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Nutzungskategorien klassifizieren elektrische Schütze nach den Schaltbedingungen, denen sie bei der Steuerung bestimmter Lastarten standhalten müssen. Für Mittelspannungs-Motorsteuerungsanwendungen definieren diese Kategorien die Stromstärke, den Leistungsfaktor und die Betriebsfrequenz, denen ein Schütz während des Schließ- und Öffnungsvorgangs ausgesetzt ist – Parameter, die direkt darüber entscheiden, ob ein Vakuumschütz seine vorgesehene Lebensdauer erreicht oder vorzeitig ausfällt.
Die Internationale Elektrotechnische Kommission hat dieses Klassifizierungssystem in IEC 60947-4-1 ursprünglich für Niederspannungs-Schütze festgelegt. Mittelspannungsanwendungen folgen denselben Kategoriedefinitionen, wobei die Prüfvorschriften gemäß IEC 62271-106 für Hochspannungs-Schütze und schützbasierte Motorstarter angepasst wurden.
Jede Nutzungskategorie legt vier kritische Parameter fest:
Bei Käfigläufer-Induktionsmotoren – dem vorherrschenden Motortyp in industriellen Mittelspannungsanwendungen – sind zwei Kategorien von größter Bedeutung: AC-3 und AC-4. Der Unterschied liegt in einer Frage: An welchem Punkt der Beschleunigungskurve des Motors unterbricht das Schütz den Strom? Die Antwort bestimmt, ob sich die Kontaktabnutzung über Hunderttausende von Betriebsstunden hinweg allmählich oder innerhalb von Zehntausenden von Betriebsstunden rapide ansammelt.
Der grundlegende Unterschied zwischen AC-3 und AC-4 liegt in der elektrischen Belastung, die zum Zeitpunkt der Kontakttrennung auftritt. AC-3 gilt für das Starten von Käfigläufermotoren und deren Abschalten bei normaler Drehzahl. AC-4 umfasst Start-, Einsteck-, Inching- und Umkehrvorgänge, bei denen die Kontakte wiederholt den Strom bei blockiertem Rotor unterbrechen müssen.
AC-3: Normale Motorsteuerung
Wenn ein Motor seine volle Drehzahl erreicht, fällt der Strom auf den Nennbetriebswert ab, bevor sich der Vakuumschütz öffnet. Gemäß IEC 60947-4-1 Abschnitt 4.3.5.1 müssen AC-3-Nennschütze während des Motorstarts Ströme von etwa 6× dem Nennbetriebsstrom (Ie) verarbeiten, aber die Unterbrechung erfolgt bereits bei 1× Ie. Der Leistungsfaktor während des Brechens liegt typischerweise zwischen 0,85 und 0,90, wodurch die Lichtbogenenergie während der Kontakttrennung erheblich reduziert wird.
Bei Feldanwendungen in petrochemischen Anlagen und Wasseraufbereitungsanlagen stellt AC-3 das häufigste Schaltszenario dar. Die Gegen-EMK des Motors reduziert die über der Vakuumspalte auftretende Rückgewinnungsspannung erheblich. Feldtests an 7,2-kV-Vakuumschützen zeigen für typische Motoranwendungen Unterbrechungsströme im Bereich von 200 A bis 400 A, wobei Kontaktabstände von 6–10 mm eine ausreichende Durchschlagfestigkeit bieten.
AC-4: Schalten von Motoren für schwere Beanspruchung
Unter AC-4-Bedingungen muss der Vakuumschütz den Strom bei 6× Ie mit einem Leistungsfaktor von nur 0,35 bis 0,40 unterbrechen. Es gibt keine Gegen-EMK-Unterstützung, da der Rotor stationär bleibt oder sich umkehrt. Der Vakuumunterbrecher muss Lichtbögen mit vollem prospektiven Strom löschen, der bei voller Netzspannung durch die CuCr-Kontaktflächen fließt.
Die Beziehung zwischen Lichtbogenenergie und Schweregrad erklärt:
Bogenenergie ∝ I² × t × (1 – cos φ)
Der niedrige Leistungsfaktor bedeutet, dass Strom und Spannung deutlich phasenverschoben sind, wobei Stromnullpunkte unter höherer Wiederherstellungsspannung auftreten. Dies führt zu einer starken Lichtbogenerwärmung, einer stärkeren Erosion des Kupfer-Chrom-Materials pro Betrieb und einer schnelleren Abnutzung des Kontaktabstands.
