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Die Schutzkoordination zwischen Sicherungen, Relais und Überlastvorrichtungen entscheidet darüber, ob ein Vakuumschütz Fehlerzustände überlebt oder ob es zu Kontaktverschweißungen, Lichtbogenschäden oder einem vollständigen Ausfall kommt. Das Koordinationsprinzip ist einfach: Jedes Schutzgerät muss innerhalb seines zugewiesenen Bereichs ansprechen, bevor die vorgelagerten Geräte reagieren, um Fehler am nächstgelegenen Schutzpunkt zu isolieren und gleichzeitig den Betrieb der nicht betroffenen Stromkreise aufrechtzuerhalten.
In über 200 industriellen Motorsteuerungszentralen haben wir festgestellt, dass eine unsachgemäße Koordinierung etwa 30% ungeplanter Produktionsausfälle verursacht - selbst wenn einzelne Geräte ihre Nenndaten erfüllen. Dieser Leitfaden bietet eine praktische Koordinierungsmethodik für Ingenieure, die Vakuumschütze entwerfen und in Betrieb nehmen.
Vakuumschütze eignen sich hervorragend zum wiederholten Schalten von Lasten unter normalen Betriebsbedingungen. Ein gut konzipiertes Gerät bewältigt je nach Lastkategorie 100.000 bis 1.000.000 mechanische Schaltungen. Aber diese Schaltfähigkeit hat harte Grenzen.
Das Ausschaltvermögen eines typischen Mittelspannungs Vakuumschütz für häufige Schaltvorgänge liegt zwischen dem 8-fachen und dem 10-fachen des Nennstroms für AC-3- (Motor läuft) oder AC-4-Betrieb (Motor starten/anstecken). Für ein 400-A-Schütz bedeutet dies einen maximalen Ausschaltstrom von etwa 3.200-4.000 A.
Vergleichen Sie diese Zahl mit dem voraussichtlichen Fehlerstrom an einem industriellen MV-Bus. Werte von 20-40 kA sind üblich. In einigen Anlagen werden 50 kA oder mehr gemessen.
Die Fehlanpassung ist schwerwiegend. Wenn der Fehlerstrom die Schaltleistung des Schützes übersteigt:
Die IEC 60947-4-1 definiert Nutzungskategorien genau deshalb, weil Schütze keine Fehlerunterbrechungsgeräte sind. Die Norm unterscheidet zwischen Einschaltvermögen (Schließen bei einem Fehler) und Ausschaltvermögen (Öffnen bei einem Fehler). Beide Leistungen bleiben in den meisten MS-Anwendungen weit unter den Fehlergrenzen des Systems.
Diese Lücke führt zu einer absoluten Anforderung: Die Reserveschutzvorrichtungen müssen Fehler unterbrechen, bevor das Schütz eine Unterbrechung über seinen Nennwert hinaus versucht.
Strombegrenzende Sicherungen dienen als erste Verteidigungslinie gegen mögliche Fehlerströme, die das Ausschaltvermögen des Vakuumschützes überschreiten. Die richtige Auswahl der Sicherung erfordert die Abstimmung der I²t-Durchlass-Charakteristik der Sicherung auf die thermische Belastbarkeit des Schützes.
Für die Absicherung von Vakuumschützen gelten drei Sicherungskategorien:
Typ gG/gL-Sicherungen bieten einen umfassenden Schutz, der sowohl Überlast- als auch Kurzschlussbedingungen abdeckt. Diese Allzwecksicherungen eignen sich für Anwendungen, bei denen moderate Fehlerbeseitigungszeiten akzeptabel sind.
Typ aM-Sicherungen sind für Motoren ausgelegte Geräte, die Einschaltstromstöße verkraften und gleichzeitig einen Kurzschlussschutz bieten. Sie schützen nicht vor Überlast - diese Funktion übernimmt ein separates Überlastrelais.
