierung, Auslösung, Einschaltung etc.

Richtung der Längsachse wirkendes Magnet-

veranlasst, nach flexibleren und leichter

sind elektronisch realisiert; auch Selbst-

feld zu erzeugen, das den Lichtbogen-

steuerbaren Antrieben zu suchen.

diagnoseeinrichtungen sind vorgesehen.

Fußpunkt gleichmäßig über die gesamte

Eine wesentliche Voraussetzung für jedes neue

Ein Elektrolytkondensator liefert die für

Kontaktfläche verteilt.

System war natürlich, dass es in Bezug auf

die Aus- und Einschaltspulen notwendige

Zuverlässigkeit, Sicherheit und Haltbarkeit

Stoßleistung.

Eine weitere konstruktive Verbesserung,

Gemeinsame Trends in der SF6-

zumindest ebenso gut oder besser war als

und Vakuum-Leistungsschalter-

der Federantrieb.

Entwicklung

Eine solche Lösung wurde im «Magnet-

Grundaufbau der Schaltgeräte Die neuen Vakuum- und SF6-Leistungs-

SF6- und Vakuum-Leistungsschalter von ABB

antrieb» gefunden. Hier sorgt ein speziell

schalter mit Magnetantrieb sind gegeneinander

kommen seit vielen Jahren in Mittelspannungs-

konstruiertes, mit Elektromagneten und

und gegen Vorläufermodelle austauschbar.

Schaltanlagen zum Einsatz, und die Betriebs-

Permanentmagneten arbeitendes System für

Diese Austauschbarkeit ist für den Anlagen-

erfahrungen haben gezeigt, dass sie bei

die Antriebsenergie für die Bewegung der

betreiber besonders wichtig, weil sie die Mög-

Betriebsbedingungen zuverlässig, nahezu

Kontaktstücke und für das im wesentlichen

lichkeit bietet, bestehende Schaltanlagen mit

wartungsfrei und sicher arbeiten. Durch

bistabile Verhalten. Die Vakuum- und die SF6-

minimalem Kostenaufwand nachzurüsten.

30

ABB Technik 4/2000

5 VM1 Vakuum- (rechts) und HM1 SF6-Mittelspannungs-Leistungsschalter. Die Ansicht zeigt die geringe Anzahl von Bauteilen.

geschaltet werden, wobei jeder Pol zum bestmöglichen Zeitpunkt in Bezug auf die in der entsprechenden Phase herrschenden Stromund/oder Spannungsbedingungen geöffnet oder geschlossen wird. Durch das synchrone Schalten werden die elektrischen und mechanischen Beanspruchungen, die beim Unterbrechen des Stromes sowohl auf der Netzseite als auch auf der Lastseite des geschalteten Stromkreises und im Leistungsschalter selbst auftreten, auf ein Minimum reduziert. Beim synchronen Schalten wird die in der Schaltkammer abzuführende Energiemenge auf ein

4 und 5 zeigen augenfällig die sehr

Einsatzes elektronischer Geräte, dramatisch

Minimum begrenzt, und die beim Schaltvor-

geringe Anzahl verwendeter Bauteile, eine

verschärft. Die derzeitige Lösung mit Bau-

gang entstehenden Überspannungen werden

Tatsache, durch welche die Möglichkeit von

elementen der Leistungselektronik ist zwar aus

beträchtlich vermindert. Alle diese Vorteile

Störungen deutlich verringert wird.

technischer Sicht sehr effizient, aber auch sehr

sind möglich, weil mit dem Magnetantrieb der

Ein einfacher Aufbau ist ebenfalls ein

teuer. Mit der Einführung des Magnetantriebs

Schaltvorgang des Leistungsschalters genau

wesentliches Merkmal des vergossenen Vaku-

ist es möglich geworden, die Schaltung eines

gesteuert werden kann. Die dabei erzielte

umpoles und der SF6-Schaltkammer mit «auto-

MS-Leistungsschalters auf das absolute Mini-

Genauigkeit ist so hoch, dass es möglich ist,

puffer»-Technik, die speziell für Anwendungen

mum, das heißt auf die reine Lichtbogen-

den Zeitpunkt, in dem die beweglichen Kon-

im Mittelspannungsbereich entwickelt wurde 6 .

