Shunt Trip vs. Unterspannungsauslöser: Auswahl, Verdrahtung, Fehlermodi in MV-Schalttafeln

Mittelspannungs-Leistungsschalter benötigen Hilfsvorrichtungen, um die Ausschaltung unter anormalen Bedingungen einzuleiten. Zwei Mechanismen dominieren: die Kurzschlussauslöserspule und die Unterspannungsauslöser (UVR). Beide lösen den Energiespeichermechanismus des Unterbrechers aus, arbeiten aber nach einer grundlegend anderen elektrischen Logik. Ein Arbeitsstromauslöser wird zum Auslösen erregt. Ein Unterspannungsauslöser wird stromlos und löst aus.

Diese umgekehrte Beziehung bestimmt die Topologie der Steuerkreise, das Ausfallverhalten, die Sicherheitsphilosophie und die Wartungsstrategie. Ingenieure, die diese Geräte als austauschbar behandeln, riskieren, Systeme zu spezifizieren, die im Normalbetrieb gefährlich ausfallen oder ungewollt auslösen.

Zentrale Betriebsprinzipien: Energize-to-Trip vs. De-Energize-to-Trip

Der grundlegende Unterschied liegt in der elektrischen Betriebslogik und dem Ausfallverhalten.

Shunt-Auslösespule: Auslösestrom

Eine Shunt-Auslösespule bleibt während des normalen Schalterbetriebs stromlos. Wenn die Steuerspannung - typischerweise 110 V DC oder 220 V AC in MS-Anwendungen - die Magnetspule erregt, löst die elektromagnetische Kraft die Halteklinke des Unterbrechers. Die Spule muss nur kurzzeitig erregt werden, typischerweise 50-100 ms, um die Auslösesequenz abzuschließen.

Die Inbetriebnahme in industriellen Umspannwerken dokumentiert Reaktionszeiten von 20-50 ms von der Spulenerregung bis zur Kontakttrennung. Nebenschlussspulen verbrauchen während des Betriebs 50-200 W, wobei der Einschaltstrom das 5-10-fache der Werte im stationären Zustand erreicht. Gemäß IEC 62271-100 müssen Hilfsstromkreise bei 85-110% der Nennsteuerspannung zuverlässig arbeiten.

Unterspannungsauslösung: De-Energize-to-Trip

Ein Unterspannungsauslöser funktioniert umgekehrt. Die Spule bleibt während des normalen Betriebs ständig unter Spannung und hält eine federbelastete mechanische Verriegelung in der zurückhaltenden Position. Wenn die Versorgungsspannung unter den Ansprechschwellenwert - in der Regel 35-70% der Nennspannung - fällt, überwindet die Feder den geschwächten elektromagnetischen Halt und löst den Schalter aus.

Tests zeigen, dass die UVR-Ausfallzeiten 15-40 ms nach dem Unterschreiten der Spannungsschwelle betragen. Der kontinuierliche Stromverbrauch liegt zwischen 5 und 15 W, wodurch ein ständiger Bedarf an Hilfsstrom entsteht, der durch Nebenschlussauslösungen vermieden wird.

Verstehen Funktionsweise von Vakuum-Leistungsschaltern stellt einen wichtigen Zusammenhang her, da beide Geräte über dieselbe Auslöseschnittstelle mit dem federbelasteten Betätigungsmechanismus des VCB verbunden sind.

Shunt Trip vs. Unterspannungsauslöser: Direkter Vergleich

Die meisten Auswahlentscheidungen beruhen auf der Unterscheidung der Fehlerneigung. Shunt-Auslöser versagen in Richtung Nichtbetrieb - der Schalter bleibt geschlossen, wenn er öffnen sollte. UVRs versagen in Richtung Betrieb - der Schalter öffnet, wenn kein tatsächlicher Fehler vorliegt. Keiner von beiden ist universell überlegen; die Anwendung bestimmt, welche Fehlerart akzeptabel ist.

Kriterien für die Auswahl: Gerät und Anwendung aufeinander abstimmen

Wann sollte ein Shunt Trip spezifiziert werden?