[Expertenmeinung: Feldbeobachtungen zur Leistung von AC-3/AC-4]
Das IEC-Rahmenwerk definiert mehrere AC-Nutzungskategorien, die jeweils bestimmte Lasttypen und Schaltbedingungen abdecken. Bei Mittelspannungs-Vakuumschützen zur Steuerung von Käfigläufer-Induktionsmotoren dominieren die Spezifikationen AC-3 und AC-4, wobei das Verständnis der gesamten Produktfamilie den Kontext liefert.
| Kategorie | Anwendung | Aktuell machen | Aktuelle Nachrichten | cos φ |
|---|---|---|---|---|
| AC-1 | Nichtinduktive oder leicht induktive Lasten | 1,5 × Ie | D. h. | 0.95 |
| AC-2 | Schleifringmotoren: Starten, Ausschalten | 2,5 × Ie | 2,5 × Ie | 0.65 |
| AC-3 | Käfigläufermotoren: Anlaufen, Betrieb, Stoppen | 6 × Ie | D. h. | 0.35 |
| AC-4 | Käfigläufermotoren: Einstecken, Inching, Jogging | 6 × Ie | 6 × Ie | 0.35 |
Der entscheidende Unterschied liegt in der Spalte „Unterbrechungsstrom“. AC-3 geht von einer Unterbrechung eines Motors aus, der mit nahezu voller Drehzahl läuft – der Strom ist auf das Nennbetriebsniveau gesunken. AC-4 geht von einer Unterbrechung bei oder nahe an einem Blockierzustand aus: sechsmal höherer Strom mit deutlich mehr zu löschender Lichtbogenenergie.
AC-2 gilt speziell für Schleifringmotoren (mit gewickeltem Rotor), die andere Anlaufeigenschaften aufweisen und in modernen Mittelspannungsanlagen weniger verbreitet sind. AC-1 deckt ohmsche und leicht induktive Lasten wie Heizelemente ab – selten das Hauptkriterium für die Auswahl von Vakuumschützen in Motorsteuerungsanwendungen.
Zu den kritischen AC-3-Parametern gehören: elektrische Lebensdauer ≥ 1 × 106 Betriebszyklen bei Nennstrom, mechanische Lebensdauer bis zu 3 × 106 Betätigungen und typische Kontaktabtragsraten. < 0,1 μg pro Ampere-Sekunde der Lichtbogen-Dauer.Für Ingenieure, die MV-Vakuumschütze spezifizieren, stellt sich eine einfache Frage: Wird dieser Motor jemals vor Erreichen der vollen Drehzahl angehalten? Wenn ja, gilt AC-4. Wenn der Motor vor dem Anhalten immer seine volle Drehzahl erreicht, reicht AC-3 aus.
Die CuCr-Kontakte (Kupfer-Chrom) des Vakuumschalters tragen die gesamte Last der elektrischen Beanspruchung durch AC-4-Betrieb. Das Verständnis des Verschleißmechanismus erklärt, warum die Auswahl der Nutzungskategorie einen direkten Einfluss auf die Wartungsintervalle und die Lebenszykluskosten hat.
Während der AC-3-Unterbrechung breitet sich der diffuse Vakuumbogen über die Kontaktfläche aus und verteilt die Wärmeenergie relativ gleichmäßig. Die Stromstärke ist gering (1× Ie) und der günstige Leistungsfaktor sorgt dafür, dass die Bogenzeit vor dem Stromnullpunkt kurz ist. Der Materialverlust pro Schaltvorgang bleibt minimal.
AC-4-Bedingungen führen zu einem grundlegend anderen Lichtbogenverhalten. Bei 6× Ie mit einem Leistungsfaktor von 0,35 wechselt der Lichtbogen vom diffusen in den eingeschränkten Modus. Die Energie konzentriert sich auf bestimmte Stellen der Kontaktfläche, was folgende Auswirkungen hat:
Standard-CuCr-Kontakte mit einem Chromgehalt von 25–50% bilden die Grundlage für den Motorschaltbetrieb. Für den schweren AC-4-Betrieb können Hersteller Folgendes festlegen:
Der Kontaktabstand – typischerweise 8–12 mm für MV-Schütze mit einer Nennspannung von 7,2 kV – muss auch bei zunehmender Erosion eine ausreichende Durchschlagfestigkeit aufweisen. Ein Vakuumniveau unter 10⁻³ Pa ermöglicht eine schnelle Entionisierung von Metalldampfbögen, aber wiederholte hochenergetische Unterbrechungen verschlechtern allmählich die interne Umgebung durch Kontamination der Abschirmung und Erschöpfung des Gettermittels.
Für ein tieferes Verständnis der Konstruktion von Vakuumschaltern und der Physik der Lichtbogenlöschung lesen Sie bitte unseren vollständigen Leitfaden: Was ist ein Vakuumunterbrecher und wie funktioniert er?
[Expertenmeinung: Kontakt-Lebensmanagement]
Die Abstimmung der Nutzungskategorie auf den tatsächlichen Arbeitszyklus verhindert sowohl vorzeitigen Ausfall als auch unnötige Überdimensionierung. Das Anwendungsprofil – und nicht allein das Typenschild des Motors – bestimmt die richtige Spezifikation.