Löschzeit, zu beschleunigen. Durch den Ein-

taktstücke ihre Endstellung erreichen, mit dem

Dank der Vergießtechnik sind für die Schalt-

satz von magnetisch betätigten MS-Leistungs-

Stromnulldurchgang in jeder Phase zu syn-

kammer oder ihre Anschlussklemmen keine

schaltern und einer entsprechenden elektroni-

chronisieren. Außerdem werden bei dieser Art

speziellen Haltekonstruktionen notwendig.

schen Grundausstattung ist es möglich ge-

des Schaltens die Einschaltstromspitzen und

worden, die Zeit für die Umschaltung von

Überspannungen, die während der Ansteue-

Schnellschaltung

einer Energiequelle auf eine andere auf

rung von induktiven oder kapazitiven Lasten

Eine bereits erwähnte wichtige Eigenschaft des

weniger als 40 ms zu verkürzen. Diese Zeit-

auftreten, auf ein Minimum begrenzt und

Magnetantriebs ist die Vielseitigkeit seiner

spanne ist so kurz, dass sie die meisten

theoretisch sogar auf Null reduziert. Diese

Steuerfunktionen. Die gezielte Nutzung dieser

Probleme sensitiver Verbraucher mit einem

Ergebnisse werden je nach Art der Last erzielt,

Flexibilität öffnet die Tür zu neuen Lösungen

Kostenaufwand löst, der im Vergleich zu

indem die Kontaktbewegung so gesteuert

für zentrale Probleme in der elektrischen

Lösungen mit Bauelementen der Leistungs-

wird, dass das Ende der Bewegung mit dem

Energieverteilung, d.h. für Probleme, die bis-

elektronik sehr wettbewerbsfähig ist [5].

Strom- bzw. Spannungsmaximum zusammen-

her, wenn überhaupt, nur mit großem Auf-

fällt. Die beschriebenen Ein- und Ausschaltvor-

wand zu lösen waren. Einer dieser Problem-

Synchroner Leistungsschalter

gänge werden mit einer maximalen Toleranz

fälle ist die rasche Umschaltung zwischen

Diese neuen Leistungsschalter mit ihrem Mag-

von ± 0,5 ms bzw. ± l ms durchgeführt. Diese

Energiequellen bei einer Störung in einem

netantrieb bieten noch einen weiteren Vorteil:

Zahlen verdeutlichen die Bedeutung des tech-

System. Dieses Problem hat sich in den letzten

sie schaffen die Voraussetzung für synchrones

nologischen Durchbruches, der durch die

Jahren durch die exponentiell starke Zunahme

Schalten. Bei dieser Schalttechnik müssen die

Kombination der digitalen Elektronik mit dem

sensitiver Verbraucher, meistens wegen des

Leistungsschalterpole unabhängig voneinander

Magnetantrieb erreicht wurde.

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6 Schnitt durch den vergossenen Vakuumpol (links) und den SF6-Selbstblaspol

Diese Entwicklungen werden die Zuverlässigkeit des gesamten elektrischen Systems verbessern, die Sicherheit für das Personal erhöhen und auch die Kosten senken, indem sie die elektrische Beanspruchung und den Verschleiß der elektrischen Ausrüstung auf ein Minimum reduzieren [6].

Integration mit Sensoren und Elektronik Die Hardware und Software, die derzeit für die magnetisch betätigten Leistungsschalter zur Verfügung steht, gestattet einen weiteren Schritt hin zur vollständigen Integration der Funktionen. Mit der entsprechenden Software und den notwendigen Strom- und Spannungssensoren besteht jetzt die Möglichkeit, die Schutzfunktionen direkt in das Steuerungsund Regelungssystem von Leistungsschaltern zu integrieren. Dadurch wird der Leistungsschalter zu einem voll automatisierten Gerät für Schutz- und Schaltfunktionen, das den Anspruch höchstmöglicher Zuverlässigkeit voll erfüllt – ein Ergebnis, das durch die Reduzierung der Komponenten-Schnittstellen

Anforderungen an Leistungsschalter der Klasse

zyklen zum Nachweis der elektrischen Lebens-

auf ein Minimum erreicht wurde. Wie sich

B gemäß IEC-Norm 60056 [3]. Diese Norm

dauer eines Leistungsschalters vor.

