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Mittelspannungsschütze schalten Strom bei 3,6 kV bis 15 kV, aber ihre Steuerstromkreise arbeiten mit viel niedrigeren Hilfsspannungen - in der Regel 24 V DC bis 230 V AC. Für Erstausrüster, die diese Geräte in Schalttafeln, Motorsteuerungszentralen und Kondensatorbatterien einbauen, entscheidet die Auslegung der Steuerstromkreise darüber, ob die Geräte jahrzehntelang zuverlässig arbeiten oder beim ersten Fehlerereignis ausfallen.
Dieser Leitfaden enthält praktische Schaltpläne für MV-Schütze aus der Perspektive der OEM-Integration. Jedes Beispiel befasst sich mit realen Konfigurationen, die in Industrie- und Versorgungsanwendungen anzutreffen sind, unter Berücksichtigung der Komponentenauswahl, der Verriegelungslogik und der praxiserprobten Verdrahtungspraktiken.
Jeder MV-Schütz-Steuerstromkreis baut auf denselben Grundelementen auf. Die Kenntnis ihrer Funktion und Nennwerte verhindert Spezifikationsfehler, die bei der Inbetriebnahme - oder schlimmer noch - während des Betriebs auftreten.
Schließspulen-Typen
Die Schließspule erregt einen elektromagnetischen Aktuator, der bewegliche Kontakte in die geschlossene Position bringt. Zwei Kategorien dominieren:
DC-Schließspulen (24, 48, 110 oder 220 V DC) eignen sich für Anwendungen in Umspannwerken, bei denen ein Batterie-Backup unerlässlich ist. Diese Spulen weisen einen hohen Einschaltstrom auf - das 8- bis 12-fache des versiegelten Haltestroms - und haben eine typische Ansprechzeit von 30 bis 60 ms vom Einschalten bis zum vollständigen Schließen.
AC-Schließspulen (110 oder 220 V AC) werden häufig in industriellen Motorsteuerungszentren eingesetzt. Die Spulenimpedanz mildert den Einschaltstromstoß, und die Anforderungen an die Stromversorgung sind einfacher, obwohl es keine inhärente Batterie-Backup-Fähigkeit gibt.
Die Vakuumschaltröhre benötigt eine Schließkraft von 150-300 N, um den richtigen Kontaktdruck zu erreichen. Die Steuerspulen müssen eine ausreichende elektromagnetische Anzugskraft aufweisen; eine unzureichende Schließkraft führt zu einem Kontaktprellen von mehr als 2 ms, was die Erosion beschleunigt und die Lebensdauer des Geräts verkürzt.
Öffnungsmechanismen
Federrücklaufkonstruktionen dominieren bei allgemeinen Anwendungen. Eine zusammengedrückte Feder öffnet das Schütz, wenn die Schließspule stromlos wird - eine separate Auslösespule ist nicht erforderlich. Spezielle Auslösespulen bieten eine schnellere, kraftvollere Öffnung für den kritischen Motorschutz, bei dem die Geschwindigkeit der Fehlerbeseitigung wichtig ist.
Hilfskontakte
Positionsrückmeldung und Steuerlogik hängen von Hilfskontakten ab, die den IEEE/IEC-Konventionen entsprechen:
Typische Nennwerte erreichen 5 A bei 250 V AC oder 30 V DC. Die meisten Anwendungen erfordern mindestens 2NO + 2NC; komplexe Schutzsysteme erfordern 4NO + 4NC oder mehr.
Externe Verriegelungseingänge
Die Steuerkreise müssen Signale von Türpositionsschaltern, vorgelagerten Unterbrecher-Hilfskontakten, Schutzrelaisausgängen (thermische Überlast, Verriegelung, Überstrom) und Temperatursensoren verarbeiten. Diese Eingänge verhindern unsichere Vorgänge, bevor sie auftreten.
Die Zuverlässigkeit der Steuerkreise hängt im Wesentlichen von der Konfiguration der Hilfsstromversorgung ab. Gleichstromversorgungen mit 110 V oder 220 V dominieren bei kritischen Anwendungen, da sie Verzögerungen bei der Einweggleichrichtung eliminieren und eine gleichbleibende Magnetkraft der Spule unabhängig von der Wellenform der Versorgung bieten.
Gemäß IEC 62271-106 muss der Steuerkreis einen zuverlässigen Betrieb gewährleisten, wenn die Hilfsspannung zwischen 85% und 110% des Nennwerts schwankt. Diese Toleranz gewährleistet gleichbleibende Anzugs- und Abfallcharakteristiken bei Spannungsschwankungen, die in schweren Industrieumgebungen üblich sind.
