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Ein 6,6-kV-Brecher-Motorabgang wurde wegen Überstroms ausgelöst. Das Schutzsystem funktionierte - zum Teil. Eine HH-Sicherung löste einen Phase-Erde-Fehler in weniger als 15 Millisekunden aus. Die beiden anderen Sicherungen blieben intakt. Ebenso wie das Schütz.
Was dann folgte, war für jeden vorhersehbar, der sich mit einphasigen Ausfällen befasst hat: Der Motor lief auf zwei Phasen weiter und zog 175% Nennstrom durch eine unsymmetrische Wicklungskonfiguration. Gegenläufige Ströme erwärmten den Rotorkäfig ungleichmäßig. Innerhalb von vier Minuten löste der Wärmeschutz des Motors schließlich aus - aber erst, nachdem Isolationsschäden die verbleibende Lebensdauer des Stators um schätzungsweise 40% verkürzt hatten.
Bei der Analyse nach dem Vorfall wurden zwei Fehler festgestellt. Der Schlagbolzen der ausgelösten Sicherung war korrekt ausgefahren, aber Korrosion im Drehpunkt des Verriegelungsgestänges verhinderte, dass sich der Auslösestab vollständig drehen konnte. Die Schützverriegelung löste nie aus. Außerdem hatte die während der Inbetriebnahme durchgeführte Koordinierungsstudie nie die mechanische Funktion von Auslöser und Verriegelung überprüft, sondern nur die elektrischen Schutzkurven.
Sicherungs-Schütz-Schaltgeräte sind nach wie vor eines der wirtschaftlichsten Schutzsysteme für Motorabgänge im Mittelspannungsbereich. Die Kombination macht sich zunutze, was jedes Gerät am besten kann: Die HH-Sicherung bietet strombegrenzende Fehlerunterbrechung; der Vakuumschütz bearbeitet Tausende von Lastschaltungen ohne Kontaktverschlechterung. Zwischen ihnen bilden der Schlagbolzen und der Verriegelungsmechanismus eine wichtige, aber oft übersehene Verbindung.
In diesem Artikel wird diese Verbindung im Detail untersucht, wie die Auslösemechanismen von Stürmern funktionieren, welche Möglichkeiten der Verriegelung es gibt und welche Koordinationsfallen eine gute Schutzphilosophie in ein Versagen im Feld verwandeln können.
F-C-Schaltanlagen kombinieren Sicherungen mit hohem Ausschaltvermögen (HH) mit Vakuumschützen zum Schutz von Mittelspannungsmotoren und Transformatorstromkreisen. Die Sicherung übernimmt die Kurzschlussunterbrechung durch Strombegrenzung; das Schütz übernimmt die normalen Schaltaufgaben und sorgt für die dreiphasige Trennung nach dem Auslösen einer Sicherung.
Diese Aufteilung der Schutzaufgaben bestimmt die Effizienz der Anordnung. Vakuumschütze in F-C-Kombinationen unterbrechen typischerweise 2-8 kA, während die zugehörigen HH-Sicherungen Fehlerströme von 50 kA oder mehr unterbrechen. Das Schütz wird nie direkt mit dem Fehlerstrom beaufschlagt - die Sicherung löscht den Fehler zuerst, und das Schütz öffnet in einen stromlosen Stromkreis.
Die Koordinierungsanforderung ist einfach: Wenn ein Fehler eine oder mehrere Sicherungen auslöst, muss das Schütz alle drei Phasen öffnen, um eine Einphasigkeit zu verhindern. Ein Motor, der auf zwei Phasen läuft, nimmt Gegenstrom auf, der die Rotorstäbe ungleichmäßig erwärmt. Unter Volllastbedingungen kann eine Beschädigung der Wicklung innerhalb von 2-5 Sekunden eintreten.
IEC 62271-106 regelt Wechselstromschütze über 1 kV und legt die Anforderungen an die Bauartprüfung für die Kurzschlussfestigkeit fest. IEC 60282-1 behandelt die Auslegung und Leistung von Hochspannungssicherungen. [NORM VERIFIZIEREN: IEC 62271-105 kann speziell für Sicherungs-Schütz-Schalter-Kombinationen gelten.]
Der Schlagbolzen ist ein federbelasteter Stößel, der sich in der Endkappe der HRC-Sicherungspatrone befindet. Seine Funktion ist rein mechanisch: Er übersetzt die Betätigung der Sicherung in eine physische Verschiebung, die das Verriegelungssystem auslöst.