bereits gezeigt hat, ist eine solche totale

besagt folgendes:

Vorzugsweise ist der Prüfzyklus gemäß Liste 1

Integration der Kernfunktionen in Schaltgeräte

«Ein Leistungsschalter der Klasse B (im IEC-

zu verwenden; alternativ kann der Prüfzyklus

auch für Aufgaben der Energieverteilung im

Entwurf, künftig E2) ist ein Leistungsschalter,

gemäß Liste 2 für solche Leistungsschalter ver-

Mittelspannungsbereich der richtige Ansatz,

der so ausgeführt ist, dass die schaltenden Teile

wendet werden, die für starr geerdete Netze

wie sie bereits bei Niederspannungsgeräten

während der Lebensdauer des Leistungsschal-

bestimmt sind. Der Schärfegrad dieser beiden

Stand der Technik ist.

ters keine Wartung und seine übrigen Teile nur

Prüfzyklen gilt als gleich hoch.

eine minimale Wartung benötigen.» Die IECNorm legt auf der Grundlage der Betriebserfah-

Zuverlässigkeit dielektrischer

rungen die Anzahl der Schaltungen fest, die ein

Medien

Elektrische und mechanische

Leistungsschalter unter den rauen Betriebsbe-

Moderne SF6- und Vakuum-Leistungsschalter

Lebensdauer

dingungen eines über eine Freileitung ange-

sind hermetisch gekapselt; daher erübrigen

Sowohl SF6- als auch Vakuum-Leistungsschal-

schlossenen Netzes einschließlich Kurzunter-

sich Diagnosesysteme zur Messung des Gas-

ter gelten als wartungsfrei. Qualitativ hoch-

brechung ausführen können muss.

druckes oder des Vakuums.

Technisches Leistungsvermögen

wertige SF6- und Vakuum-Schalter erfüllen die

32

Die Norm schreibt zwei alternative Prüf-

ABB Technik 4/2000

Schaltüberspannungen

es notwendig, die Emissionen von Treibhaus-

Isolierstoffkomponenten sowie des Widerstan-

Von Leistungsschaltern beider Techniken

gasen (d.h. SF6 und CO2 ) während der Pro-

des im Hauptstromkreis weitgehend mit denen

verursachte Schaltüberspannungen werden auf

duktion und als Folge der Leistungsverluste im

des SF6-Leistungsschalters übereinstimmen.

Werte begrenzt, die für die angeschlossenen

Betrieb zu analysieren. Die anschließend

Geräte oder Anlagen keinerlei Gefahr

durchgeführte Ökobilanz für Vakuum- und

mungseffektes allein kann festgestellt werden,

darstellen.

SF6-Leistungsschalter kommt zu den nach-

dass die Auswirkungen im wesentlichen durch

folgend aufgeführten Schlussfolgerungen, die

die Energieverluste im Hauptstromkreis

für beide Gerätetypen gelten.

bestimmt werden. Allerdings sind diese

SF6-Leistungsschalter erfüllen diese Forderung dank ihrer naturgemäß sanften Unterbre-

Bei der Betrachtung des globalen Erwär-

Die Umweltwirkungen in der Produktions-

Verluste im Vergleich zu den Verlusten, die

Auch bei Vakuum-Leistungsschaltern, die

und Betriebsphase werden separat betrachtet.

durch die Kabel, die Verbindungen und alle

moderne Kontaktwerkstoffe verwenden, treten

Dabei ergibt sich für den SF6-Leistungsschalter,

anderen im elektrischen Verteilungsnetz

niedrige Abreißströme auf; allerdings kann in

dass die Umweltwirkungen während der ge-

eingesetzten Betriebsmittel verursacht werden,

Ausnahmefällen und je nach Kennwerten der

samten Produktionsphase mehr als 100 mal

vernachlässigbar gering.

einzelnen Anlage eine eingehende Untersu-

größer sind als die Umweltwirkungen des

chung der Systemparameter notwendig sein,

Gerätes während einer gesamten Lebensdauer

Einsatz für spezielle

um festzustellen, ob spezielle Spannungsbe-

von 30 Jahren; dies ist auf die Tatsache

Schaltaufgaben

chungseigenschaften ohne zusätzliche Geräte.

grenzungsgeräte vorgesehen werden müssen.

zurückzuführen, dass SF6-Leistungsschalter für Mittelspannung hermetische gekapselt sind [4].