Shunt-Auslösespulen eignen sich für Anwendungen, bei denen:

• Fernauslösung möglich ohne ständigen Stromverbrauch erforderlich ist
• Mehrere Reisequellen in einem Gerät parallel geschaltet werden müssen (Schutzrelais, Feuermelder, Notfalltaster)
• Die Verfügbarkeit von Regelenergie ist unsicher und der Unterbrecher sollte geschlossen bleiben, wenn nicht ausdrücklich der Befehl zum Öffnen gegeben wird.
• Lästiges Auslösen muss vermieden werden-kurzzeitige Spannungseinbrüche sollten den Unterbrecher nicht auslösen

Typische Installationen sind Generatorschalter mit Rückleistungsschutz, Feuerlöschpumpenschalter mit Sprinkleranlagenverriegelung und Transformatoreinspeisungen mit plötzlichen Druckrelaiseingängen.

Wann sollte der Unterspannungsauslöser spezifiziert werden?

Unterspannungsauslöser eignen sich für Anwendungen, bei denen:

• Fail-Safe-Auslösung ist obligatorisch-Ausfall der Steuerspannung muss die Öffnung des Schalters gewährleisten
• Sicherheitsverriegelungen der Unterbrecher muss ausgelöst werden, wenn ein Serienkontakt geöffnet wird (Schlüsselschalter, Türverriegelungen, Sicherheits-SPS)
• Sperrung für Wartungsarbeiten sollte das Schließen des Schalters verhindern, wenn die Steuerkreise isoliert sind
• Kritischer Prozessschutz verlangt sofortige Abschaltung bei unkontrolliertem Stromausfall

Zu den typischen Installationen gehören Motorabgänge, die bei einem Ausfall der Steuerung sicher abgeschaltet werden müssen, Verbindungsschalter zwischen unabhängigen Sammelschienen und Trennschalter in besonders gefährdeten Bereichen.

[Experteneinblick: Auswahlphilosophie]

• Petrochemische Anlagen schreiben in der Regel UVR für Motorabgänge in klassifizierten Bereichen vor - ein Verlust der Steuerspannung muss die Abschaltung der Anlage gewährleisten
• Rechenzentren bevorzugen oft einen Shunt-Auslöser, um kaskadenartige Ausfälle durch Transienten in der Steuerspannung zu verhindern.
• Wenn beide Geräte auf demselben Leistungsschalter erscheinen, muss sichergestellt werden, dass die Steuerlogik ihre Interaktion berücksichtigt; die Angabe beider Geräte ohne klare funktionale Trennung führt zu Verwirrung bei der Wartung
• Stellen Sie immer sicher, dass die Steuerspannungsquelle unabhängig von dem zu schützenden Stromkreis ist.

Verdrahtungskonfigurationen für MV-Panel-Integration

Shunt-Auslöseschaltung

Ein einfacher Nebenschlussstromkreis besteht aus:

• Steuerspannungsquelle (AC oder DC, entsprechend der Spulenleistung)
• Auslösekontakt (normalerweise offen) vom Schutzrelais oder Handschalter
• Hilfskontakt (52a) in Serie zur Unterbrechung des Spulenstroms nach Abschluss der Auslösung
• Spulenschutz (RC Snubber für DC, MOV für AC)

[+DC] ──┬── [Schutzrelais NO] ── [52a Aux] ── [Shunt Coil] ── [-DC]
        │
        └── [Handauslösung PB NO] ─────────────────────┘

Der 52a-Hilfskontakt öffnet sich beim Auslösen des Unterbrechers und unterbricht den Strom durch die Spule. Ohne diesen Kontakt bleibt die Spule ständig unter Spannung, wenn der Auslösekontakt einrastet - was innerhalb von Sekunden zur thermischen Zerstörung führt.

Unterspannungsauslöseschaltung

Eine grundlegende UVR-Schaltung besteht aus:

• Steuerspannungsquelle (muss zuverlässig sein; ihr Ausfall führt zur Auslösung)
• Serienkontakte für absichtliche Auslösung (jeder sich öffnende Kontakt löst aus)
• Zeitverzögerungsrelais (optional) zum Überbrücken kurzer Spannungseinbrüche

[+DC] ── [Hauptsteuerschalter] ── [Sicherheitsverriegelung NC] ── [UVR-Spule] ── [-DC]

Jeder normalerweise geschlossene Kontakt in der Reihe stellt eine auslösende Bedingung dar. Durch das Öffnen eines beliebigen Kontakts fällt die Spannung am UVR ab und löst die Öffnung des Unterbrechers aus.

Kritische Designhinweise

DC- und AC-Spulen sind nicht austauschbar. Gleichstromspulen im Wechselstrombetrieb klappern aufgrund fehlender Abschattungsringe. AC-Spulen bei DC-Betrieb überhitzen, da ihnen die Impedanz zur Strombegrenzung fehlt. Vergewissern Sie sich immer, dass die Nennspannung der Spule genau dem Versorgungstyp entspricht.