Der Stromverbrauch des Steuerkreises variiert erheblich zwischen Halte- und Anzugszustand. Der Anzugsstrom für typische 12 kV-Vakuumschützspulen liegt zwischen 3 A und 8 A bei Nennspannung, während der Haltestrom auf 0,5 A bis 1,5 A sinkt, nachdem der Anker sitzt. Diese Verringerung von 4:1 bis 8:1 ist darauf zurückzuführen, dass sich der Luftspalt des Magnetkreises nach dem Einschalten von etwa 15 mm auf < 0,5 mm verringert.
Redundante Stromversorgungen sind bei Vakuumschützen wichtig. Bei Architekturen mit nur einer Stromversorgung besteht die Gefahr, dass die Steuerung bei einem Ausfall der Hilfsenergie vollständig ausfällt. Konfigurationen mit zwei Stromversorgungen und automatischer Umschaltung sorgen für Betriebskontinuität - Feldbeobachtungen in petrochemischen Anlagen haben gezeigt, dass Systeme mit zwei Stromversorgungen ungeplante Ausfälle über einen Zeitraum von 24 Monaten um ca. 35% im Vergleich zu Installationen mit einer Stromversorgungseinheit reduziert haben.
Moderne Economizer-Schaltungen reduzieren den Haltestrom auf 15-25% des Anzugsstroms nach dem anfänglichen Schließen und minimieren so die Spulenerwärmung bei Anwendungen im Dauerbetrieb, z. B. beim Schalten von Kondensatorbatterien. Die Schwellenwerte für die Dropout-Spannung bleiben über 35% der Nennspannung gemäß IEC-Normen.
[Experteneinblick: Dimensionierung der Hilfsversorgung]
- Die Batteriebänke müssen ausreichend Momentanstrom für den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Schütze liefern, ohne dass die Spannung unter 85% zusammenbricht.
- Bemessung der DC-Bus-Kapazität für den ungünstigsten Fall: alle Schütze schließen innerhalb von 100 ms bei automatischen Umschaltvorgängen
- 20% Marge über dem berechneten maximalen Bedarf für alternde Batteriekapazität einbeziehen
- Kontinuierliche Überwachung der Zwischenkreisspannung; Alarm bei 90%, um Abhilfemaßnahmen zu ermöglichen, bevor die Schwelle für einen Ausfall erreicht ist
Die grundlegende Einschaltschaltung stellt das einfachste praktikable Steuerungsschema für MV-Vakuumschütze mit Gleichstrom-Schließspule und Federrücklauföffnung dar.
Schaltungstopologie
+110V DC ─── [F1: Sicherung 6A] ─── [S1: PB schließen] ──┬── [52b] ─── [CC: Schließspule] ─── -110V DC
│
[52a: Einschweißen]
Ein in Reihe geschalteter Öffner-Taster (S2) unterbricht bei Betätigung den Einschweißweg.
Reihenfolge der Bedienung
Sicherungsdimensionierung für Inrush
Die Auswahl der Steuersicherung muss dem Einschaltstromstoß der Spule Rechnung tragen. Für eine 110-V-Gleichstromspule mit 2 A versiegeltem Strom und 20 A Einschaltstrom bietet eine träge 6-A-Sicherung ausreichenden Schutz ohne störenden Betrieb. Flinke Sicherungen lösen bei jedem Einschaltversuch aus.
Motorsteuerungs- und Kondensatorschaltanwendungen erfordern die Integration mit externen Schutzrelais. Das Hinzufügen von Verriegelungs- und Thermorelaiskontakten zur Basisschaltung ermöglicht eine automatische Fehlerreaktion.
Schaltungsmodifikation
Öffnerkontakte der Serie erweitern den Steuerweg:
[Close PB] ─── [52b] ─── [86-NC: Lockout] ─── [49-NC: Thermal] ─── [CC]
Reihenfolge der Reisen
Wenn das Verriegelungsrelais (86) aufgrund einer schweren Störung anzieht, öffnet sein Öffnerkontakt sofort und unterbricht den Steuerstromkreis. Das Schütz öffnet durch Federrückzug. Vor jedem Wiedereinschaltversuch muss das Verriegelungsrelais manuell zurückgesetzt werden, um ein automatisches Wiedereinschalten auf einen gestörten Stromkreis zu verhindern.
Thermische Überlastrelais (49) funktionieren ähnlich, können aber für unkritische Anwendungen mit einer automatischen Rückstellfunktion ausgestattet sein. Der Öffnerkontakt öffnet sich bei Übertemperatur des Motors und löst das Schütz ohne Eingriff des Bedieners aus.