Typ aR-Sicherungen bieten eine halbleiterähnliche Schnellwirkung, die Fehler bei prospektiven Strömen über 20 kA innerhalb von 5 ms löscht. Bergbau- und Petrochemieanlagen bevorzugen diese Kombination für Motorabgänge, bei denen Fehlerstrombeiträge zu hohen prospektiven Werten führen.
Der Koordinierungsspielraum zwischen Sicherung und Schütz ergibt sich aus der Beziehung:
Sicherung I²tDurchlass ≤ Schütz I²twiderstehen
Für eine typische Hochspannungsschütz-Anwendung Bei einem Bemessungsstrom von 400 A sollte der maximal zulässige Sicherungswert I²t während der Fehlerbeseitigung den Widerstandswert des Schützes nicht überschreiten - in der Regel 40.000-50.000 A²s für Standard-Industriegeräte.
Tabelle: Sicherungs-Schütz-Koordinationsbeispiel
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Schütz-Nennstrom | 400 A |
| Systemspannung | 7,2 kV |
| Voraussichtlicher Fehlerstrom | 25 kA |
| Schütz I²t Widerstandsfähigkeit | 50.000 A²s |
| Ausgewählte Sicherungsleistung | 250 A HRC |
| Sicherung I²t @ 25 kA | 35.000 A²s |
| Status der Koordinierung | ✓ Geschützt |
Feldversuche im Bergbau haben gezeigt, dass die Sicherungswerte 125% der thermischen Nennleistung des Vakuumschützes nicht überschreiten sollten. Wenn die Löschzeit der Sicherung bei maximalem Fehlerstrom unter 10 ms sinkt, erfährt das Schütz während des Fehlerereignisses nur eine minimale Lichtbogenenergie, was die Lebensdauer der Kontakte im Vergleich zu schlecht koordinierten Systemen um 40-60% verlängert.
[Experteneinblick: Sicherungsauswahl in der Praxis]
- Wählen Sie Sicherungen mit I²t-Werten, die mindestens 20% unter den Nennwerten der Schütze liegen, um Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen.
- Überprüfen Sie die Leistung der Sicherung bei der tatsächlichen Umgebungstemperatur - I²t erhöht sich um 5-8% bei 40°C gegenüber 25°C Nennbedingungen
- Ersetzen Sie Sicherungen aus demselben Herstellerlos, um konsistente Koordinationseigenschaften zu erhalten.
- Dokumentieren Sie die Modell- und Chargennummern der Sicherungen in den Aufzeichnungen über die Koordinierungsstudie, damit Sie später darauf zurückgreifen können.
Schutzrelais bieten einstellbare Zeit-Strom-Kennlinien, die sowohl mit vorgeschalteten Sicherungen als auch mit nachgeschalteten thermischen Überlastungen koordiniert werden. Im Gegensatz zu Sicherungen können die Relais zurückgesetzt und ihre Einstellungen an veränderte Systembedingungen angepasst werden.
IDMT-Relais (Inverse Definite Minimum Time) folgen den IEC-Standardkurven - Standard Inverse (SI), Very Inverse (VI), Extremely Inverse (EI) und Long-Time Inverse (LTI). Die Relaisbetriebszeit nimmt mit steigendem Fehlerstrom ab und folgt dabei einer definierten mathematischen Beziehung.
Zeitgesteuerte Relais bieten feste Zeitverzögerungen unabhängig von der Stromstärke oberhalb des Abgriffs. Diese eignen sich für Anwendungen, die vorhersehbare Löschzeiten unabhängig von der Fehlerschwere erfordern.
Unverzögerte Relais arbeiten ohne absichtliche Verzögerung bei Fehlern hoher Größenordnung. Die Einstellung des Ansprechers liegt typischerweise zwischen dem 6-fachen und dem 12-fachen des Volllaststroms, um eine Auslösung beim Einschalten des Motors zu vermeiden.