Typische AC-3-Anwendungen in Mittelspannungssystemen:
Diese Anwendungen haben eine gemeinsame Eigenschaft: Der Motor beschleunigt vor dem Stoppbefehl auf Betriebsdrehzahl. Das Schütz unterbricht nur den Nennstrom unter günstigen Leistungsfaktorbedingungen.
Typische AC-4-Anwendungen in Mittelspannungssystemen:
Der Bergbau stellt eine besondere Herausforderung dar. Förderanlagen arbeiten zwar hauptsächlich im AC-3-Modus, müssen jedoch gelegentlich für Wartungszwecke angetrieben werden. Ein Schütz, der ausschließlich für den AC-3-Betrieb ausgelegt ist, unterliegt während dieser AC-4-Zyklen einem beschleunigten Verschleiß.
Mischzollberechnung
In der Praxis werden häufig beide Arten von Belastungen kombiniert. Der IEC-Ansatz ermöglicht die Berechnung des äquivalenten Verschleißes:
Äquivalente AC-3-Operationen = AC-3-Operationen + (k × AC-4-Operationen)
Der Multiplikator k liegt in der Regel zwischen 3 und 10, abhängig von den Testdaten des Herstellers. Bei einem Kran, der täglich 50 normale Start-/Stoppvorgänge und 5 Inching-Zyklen ausführt, könnte der äquivalente AC-3-Verschleiß eher 50 + (5 × 8) = 90 Vorgänge pro Tag als 55 betragen.
Entdecken Sie unser komplettes Sortiment an Vakuumschützen, die sowohl für AC-3- als auch für AC-4-Anwendungen ausgelegt sind: Hersteller von Vakuumschützen
Die richtige Auswahl der Kategorie erfordert eine Analyse des tatsächlichen Betriebsprofils und nicht die Anwendung allgemeiner Sicherheitsfaktoren. Vier Fragen leiten die Bewertung:
Die Realität der Leistungsreduzierung
Ein Schütz, der für den AC-3-Betrieb ausgelegt ist, kann nicht einfach AC-4-Anwendungen mit derselben Nennstromstärke bedienen. Zu den Standardansätzen gehören:
| Parameter | AC-3-Bewertung | AC-4-Bewertung (gleicher Rahmen) |
|---|---|---|
| Nennbetriebsstrom | 400 A | 200 Ein typischer |
| Elektrische Belastbarkeit | 500.000–2.000.000 Operationen | 100.000–500.000 Operationen |
| Kontaktabrieb pro 1.000 Betriebsstunden | 0,002–0,005 mm | 0,01–0,02 mm |
Durch die Wahl einer größeren Rahmengröße bleibt die erforderliche Strombelastbarkeit unter AC-4-Bedingungen erhalten. Einige Hersteller bieten verbesserte Kontaktmaterialien – Wolfram-Kupfer (WCu) oder Silber-Wolframkarbid (AgWC) – für Anwendungen mit hoher Beanspruchung an, bei denen eine Vergrößerung des Rahmens nicht praktikabel ist.
Überprüfung der Standards
Die Hersteller müssen die Konformität durch Typprüfungen gemäß IEC 62271-106 nachweisen [NORM ÜBERPRÜFEN: Bestätigen Sie, dass die aktuelle Ausgabe für die jeweilige Spannungsklasse gilt]. Bei den Typprüfungen werden die Schalt- und Ausschaltleistung bei Nennkategoriewerten, die elektrische Lebensdauer durch reduzierte Prüfzyklen, die auf die Nennlebensdauer hochgerechnet werden, und die dielektrische Festigkeit nach Schaltvorgängen überprüft.
Bei der Erstellung von Spezifikationen für die Beschaffung von Vakuumschützen beachten Sie bitte unseren ausführlichen Leitfaden: VCB-Angebotsanfrage-Checkliste: Technische Anforderungen
XBRELE stellt Mittelspannungs-Vakuumschütze mit Nennspannungen von 3,6 kV bis 12 kV her, die für zuverlässige Leistung in den Nutzungskategorien AC-3 und AC-4 ausgelegt sind. Unsere Vakuumunterbrecher verfügen über optimierte CuCr-Kontaktmaterialien mit kontrolliertem Chromgehalt für gleichbleibende Lichtbogenerosionseigenschaften während der gesamten Lebensdauer.
Jedes Schütz wird routinemäßigen Tests unterzogen, um die Spannungsfestigkeit bei Netzfrequenz, den Widerstand des Hauptstromkreises und die mechanischen Betriebsparameter zu überprüfen. Auf Anfrage sind Typprüfberichte mit Verweis auf bestimmte Verwendungskategorien erhältlich, die die für Projektspezifikationen und Qualitätssicherungsprogramme erforderlichen Unterlagen liefern.