Überlegungen zur Feldzuverlässigkeit
Der Widerstand der Relaiskontakte nimmt in staubigen oder feuchten Umgebungen ab. Mit Gold überzogene Kontakte oder versiegelte Relaisgehäuse verbessern die langfristige Zuverlässigkeit. Die Wartungsintervalle sollten alle 12-24 Monate eine Kontaktinspektion und je nach Oberflächenbeschaffenheit eine Reinigung oder einen Austausch vorsehen.
Zum besseren Verständnis der Vakuum-Schaltschranktechnik die diese Schaltvorgänge ermöglichen, gelten die Grundsätze der Lichtbogenlöschung direkt für die Leistung der Schütze unter Fehlerbedingungen.
Die Erregung von Kondensatorbatterien führt zu schweren Einschaltströmen. Das Gegeneinanderschalten von Kondensatorbatterien kann Einschaltströme von mehr als dem 100-fachen des Nennstroms mit Frequenzen von mehreren kHz erzeugen. Eine zweistufige Einschaltfolge begrenzt diese Belastung.
Zwei-Schütz-Schema
Steuerlogik
K1-Steuerung: [Close PB] ─── [Permissive] ─── [K1-52b] ─── [K1 Closing Coil]
K2-Steuerung: [K1-52a] ─── [Timer T1: 50-100ms] ──── [K2 Schließspule]
Der Kontakt K1-52a im Steuerpfad von K2 sorgt für eine kritische Verriegelung: K2 kann erst dann schließen, wenn K1 vollständig geschlossen ist. Wenn K1 mitten im Hub ausfällt, bleibt K2 geöffnet und verhindert einen unkontrollierten Einschaltstrom.
Zeitliche Erwägungen
Die Genauigkeit des Zeitgebers wirkt sich direkt auf die Systemleistung aus. Eine zu kurze Verzögerung (unter 30 ms) ermöglicht einen übermäßigen Einschaltstromstoß, bevor die Widerstandseinfügung wirksam wird. Eine zu lange Verzögerung (über 150 ms) führt zu einer Überhitzung des Widerstands - diese Komponenten sind für den transienten Betrieb ausgelegt, nicht für Dauerstrom.
Die Dimensionierung der Widerstände hängt von den kVAR der Kondensatorbatterie, der Systemspannung und den Einschaltstrombegrenzungen des Versorgungsunternehmens oder der Anlage ab.
[Experteneinblick: Beobachtungen zum Kondensator-Schaltfeld]
- Ausfälle von Vorwiderständen führen oft zu Timer-Drift - überprüfen Sie die Zeitgenauigkeit bei der jährlichen Wartung
- Kontaktschweißen an K1 deutet auf Unterdimensionierung des Widerstands oder zu lang eingestellten Timer hin
- Überwachen Sie das Timing des Hilfskontakts K2 im Verhältnis zu K1; mechanischer Verschleiß erhöht die Sequenzverzögerung im Laufe der Jahre
- Ersetzen Sie die Vorschaltwiderstände proaktiv nach 50.000 Einsätzen oder 10 Jahren, je nachdem, was zuerst eintritt.
Wendestarter verwenden zwei Schütze - ein Vorwärts- (KF) und ein Rückwärtsschütz (KR) - mit vorgeschriebenen Verriegelungen, die ein gleichzeitiges Schließen verhindern. Ohne Verriegelung führt das Schließen beider Schütze zu einem Kurzschluss in den Motorwicklungen.
Elektrische Verriegelungslogik
Der Einschaltstromkreis eines jeden Schützes schließt den Öffner-Hilfsstromkreis des anderen Schützes ein:
KF-Steuerung: [Fwd PB] ─── [KF-52b] ─── [KR-52b] ─── [KF-Spule]
KR Steuerung: [Rev PB] ─── [KR-52b] ─── [KF-52b] ─── [KR Spule]
Wenn KF schließt, unterbricht sein Kontakt 52b (Öffner, der sich beim Schließen von KF öffnet) den Steuerstromkreis von KR. Der Rückwärtsschütz kann nicht erregen, während der Vorwärtsschütz geschlossen bleibt. Die Logik funktioniert in umgekehrter Richtung identisch.
Anforderungen an die mechanische Verriegelung
Physikalische Verriegelungsstangen bieten sekundären Schutz und werden von den Installationsvorschriften für Reversieranwendungen gefordert. Mechanische Verriegelungen arbeiten unabhängig von elektrischen Systemen - sie funktionieren auch bei Ausfall des Steuerkreises.