Die gesamte Entstörzeit umfasst mehrere Komponenten:
Das Relais muss bei allen Fehlerstromstärken vor der thermischen Zerstörungsgrenze des Schützes auslösen. Gemäß IEC 60947-4-1 Koordinierungsanforderungen, Die Koordinierung des Typs 2 erfordert, dass das Schütz nach der Fehlerbeseitigung betriebsbereit bleibt, ohne dass es zu Kontaktverschweißungen oder dauerhaften Schäden kommt.
Koordinations-Workflow:
Ein häufiges Missverständnis: Überlastrelais schützen die laden (Motorwicklungen, Kondensatordielektrikum), nicht das Vakuumschütz selbst. Das Schütz muss weiterhin durch eine vorgeschaltete Sicherung oder einen Leistungsschalter gegen Fehlerströme geschützt werden, die sein Ausschaltvermögen überschreiten.
Thermische Überlastrelais verwenden Bimetallelemente, die bei anhaltendem Stromfluss ausschlagen. Auslöseklassen definieren die Reaktionszeit:
Elektronische Überlastrelais bieten programmierbare Auslösekurven, Phasenausfallerkennung, Erdschlussüberwachung und thermische Speicherfunktionen. Digitale Kommunikationsmöglichkeiten ermöglichen die Fernüberwachung und -einstellung.
Der gesamte Schutzstapel funktioniert wie folgt:
In geschlossenen Motorsteuerungszentralen, die bei 40°C Umgebungstemperatur arbeiten, müssen die Überlastwerte um 10-15% gegenüber den Werten auf dem Typenschild reduziert werden. Die zuverlässige Einschalt- und Ausschaltleistung des Vakuumschützes hängt direkt von einem angemessenen Überlastschutz ab, der anhaltende Überstrombedingungen verhindert, die den Kontaktabbrand beschleunigen.
[Experteneinblick: Inbetriebnahme von Überlastrelais]
- Überprüfen Sie die Polarität und das Verhältnis der Stromwandler, bevor Sie elektronische Überlastrelais einschalten.
- Testen Sie den Phasenausfallschutz, indem Sie eine Phase bei reduzierter Spannung während der Inbetriebnahme abschalten.
- Stellen Sie den Erdschlussabgriff auf 50-100 mA ein, um die Sicherheit des Personals in nassen Umgebungen zu gewährleisten.
- Dokumentieren Sie die Umgebungstemperatur bei der Inbetriebnahme - Thermorelais müssen neu kalibriert werden, wenn die Betriebstemperatur um mehr als 10°C abweicht.
Verschiedene Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Koordination. Einschaltstromstöße von Motoren, Transienten bei der Erregung von Kondensatoren und Magnetisierungsströme von Transformatoren erfordern jeweils spezifische Schutzstrategien.
Das Anlassen eines Motors erzeugt während der direkten Beschleunigung am Netz 5-15 Sekunden lang einen Einschaltstrom von 6-8× Volllastampere. Bei blockiertem Rotor bleibt dieses Stromniveau erhalten, bis der Schutz anspricht.
Die Herausforderung bei der Koordination: Der Schutz muss den normalen Einschaltstromstoß überstehen und gleichzeitig bei blockiertem Rotor oder Blockierbedingungen auslösen. Sicherungen vom Typ aM in Kombination mit thermischen Überlastungen der Klasse 20 bieten diese Unterscheidung für die meisten industriellen Motoranwendungen.
Kondensatorschaltung mit Vakuumschützen erzeugt schwere transiente Bedingungen. Einschaltstromspitzen können den 100-fachen Nennstrom bei einer Dauer von weniger als 1 ms überschreiten. Back-to-Back-Schaltungen - das Einschalten einer Kondensatorbatterie, während andere angeschlossen bleiben - führen zu noch höheren Spitzenwerten.
Das Wiedereinschalten während des Abschaltens birgt zusätzliche Gefahren. Wenn das Vakuumschütz nach dem anfänglichen Erlöschen des Lichtbogens wieder zündet, kann der daraus resultierende Spannungsübergang das Kondensatordielektrikum und die angeschlossenen Geräte beschädigen.