Freileitungen und Kabel

Umweltwirkungen

Die Produktion der Kupfer- und Isolierstoff-

Beim Einsatz für die schwierige Aufgabe des

Bei beiden Leistungsschalter-Typen stellt die

bauteile des Leistungsschalters ist dabei der

Schaltens und des Schutzes von Freileitungs-

Betätigung kein Gesundheitsrisiko für das

Hauptfaktor, der zu den Umweltwirkungen

Verteilnetzen, in denen die Fehlerströme über

Personal dar. Im Fall einer größere Betriebs-

während der Produktion beiträgt.

den gesamten Strombereich verteilt sind,

störung, die jedoch sehr unwahrscheinlich ist,

Hinsichtlich der Umweltwirkungen wäh-

bieten beide Schaltertechniken einen aus-

würden in die SF6-Leistungsschalter eingebaute

rend der Anwendung unter der Annahme

reichenden Sicherheitsspielraum über den

Überdruckventile ansprechen, während es bei

einer Lebensdauer von 30 Jahren und eines

Maximalwert hinaus, der von den einschlägi-

Vakuum-Leistungsschaltern nur zu einer Art

durchschnittlichen Betriebsstroms von 20%

gen Normen und im normalen Betrieb

Implosion kommen würde. Die Erfahrungen

des Nennstroms kann errechnet werden, dass

verlangt wird.

haben auch gezeigt, dass die Emissions-

in der Anwendungsphase ein Umwelterwär-

produkte beider Leistungsschalter-Typen keine

mungseffekt auftritt, der mehr als 7 bis 8 mal

Transformatoren

Vergiftungsgefahr darstellen. Bei beiden

über dem Erwärmungseffekt während der

Moderne Vakuum-Leistungsschalter und SF6-

Schalterarten können die für die Komponen-

Produktion liegt. Ursache hierfür sind die

Leistungsschalter sind zum Schalten der

ten verwendeten Werkstoffe nach Ablauf der

Stromwärmeverluste im Leistungsschalter. Die

Magnetisierungsströme von unbelasteten

Lebensdauer wiederverwertet werden. Das

Analyse zeigt, dass die Umweltwirkungen des

Transformatoren bei Überspannungen unter

Kyoto-Protokoll zur Rahmenkonvention der

SF6-Gases selbst, bezogen auf das komplette

3,0 pu geeignet. In besonderen Fällen,

Vereinten Nationen über Klimaveränderungen

Gerät während seines gesamten Lebensweges,

beispielsweise bei Verwendung von Vakuum-

(10. Dezember 1997) hat festgelegt, dass die

nur etwa 0,1% der gesamten Umweltwirkun-

Leistungsschaltern zum Schalten von Trocken-

Emissionen von sechs Gasen, darunter auch

gen ausmachen. Bei der Betrachtung der

transformatoren in Industrieanlagen, wird

SF6, gesenkt werden müssen, weil sie als

Vakuum-Leistungsschalter wird erkennbar,

vom Einsatz von Überspannungsableitern

wahrscheinliche Ursache für die globale

dass die Ergebnisse auf Grund des hohen

abgeraten.

Erwärmung angesehen werden. Deshalb war

Kupfereinsatzes, der Anzahl der verwendeten

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33

Switchgear

Motoren

Leistungsschalter sind für diese Einsatz-

wie Wirtschaftlichkeit, Präferenzen der Anwen-

Beim Einsatz von Leistungsschaltern zum

bedingungen besonders gut geeignet.

der, nationale «Traditionen», Kompetenz und spezielle Schaltanforderungen. Typisch für

Schalten von Motoren ist besonderes Augen-

Kompensationsdrosselspulen

solche spezielle Anwendungen ist das Schalten

während des Betriebes zu richten. Der Soll-

SF6-Leistungsschalter sind für Schaltaufgaben

von Trockentransformatoren, kleinen Motoren,

Grenzwert für Überspannungen von unter

mit Überspannungen geeignet, die generell

Kondensatoren, Lichtbogenöfen, Drosselspu-

2,5 pu wird mit beiden Techniken erreicht.