Häufige OEM-Fehler
Die Wahl der Steuerspannung wirkt sich auf die Systemarchitektur, die Backup-Fähigkeit und die Wartungsanforderungen aus. Keine der beiden Optionen ist generell besser als die andere - die Anwendungsspezifika bestimmen die bessere Wahl.
| Faktor | AC-Steuerung (110/220 V AC) | DC-Steuerung (24/110/220 V DC) |
|---|---|---|
| Haltekraft der Spule | Höhere Dauerleistung | Niedriger, keine reaktive Komponente |
| Batterie-Backup | Erfordert USV/Wechselrichter | Direkter Batterieanschluss |
| Kontaktbogen beim Brechen | Schwerer | Weniger schwerwiegend, leichteres Aussterben |
| Inrush-Verhalten | Mäßig, impedanzbegrenzt | Hoher Einschaltstrom, schnelles Abklingen |
| Typische Anwendungen | Industrielle Motorstarter | Umspannwerke, kritische Lasten |
Leitfaden zur Anwendung
Bei der Installation von Unterstationen wird die Gleichstromsteuerung bevorzugt, da die Stationsbatterien bei Ausfällen der Wechselstromversorgung ein direktes Backup bieten - ein entscheidender Faktor für die Fehlerbehebung bei Stromausfällen. Das Schütz muss sich unabhängig von der Verfügbarkeit der Hilfsstromversorgung öffnen, um Fehler zu isolieren.
Industrieanlagen bevorzugen aus Gründen der Einfachheit und der geringeren Installationskosten häufig eine AC-Steuerung. Motorsteuerungszentralen umfassen in der Regel AC-Hilfsbusse, und Batteriesysteme erhöhen die Komplexität, die viele Anlagen lieber vermeiden möchten.
Für kritische Prozesslasten in industriellen Umgebungen bietet die Gleichstromsteuerung mit dediziertem Batterie-Backup die Zuverlässigkeit der Umspannwerkspraxis ohne vollständige Umspannwerksinfrastruktur. Verstehen Nennwerte für Vakuum-Leistungsschalter hilft bei der Festlegung geeigneter Spannungs- und Stromparameter, die auch für die Auswahl der Schütze gelten.
Eine ordnungsgemäße Verdrahtung verhindert intermittierende Ausfälle und unerwünschte Auslösungen, die bei schlecht ausgeführten Installationen auftreten. Diese Spezifikationen spiegeln die praktischen Erfahrungen aus Hunderten von MV-Schützinstallationen wider.
Spezifikationen des Steuerkabels
Verwenden Sie für Gleichstrom-Steuerstromkreise bis zu 10 A mehrdrähtige Kupferleiter mit mindestens 1,5 mm² (16 AWG). Massive Leiter brechen bei Vibrationen und Temperaturschwankungen. Abgeschirmte Kabel sind erforderlich, wenn Steuerleitungen parallel zu Leistungsleitern verlaufen, die länger als 50 m sind - induziertes Rauschen verursacht einen fehlerhaften Betrieb.
Berechnen Sie den Spannungsabfall bei langen Steuerleitungen. Bei einer 100 m langen Strecke mit einem 1,5 mm²-Kabel, das 5 A trägt, fallen ca. 6 V bei Gleichstrom ab. Wenn dieser Spannungsabfall dazu führt, dass die Hilfsspannung während des Einschaltvorgangs unter 85% des Nennwerts sinkt, sind die Leiter zu dimensionieren oder die Länge der Strecke zu verringern.
Terminal- und Verbindungsqualität
Verwenden Sie gecrimpte Ringkabelschuhe mit kalibriertem Werkzeug - handgecrimpte Verbindungen versagen. Wenden Sie die vom Hersteller der Klemmenleiste angegebenen Drehmomente an, in der Regel 0,5-1,2 Nm für Standard-Steueranschlüsse. Lose Verbindungen führen zu Widerstandserwärmung und intermittierendem Kontakt.
Abtrennung und Weiterleitung
Halten Sie die räumliche Trennung zwischen Steuer- und Leistungskabeln gemäß den örtlichen Elektrovorschriften und den Anforderungen der IEC 61439-1 ein. Verlegen Sie die Steuerleitungen nicht in der Nähe von Hochstromsammelschienen, um elektromagnetische Störungen zu minimieren. Je nach Spannungsklasse und Gehäusekonstruktion sind Trennungsabstände von 150-300 mm üblich.
Überprüfung der Inbetriebnahme
Überprüfen Sie vor der Einschaltung die Durchgängigkeit aller Steuerpfade, messen Sie den Isolationswiderstand (mindestens 1 MΩ bei 500 V DC) und führen Sie Funktionstests für jede Steuersequenz durch. Dokumentieren Sie das Timing der Hilfskontakte - diese Grundlage ermöglicht eine spätere Fehlersuche.