Der kritische Zeitpunkt: Die Verlängerung des Streiks erfolgt nach die Sicherung hat den Fehler unterbrochen. Das Schütz öffnet in einen Stromkreis, den die Sicherung bereits abgeschaltet hat. Diese Sequenzierung ist keine Einschränkung, sondern ein grundlegendes Konstruktionsprinzip. Die Sicherung übernimmt die Hauptarbeit; das Schütz sorgt für eine sichtbare Isolierung und verhindert die Einphasigkeit.
Der interne Gasdruck während des Erlöschens des Lichtbogens erreicht in der Regel 2 bis 4 bar und sorgt für die Kraft, die die Verriegelung des Schlagbolzens löst. Dieser druckgesteuerte Mechanismus bedeutet, dass die Betätigung des Schlagbolzens vom tatsächlichen Schmelzen des Sicherungselements abhängt - eine degradierte oder vorgeschädigte Sicherung erzeugt möglicherweise keinen ausreichenden Druck für eine zuverlässige Betätigung des Schlagbolzens.
- Prüfen Sie die Funktion des Schlagbolzens jährlich mit dem manuellen Auslösewerkzeug des Herstellers - verlassen Sie sich nicht nur auf eine Sichtprüfung.
- Messen Sie den Ausfahrweg des Schlagbolzens; ein geringer Ausfahrweg (< 6 mm) deutet auf eine Ermüdung der Feder oder eine innere Verschmutzung hin.
- In küstennahen oder feuchten Installationen ist das Gehäuse des Schlagbolzens alle 6 Monate auf Korrosion zu untersuchen.
- Aufzeichnung der Grundlinie der Betätigungskraft während der Inbetriebnahme zum Vergleich der Trends
Drei Verriegelungsarchitekturen dominieren die Konstruktion von F-C-Schaltanlagen. Die Auswahl hängt von der Kritikalität der Anwendung, der Wartungsfähigkeit und den Überwachungsanforderungen ab.
Ein Hebelarm verbindet alle drei Auslösestifte mit einer gemeinsamen Auslösestange. Wenn eine einzelne Sicherung auslöst, dreht die Verlängerung des Schlagbolzens die Auslösestange, die den Haltemechanismus des Schützes mechanisch entriegelt.
Vorteile: Keine Hilfsenergie erforderlich. Reaktionszeit unter 50 ms vom Ausfahren des Türöffners bis zum Auslösen des Schützes. Ausfallsicher gegen Ausfälle des Steuerkreises.
Einschränkungen: Erfordert eine präzise Ausrichtung bei der Montage. Die Abnutzung des Gestänges führt mit der Zeit zu Spiel, was die Auslösung verzögern kann. Der nachträgliche Einbau in bestehende Schalttafeln ist mechanisch kompliziert.
Jeder Schlagbolzen betätigt einen Mikroschalter. Die Schaltkontakte verdrahten in Reihe über alle drei Phasen. Jede einzelne Sicherung öffnet die Reihenschaltung, wodurch die Haltespule des Schützes abgeschaltet oder ein Arbeitsstromauslöser aktiviert wird.
Vorteile: Leichtere Installation in modularen Schaltanlagen. Bietet die Möglichkeit der Fernanzeige für die SCADA-Integration. Geringere mechanische Komplexität pro Sicherungsposition.
Einschränkungen: Abhängig von der Verfügbarkeit der Steuerspannung. Die Zuverlässigkeit von Mikroschaltern wird zu einem zusätzlichen Fehlerpunkt. Kontaktprellen oder Verschweißen bei energiereichen Ereignissen möglich.
Einige Hersteller kombinieren die mechanische Entriegelung mit einer elektrischen Signalisierung. Die mechanische Auslösung bietet primären Schutz, während das elektrische Signal die Anzeige, die Verriegelungslogik und die Ereignisaufzeichnung versorgt.
Bei Anwendungen mit Motorabgängen, für die SIL-Anforderungen (Safety Integrity Level) gelten, übernimmt in der Regel die mechanische Verriegelung die Sicherheitsfunktion, während die elektrische Signalisierung die Überwachung und Diagnose übernimmt.
| Parameter | Mechanisches Gestänge | Hilfsschalter | Hybride |
|---|---|---|---|
| Reaktionszeit | < 50 ms | 50-100 ms | < 50 ms (primär) |
| Erforderliche Steuerleistung | Nein | Ja | Teilweise |
| SCADA-Integration | Begrenzt | Vollständig | Vollständig |
| Komplexität der Wartung | Mäßig (Ausrichtungsprüfung) | Niedrig | Mäßig |
| Sichtbarkeit von Fehlermodi | Hoch (Stau sichtbar) | Niedrig (Kontakt verborgen) | Gemischt |
| Typische Anwendung | Bergbau, Schwerindustrie | Kommerzielle, OEM-Panels | Kritischer Prozess, SIL-bewertet |
Hinweise zur Auswahl: Mechanische Verriegelungen eignen sich für Anwendungen, die einen ausfallsicheren Betrieb ohne Abhängigkeit von Hilfssystemen erfordern. Hilfsschalterverriegelungen eignen sich für Installationen, bei denen Fernüberwachung und standardisierte Schalttafelkonstruktionen im Vordergrund stehen. Hybridkonfigurationen erfüllen beide Anforderungen, erhöhen aber die Komplexität.