Für Anwendungen mit gemischten AC-3/AC-4-Betriebsbedingungen oder ungewöhnlichen Betriebsprofilen bietet unser Ingenieurteam technische Beratung, um die geeignete Größe und die Auswahl des Kontaktmaterials zu bestimmen. Unabhängig davon, ob Ihre Anwendung eine Standard-Pumpenmotorsteuerung oder anspruchsvolle Kranarbeiten mit häufigen Inching-Zyklen umfasst, gewährleistet die richtige Anpassung der Nutzungskategorie eine zuverlässige Schaltleistung und vorhersehbare Wartungsintervalle.
Hinweise zu Überlegungen hinsichtlich der Installationsumgebung finden Sie in unserer Auswahlhilfe: Auswahlhilfe für VCBs für den Innen- und Außenbereich
Die vollständigen Testanforderungen und Definitionen der Nutzungskategorien finden Sie in den von der Internationale Elektrotechnische Kommission.
Frage 1: Was entscheidet darüber, ob meine Anwendung Schütze der Nennleistung AC-3 oder AC-4 erfordert?
A1: Der entscheidende Faktor ist, ob der Motor seine volle Betriebsdrehzahl erreicht, bevor das Schütz öffnet. Wenn der Motor vor dem Anhalten immer vollständig beschleunigt, gilt AC-3. Wenn der Betrieb Jogging, Inching, Plugging oder ein Anhalten vor Erreichen der vollen Drehzahl umfasst, gelten für die Auswahl des Schützes die Anforderungen von AC-4.
Frage 2: Um wie viel verkürzt sich die Lebensdauer von Vakuumschützen durch den AC-4-Betrieb im Vergleich zum AC-3-Betrieb?
A2: Die elektrische Lebensdauer unter AC-4-Bedingungen sinkt bei identischen Schützgehäusen in der Regel auf 10–30% der AC-3-Lebensdauer, was in erster Linie auf die sechsfach höhere Unterbrechungsstromstärke und die damit verbundene Lichtbogenenergie bei jedem Schaltvorgang zurückzuführen ist.
Frage 3: Kann ich einen Sicherheitsfaktor auf einen für AC-3 ausgelegten Schütz anwenden, um gelegentlich AC-4-Betrieb durchzuführen?
A3: Gelegentliche AC-4-Betriebe erfordern eher gleichwertige Verschleißberechnungen als einfache Sicherheitsfaktoren. Multiplizieren Sie die Anzahl der AC-4-Zyklen mit 3–10 (gemäß Herstellerangaben) und addieren Sie diese zu den AC-3-Betrieben, um die tatsächliche Kontaktverschleißakkumulation zu schätzen.
Frage 4: Welche Kontaktmaterialien eignen sich am besten für den schweren AC-4-Einsatz in MV-Vakuumschützen?
A4: CuCr-Legierungen mit hohem Chromgehalt (50–75% Cr) und verfeinerter Mikrostruktur bieten eine hervorragende Beständigkeit gegen Lichtbogenerosion, während spiralförmige Kontaktgeometrien die Lichtbogenenergie über die Kontaktfläche verteilen und so den lokalen Verschleiß reduzieren.
Frage 5: Wie kann ich überprüfen, ob ein Vakuumschütz für meine angegebene Nutzungskategorie ordnungsgemäß ausgelegt ist?
A5: Fordern Sie Prüfzertifikate an, die sich auf die spezifische Verwendungskategorie und die aktuelle Nennleistung für Ihre Anwendung beziehen. Die Prüfung gemäß IEC 62271-106 sollte die Einschaltleistung, Ausschaltleistung und elektrische Lebensdauer in der angegebenen Kategorie nachweisen.
F6: Hat die Betriebsspannung Auswirkungen auf die Anforderungen der Gebrauchskategorie?
A6: Die Definitionen der Nutzungskategorien gelten einheitlich für alle Spannungsklassen, jedoch erhöhen höhere Systemspannungen die Belastung durch die Wiederherstellungsspannung während einer Unterbrechung, wodurch die richtige Auswahl der Kategorie für 7,2-kV- und 12-kV-Anwendungen noch wichtiger wird.
Frage 7: Welche Wartungsindikatoren deuten darauf hin, dass ein Schütz seine Nennbetriebskategorie überschritten hat?
A7: Erhöhte Kontaktwiderstandsmessungen, längere Lichtbogenzeiten während der Unterbrechung, sichtbare Kontakterosion über die Herstellergrenzen hinaus und eine verringerte dielektrische Festigkeit deuten alle auf eine akkumulierte Belastung hin, die möglicherweise die Auslegungsannahmen für die Nennkategorie überschreitet.