Umweltaspekte bei der Konstruktion von Gehäusen entsprechen den Leitlinien der Auswahlhilfe für VCBs für den Innen- und Außenbereich, da ähnliche Schutz- und Klimafaktoren die Langlebigkeit von Steuerkreisen beeinflussen.
Die Integration von MV-Vakuumschützen in Schaltanlagen erfordert eine genaue Dokumentation und einen reaktionsschnellen technischen Support. XBRELE bietet OEMs umfassende Ressourcen für die Entwicklung von Steuerkreisen.
Der Schützbestellung liegt eine vorgefertigte Dokumentation der Steuerschaltung bei, einschließlich Schaltplänen, Anschlussbelegungen und Spezifikationen für Hilfskontakte. Standardkonfigurationen bieten 2NO + 2NC Hilfskontakte; 4NO + 4NC Optionen erfüllen komplexe Schutz- und Überwachungsanforderungen.
Die technische Unterstützung erstreckt sich auf kundenspezifische Verriegelungsschemata, SPS-Integrationsverdrahtung und SCADA-Kommunikationsprotokolle. Anwendungstechniker helfen bei der Koordination von Kondensatorschaltungen, Motorstartsequenzen und Wendestarterkonfigurationen.
Kontakt XBRELEs Hersteller von Vakuumschützen Team, um Schaltplanpakete anzufordern und spezifische Integrationsanforderungen für Ihr Schaltanlagenprojekt zu besprechen.
Externe Referenz: IEC 62271-106 - IEC 62271-106 Norm für AC-Schütze
Welche Steuerspannung ist Standard für MV-Vakuumschütze in Unterstationen?
110-V-Gleichstrom ist in Umspannwerken vorherrschend, da er direkt an die Batteriesysteme der Station angeschlossen ist und den Betrieb der Schütze bei Ausfällen der Wechselstromversorgung sicherstellt, was für die Fehlerisolierung entscheidend ist.
Wie bemesse ich die Sicherung des Steuerkreises für den Einschaltstromstoß der Spule?
Wählen Sie eine träge Sicherung, die für das 3-4-fache des Spulendichtstroms ausgelegt ist. Bei einer Spule mit einem Haltestrom von 2 A und einem Einschaltstrom von 16-20 A bietet eine träge Sicherung von 6 A in der Regel einen ausreichenden Spielraum ohne störendes Auslösen.
Warum kommt es bei meinem Kondensatorbatterieschütz zu Kontaktschweißungen?
Das Verschweißen von Kontakten deutet in der Regel auf eine zu frühe Überbrückung des Widerstands vor dem Einschalten (Timer zu kurz eingestellt) oder eine Unterdimensionierung des Widerstands hin. Überprüfen Sie die Genauigkeit des Zeitgebers und die thermische Kapazität des Widerstands anhand der tatsächlichen Einschaltstärke.
Können mechanische Verriegelungen allein einen Motorstarter mit Umkehrfunktion schützen?
Mechanische Verriegelungen bieten einen sekundären Schutz, sollten aber nie als alleinige Verriegelungsmethode dienen. Elektrische Verriegelungen über Hilfskontakte sprechen schneller an und bieten Redundanz gegen mechanische Verriegelung oder Verschleiß.
Was sind die Ursachen für einen intermittierenden Schützbetrieb, der schwer zu diagnostizieren ist?
Die meisten intermittierenden Ausfälle werden durch lockere Steuerklemmenanschlüsse und beschädigte Kontakte des Verriegelungsrelais verursacht. Durch Temperaturschwankungen lockern sich die Anschlüsse mit der Zeit; ziehen Sie alle Steuerklemmen bei der jährlichen Wartung nach.
Wie viele Hilfskontakte sollte ich für die SPS-Integration angeben?
Geben Sie mindestens 4NO + 4NC für SPS-integrierte Anwendungen an: 2 Kontakte für Statusrückmeldung (offen/geschlossen), 2 für Seal-In und lokale Anzeige und Reserven für zukünftige Schutzrelaiseingänge oder zusätzliche Überwachungspunkte.
Wie hoch ist die typische Lebensdauer von MV-Vakuumschütz-Steuerungskomponenten?
Hilfskontakte und Schließspulen erreichen unter normalen Bedingungen in der Regel 1-2 Millionen mechanische Betätigungen. Die elektrische Lebensdauer hängt vom geschalteten Strom ab; Kontakte, die in der Nähe des Nennstroms schalten, müssen möglicherweise nach 100.000-500.000 Betätigungen ersetzt werden.