Erfahrungen aus dem Bergbau, der Petrochemie und der Industrie zeigen, dass es immer wieder zu Fehlern kommt. Diese Fallstricke haben einen gemeinsamen Nenner: Annahmen, die während der Konstruktion oder Inbetriebnahme gemacht wurden und nicht überprüft werden, bis ein tatsächlicher Fehler die Lücke aufdeckt.
Die Auswahl einer Sicherung mit dem 1,5-fachen des Motorvolllaststroms ohne Prüfung des Anlaufprofils führt zu unerwünschten Schaltvorgängen bei längerer Beschleunigung. Lasten mit hoher Trägheit - Kugelmühlen, Brecher, Kreiselpumpen mit Rückschlagventilen - können 15-30 Sekunden lang das 6-fache des Volllaststroms aufnehmen.
Beispiel aus der Praxis: Ein 500-kW-Mühlenantrieb mit 20 Sekunden Anlaufzeit ließ wiederholt Sicherungen durchbrennen, bis die Nennleistung von 100 A auf 125 A erhöht wurde. Die ursprüngliche Auswahl erfolgte nach einem generischen Multiplikator, ohne dass die Anlaufkurve des Motors gegen die Mindestschmelzzeit der Sicherungen geprüft wurde.
Prävention: Überlagern Sie die Kurve für die thermische Belastbarkeit des Motors, die Zeitbegrenzung für den blockierten Rotor und die Kurve für das minimale Schmelzen der Sicherung in einem gemeinsamen Zeit-Strom-Diagramm. Die Sicherungskurve muss an allen Punkten rechts von der Einschaltkurve des Motors liegen.
Die Durchlassenergie der Sicherung während der Fehlerbeseitigung muss unter der Nennstromfestigkeit des Schützes bleiben. Ein Schütz, das für 2.000 A² ausgelegt ist, kann eine Sicherung, die 5.000 A² zulässt, bei einem voraussichtlichen Fehler von 40 kA nicht überleben.
Überprüfungsmethode: Ermitteln Sie die I²t-Kennlinie des Sicherungsherstellers (Spitzendurchlass im Vergleich zum voraussichtlichen Fehlerstrom) und vergleichen Sie sie mit der angegebenen Kurzschlussfestigkeit des Schützes aus dem Typenprüfbericht gemäß IEC 62271-106.
Wenn nur eine Sicherung auslöst - was bei Phase-Erde-Fehlern in widerstandsgeerdeten oder ungeerdeten Systemen üblich ist - läuft der Motor auf zwei Phasen weiter. Gegenläufige Ströme verursachen eine schnelle, ungleichmäßige Rotorerwärmung.
Minderungsstrategien:
Die Schlagbolzen klemmen aufgrund von Korrosion in feuchten oder küstennahen Umgebungen, Verunreinigungen durch Staub oder Öldampf, Herstellungsfehlern im Federmechanismus oder einer falsch ausgerichteten Sicherungspatrone.
Beobachtung vor Ort: Auf einer Offshore-Plattform zeigten 3 von 12 F-C-Einheiten Schlagbolzen, die sich bei Routinetests mit einem manuellen Auslösewerkzeug nicht ausfahren ließen. Das Eindringen von Salznebel über 18 Monate hatte die internen Federführungen korrodiert. Die Sicherungen schienen visuell intakt zu sein.
Übermäßiges Spiel aufgrund von Verschleiß oder unsachgemäßer Montage ermöglicht das Ausfahren des Schlagbolzens ohne volle Drehung der Auslösestange. Die Schützverriegelung löst nicht aus. Die Einphasigkeit hält an, bis der thermische Schutz oder der Bediener eingreift.
Prävention: Überprüfen Sie die Ausrichtung des Gestänges bei der Inbetriebnahme. Messen Sie die Winkelverschiebung der Auslösestange anhand der Herstellerangaben - in der Regel 12-18 Grad Mindestdrehung für eine zuverlässige Auslösung der Verriegelung.