Koordinationsansatz: Strombegrenzungsdrosseln reduzieren die Höhe der Einschaltspitzen; flinke strombegrenzende Sicherungen löschen Fehler, bevor das Schütz beschädigt wird; Punkt-auf-Welle-Schaltregler minimieren die Schwere der Einschaltvorgänge.
Der Magnetisierungseinschaltstrom eines Transformators erreicht das 8-12-fache des Nennstroms mit asymmetrischer Wellenform. Der Anteil der zweiten Harmonischen im Einschaltstrom unterscheidet ihn vom Fehlerstrom - Schutzrelais mit Oberschwingungsbegrenzung verhindern Fehlauslösungen beim Einschalten.
Tabelle: Zusammenfassung der Anwendungskoordination
| Anwendung | Überlastsicherung | Kurzschlusseinrichtung | Zentrale Herausforderung |
|---|---|---|---|
| Motorstarter | Klasse 20 thermisch | aM-Sicherung | Inrush-Ride-Through |
| Kondensatorbank | In der Regel keine | Strombegrenzende Sicherung | Vorübergehende Spitze, Wiederanlauf |
| Trafoeinspeisung | IDMT-Relais | gG/gL-Sicherung | Einschaltmagnetisierung |
Koordinierungsprobleme in der realen Welt sind auf Konstruktionsfehler, falsche Einstellungen oder Systemänderungen zurückzuführen, die die ursprünglichen Koordinierungsstudien ungültig machen.
Überdimensionierte Sicherungen: Ingenieure wählen manchmal Sicherungen mit zu großen “Sicherheitsmargen” aus. Eine 400-A-Sicherung, die ein 200-A-Schütz schützt, löscht Fehler möglicherweise nicht schnell genug, um ein Verschweißen der Kontakte zu verhindern. Die Sicherung muss auf die tatsächliche Belastbarkeit des Schützes abgestimmt sein und darf nicht willkürlich überdimensioniert sein.
Die Zeitsteuerung des Relais stimmt nicht überein: Wenn die Relaisbetriebszeit die thermische Belastbarkeit des Schützes bei hohen Fehlerströmen überschreitet, wird das Schütz beschädigt, bevor das Relais auslöst. Dieser Fehlermodus wird nur bei tatsächlichen Fehlerereignissen sichtbar.
Unverzögertes Element löst bei Einschaltstrom aus: Das Anlassen eines Motors oder die Erregung eines Kondensators erzeugt kurze Stromspitzen, die die Einstellungen für den sofortigen Anzug des Relais überschreiten. Die Störungsauslösung unterbricht die Produktion, ohne dass ein tatsächlicher Fehler vorliegt.
Automatische Rückstellung bei Überlast: Überlastungen mit automatischer Rückstellung ermöglichen den wiederholten Neustart von überhitzten Motoren. Das Schütz arbeitet normal, während die Motorwicklungen bei jedem Wiedereinschaltzyklus thermisch geschädigt werden.
Keine Diskriminierungsstudie: Wenn mehrere Geräte während einer Störung gleichzeitig ausfallen, wird es schwierig, den tatsächlichen Fehlerpunkt zu lokalisieren. Die Wiederherstellungszeit in der Produktion erhöht sich drastisch.
Fallbeispiel:
Bei einem 7,2-kV-Vakuumschütz in einer Kondensatorbatterie eines Zementwerks kam es beim Öffnen zu einer Wiederzündung. Die Vorsicherung war korrekt für die geschraubte Fehlerbeseitigung ausgelegt, aber nicht für die transiente Erholungsspannung nach der Wiedereinschaltung. Ergebnis: Schütz zerstört, Sicherung intakt - genau das Gegenteil der beabsichtigten Koordination. Die Analyse nach dem Vorfall ergab, dass die alternative Hochspannungsschützserie mit verstärkter Rückschlagunterdrückung hätten das gleiche Ereignis überlebt.