unter 2,5 pu liegen. Beim Einsatz von

len und Bahnstromsystemen. Weitere Einfluss-

Werden Vakuum-Leistungsschalter zum

Vakuum-Leistungsschaltern kann es unter

faktoren für die Wahl der Technik können

Schalten von kleinen Motoren (Einschaltströme

bestimmten Umständen notwendig sein,

«häufiges Schalten» oder «weiches Schalten» sein.

unter 600 A) verwendet, sind Maßnahmen

zusätzliche Maßnahmen zur Begrenzung

In solchen Fällen kann eine umfassende Unter-

notwendig, um die durch mehrfache

der Überspannungen zu ergreifen.

suchung der geplanten Anlage notwendig sein,

merk auf die Probleme von Überspannungen

um die beste Lösung zu finden. ABB verfügt

Wiederzündung verursachten Überspannungen zu beschränken; allerdings ist die Wahr-

Bahnen

über das Fachwissen und die Erfahrungen, die

scheinlichkeit, dass es hierzu kommt,

Im Prinzip sind beide Schaltertechniken für

das Unternehmen in die Lage versetzen, die

gering.

diese Aufgabe gut geeignet; allerdings emp-

Anwender bei der Wahl des für die jeweilige

fiehlt sich bei niedrigen Frequenzen (z.B.

Anwendung geeignetsten Leistungsschalters

Kondensatorbatterien

16,67 Hz) der Einsatz von Vakuum-Leistungs-

objektiv zu beraten und zu unterstützen.

Beide Techniken sind zum rückzündfreien

schaltern.

Schalten von Kondensatorbatterien geeignet.

Adressen der Autoren

Beim Schalten von Mehrfach-Kondensator-

Abstimmung des Leistungs-

batterien sind ggf. Drosselspulen notwendig,

schalters auf die Aufgabe

um die Einschaltströme zu begrenzen. Hier

Die dreißigjährigen, weltweit gesammelten

bietet die synchrone Betätigung der Leistungs-

Erfahrungen in der Entwicklung, Fertigung

schalter eine wirksame Abhilfe. SF6 wird

und Vermarktung von Mittelspannungs-Leis-

speziell für Anwendungen mit Nennspannun-

tungsschaltern in SF6- und Vakuum-Technik

gen über 27 kV empfohlen.

haben reichlich Belege dafür geliefert, dass keine der beiden Techniken der anderen

Lichtbogenöfen

generell überlegen ist, sondern dass sie sich

Diese Schaltaufgabe ist oft gekennzeichnet

aus der Sicht der Anwendung gegenseitig

durch häufiges Schalten bei hohen Strom-

ergänzen. Maßgebend für die Wahl der einen

werten und kurzen Abständen. Vakuum-

oder anderen Technik sind Gesichtspunkte

Guenter Leonhardt ABB Calor Emag Oberhausenerstraße 33 DE-40472 Ratingen, Deutschland [email protected] Mauro Marchi ABB Trasmissione e Distribuzione Via Friuli 4, IT-24044 Dalmine, Italien [email protected] Giandomenico Rivetti ABB Power Distribution Via Friuli 4, IT-24044 Dalmine, Italien [email protected]

Literaturhinweise [1] D. Braun, W. Heilmann, A. Plessl: Einsatzkriterien für SF6- und Vakuum-Leistungsschalter. ABB Technik 4/89, 25-33. [2] A. Plessl, L. Niemeyer, F. Perdoncin: Forschung für SF6-Leistungsschalter. ABB Technik 2/89, 3-10. [3] IEC 60056 – High-voltage alternating-current circuit-breakers, Amendment 3, 1996-09. [4] R. Borlotti, A. Giacomucci: A simplified LCA of SF6 medium-voltage circuit-breaker. 7th SETAC Symposium, Brussels, 1999. [5] R. Tinggren, Y. Hu, L. Tang, H. Mathews, R. Tyner: Power factor controller – an integrated power quality device. 1999 IEEE Transmission and Distribution Conference, New Orleans. [6] C. Cereda, C. Gemme, C. Reuber: Synchronous medium-voltage circuit-breaker: ABB solution based on magnetic drive and electronic control. 15th International Conference and Exhibition on Electrical Power Distribution Engineering, CIRED, Nice, 1999.

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