- Verlassen Sie sich niemals auf allgemeine Koordinationskurven aus Handbüchern; besorgen Sie sich herstellerspezifische Daten sowohl für die Sicherung als auch für das Schütz
- Führen Sie an jeder F-C-Einheit vor der Einschaltung einen Test zur Betätigung des Schlagbolzens durch - nicht nur an einer Probe.
- Dokumentieren Sie den voraussichtlichen Fehlerstrom am Installationspunkt; die Koordinierung gilt nur auf dieser Ebene.
- Fotografieren Sie die Ausrichtung des Gestänges und zeichnen Sie die Messungen für einen späteren Vergleich bei der Wartung auf.
Bevor Sie eine F-C-Schaltanlage unter Spannung setzen, führen Sie diese Prüfschritte durch:
F-C-Kombinationen eignen sich für Motorabgänge bis ca. 800 kW bei 6,6 kV oder 400 kW bei 3,3 kV - Anwendungen mit seltenen Schaltvorgängen und vorhersehbarem Lastverhalten. Problematisch wird die Anordnung, wenn:
Für diese Anwendungen, Vakuum-Leistungsschalter mit elektronischen Schutzrelais bieten mehr Flexibilität. Wenn man weiß, wo F-C-Schaltgeräte passen und wo nicht, lassen sich Spezifikationsfehler vermeiden, die nur unter abnormalen Betriebsbedingungen auftreten.
XBRELE Vakuumschütze sind für die Anforderungen der F-C-Koordination ausgelegt. Jedes Gerät wird mit dokumentierten I²t-Werten ausgeliefert, die durch Typprüfungen nach IEC 62271-106 verifiziert wurden und einen direkten Vergleich mit den Durchlasswerten von Sicherungen ermöglichen.
Die Montagevorrichtungen ermöglichen sowohl mechanische Gestänge- als auch Hilfsschalterverriegelungskonfigurationen. Für Umweltüberlegungen einschließlich Anlagen in Küstennähe oder in kontaminierter Atmosphäre, schützen verbesserte Dichtungsoptionen die Schnittstellen von Stürmern.
Das technische Team von XBRELE unterstützt Koordinierungsstudien für Motorabzweigprojekte und stellt Daten zur Sicherungskompatibilität, I²t-Kurven und Spezifikationen für die Verfahrwege der Stürmer zur Verfügung. Wenden Sie sich an uns, um Koordinationsdatenblätter anzufordern oder eine technische Beratung für Ihr nächstes Motor Control Center Design zu vereinbaren.
A: Korrosion durch Feuchtigkeit oder Salznebel, Verschmutzung durch Staub oder Öldampf in der Luft und interne Federermüdung sind die Hauptursachen.
A: Vakuumschütze sind für das Schalten von Lasten ausgelegt, nicht für die Unterbrechung von Fehlern - wenn die Sicherung den Fehler nicht löscht, wird das Schütz wahrscheinlich katastrophal ausfallen, wenn es versucht, den Strom über sein Ausschaltvermögen hinaus zu unterbrechen.
A: Für die meisten industriellen Anwendungen ist eine jährliche Funktionsprüfung üblich; bei Installationen in korrosiven Umgebungen oder mit hoher Schalthäufigkeit kann eine Prüfung alle 6 Monate erforderlich sein.
A: Wenn der Durchlasswiderstand I²t der Sicherung größer ist als der des Schützes, kann die Fehlerenergie die Schützkontakte verschweißen oder den Vakuumschalter beschädigen, so dass der Stromkreis nach dem Auslösen der Sicherung nicht getrennt werden kann.
A: Der Schlagbolzen kann vollständig ausfahren, aber Verschleiß des Gestänges, Fehlausrichtung oder Verklemmung können verhindern, dass sich die Auslösestange ausreichend dreht, um die Schützverriegelung auszulösen - eine mechanische Überprüfung während der Inbetriebnahme verhindert diese Fehlerart.
A: Mechanische Verbindungen bieten einen ausfallsicheren Betrieb unabhängig von der Verfügbarkeit der Steuerspannung; hybride Systeme, die eine mechanische Auslösung mit elektrischer Überwachung kombinieren, werden zunehmend für SIL-bewertete Motorabgänge spezifiziert.
A: F-C eignet sich für seltene Schaltvorgänge mit vorhersehbaren Lasten unter 800 kW bei 6,6 kV; Anwendungen, die einen häufigen Betrieb, eine automatische Wiedereinschaltung oder eine Optimierung des Lichtbogens erfordern, bevorzugen im Allgemeinen Vakuum-Leistungsschalter mit einstellbarem elektronischem Schutz.