Eine exakte Abstimmung erfordert präzise Gerätespezifikationen. XBRELE bietet vollständige technische Datenblätter für alle Vakuumschütz-Serien, einschließlich:
Bei kritischen Anwendungen im Bergbau, in der Petrochemie oder in Wasseraufbereitungsanlagen unterstützt XBRELE den technischen Support bei der Überprüfung der Koordination, der Auswahl der Schutzgeräte und der Anleitung zur Inbetriebnahme.
Kontakt mit der XBRELE Vakuumschütz-Fertigungsteam für Koordinierungsdatenblätter, Zeit-Strom-Kennlinien oder anwendungsspezifische technische Unterstützung.
F: Was passiert, wenn ich eine Sicherung wähle, deren Nennwert höher ist als die Temperaturbeständigkeit des Vakuumschützes?
A: Die Sicherung löscht Fehler möglicherweise nicht schnell genug, um ein Verschweißen der Kontakte zu verhindern - das Schütz wird beschädigt, während die überdimensionierte Sicherung intakt bleibt, was sowohl den Austausch des Schützes als auch eine Ursachenforschung erfordert.
F: Wie kann ich die Koordination zwischen Relais und Schütz bei der Inbetriebnahme überprüfen?
A: Injizieren Sie mit einem Prüfgerät Sekundärstrom in das Relais, messen Sie die tatsächlichen Auslösezeiten bei verschiedenen Stromstärken (typischerweise 3×, 5× und 10× Anzug) und vergleichen Sie die Ergebnisse mit der veröffentlichten thermischen Schadenskurve des Schützes.
F: Können thermische Überlastrelais Vakuumschütze vor Kurzschlüssen schützen?
A: Nichtthermische Überlastungen arbeiten für den Fehlerschutz zu langsam, da die Auslösezeiten eher in Sekunden als in Millisekunden gemessen werden. Sicherungen oder Leistungsschalter müssen einen Kurzschlussschutz bieten.
F: Welchen Koordinierungsspielraum sollte ich zwischen den Schutzeinrichtungen einhalten?
A: Die meisten industriellen Anwendungen erfordern einen Mindestabstand von 0,3 Sekunden zwischen den Zeit-Strom-Kurven bei maximalem Fehlerstrom, um einen selektiven Betrieb unter transienten Bedingungen zu gewährleisten und die Zeittoleranzen des Relais zu berücksichtigen.
F: Warum erfordern Anwendungen mit Kondensatorbatterien besondere Koordinierungsüberlegungen?
A: Die Erregung von Kondensatoren erzeugt transiente Ströme von mehr als dem 100-fachen des Nennstroms für eine Dauer von weniger als einer Millisekunde, und die Wiederzündung während der Abschaltung erzeugt Spannungstransienten, die von Standardschutzsystemen ohne strombegrenzende Drosseln und flinke Sicherungen nicht bewältigt werden können.
F: Wie oft sollten Schutzkoordinierungsstudien überprüft werden?
A: Koordinationsstudien müssen immer dann überprüft werden, wenn Systemänderungen auftreten - neue Lasten kommen hinzu, Transformatoren werden aufgerüstet, Fehlerpegel werden neu berechnet oder Schutzvorrichtungen werden ausgetauscht - und müssen auch ohne Systemänderungen alle 3 bis 5 Jahre überprüft werden.
F: Welche Unterlagen sollte ich für die Schutzkoordination aufbewahren?
A: Bewahren Sie Zeit-Strom-Koordinationsdiagramme mit allen Gerätekurven, Relaiseinstellblätter mit Anzugs- und Zeitwahlwerten, Sicherungsspezifikationsblätter mit I²t-Daten sowie Aufzeichnungen über die Umgebungstemperatur und die Systemfehlerpegel bei der Inbetriebnahme auf.