Maßgebliche Anleitungen für die Prüfung von Hilfsgeräten finden Sie unter IEEE C37.09 für die Prüfung von Leistungsschaltern.

Fehlermöglichkeitsanalyse

Die Kenntnis der Fehlermodi ist sowohl für die Auswahl als auch für die Wartungsstrategie von Bedeutung.

Shunt Trip Fehlermodi

Netto-Ausfallquote: Shunt-Auslöser versagen in Richtung Nichtbetrieb. Der Unterbrecher bleibt geschlossen, wenn er öffnen sollte.

Unterspannungsauslöser Fehlermodi

Netto-Ausfallquote: Elektrische Ausfälle der UVR führen in der Regel zu Fehlauslösungen. Mechanische Fehler können eine Auslösung verhindern - ein seltener, aber gefährlicherer Zustand.

Ingenieure, die Komponenten von einem renommierten Unternehmen Hersteller von Vakuum-Leistungsschaltern sollte überprüfen, ob die Optionen für Zusatzgeräte den spezifischen Spannungswerten und mechanischen Schnittstellenanforderungen entsprechen.

[Experteneinblick: Beobachtungen von Feldversagen]

• Das Durchbrennen der Spule des Nebenschlussauslösers ist in den meisten Fällen auf fehlende oder defekte 52a-Hilfskontakte zurückzuführen - überprüfen Sie die Funktion der Hilfskontakte immer während der Inbetriebnahme.
• UVR-Störungsauslösungen sind oft auf die Dimensionierung von Steuertransformatoren zurückzuführen; ein kontinuierlicher UVR-Haltestrom kann einen Spannungsabfall unter die Dropout-Schwelle beim Motorstart auf demselben Steuerbus verursachen
• In Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit zeigen UVR-Federmechanismen nach 8-12 Jahren korrosionsbedingte Bindung; bei Installationen an der Küste ist eine häufigere Inspektion erforderlich
• Die Messung des Spulenwiderstands während der routinemäßigen Wartung ermöglicht eine frühzeitige Warnung vor einer Verschlechterung der Wicklung, bevor diese vollständig ausfällt.

Realitäten vor Ort: Wartung und Umweltfaktoren

Auswirkungen der Temperatur

Der Spulenwiderstand steigt mit der Temperatur und verringert die Haltekraft (UVR) oder die Auslösekraft (Nebenschlussauslösung). Bei höheren Umgebungstemperaturen steigt die UVR-Ausfallspannung an, was bei sommerlichen Spitzenwerten zu unerwünschten Auslösungen führen kann. Umgekehrt verdicken kalte Umgebungen die Schmiermittel auf den mechanischen Verbindungen, was die Reibung erhöht und möglicherweise die Auslösemechanismen blockiert.

Wartungsintervalle

Für Shunt-Auslösespulen:

• Funktionstest alle 1-3 Jahre (Signal einspeisen, Auslösung überprüfen)
• Messung des Spulenwiderstands zur Erkennung einer Verschlechterung der Wicklung
• Sichtprüfung der Anschlüsse und Hilfskontakte
• RC-Snubber oder MOV-Integrität prüfen

Für Unterspannungsauslöser:

• Funktionsprüfung erfordert vorübergehende Abschaltung des Steuerkreises
• Überprüfung der Anzugs- und Abfallspannung mit variabler Quelle
• Überprüfung des Federmechanismus auf Ermüdung oder Korrosion
• Überwachung der Stromquelle für die Spannungsstabilität

Die Instandhaltungsverfahren sollten in die umfassenderen Programme für Schaltanlagenkomponenten um eine systematische Abdeckung aller Zusatzgeräte zu gewährleisten.

Zu vermeidende Fehler in der Spezifikation

1. Die Angabe beider Geräte ohne Verständnis für die Interaktion. Eine doppelte Installation ist zwar mechanisch möglich, erfordert aber eine unabhängige Steuerlogik. Ihre Ausfallarten verstärken sich eher, als dass sie sich gegenseitig ergänzen.
2. Die Einschaltdauer der Nebenschluss-Spule wird ignoriert. Nebenschlussauslöser sind für den Momentanbetrieb ausgelegt. Steuerschaltungen, die das Auslösesignal ohne Unterbrechung verriegeln, zerstören die Spule. Sehen Sie immer einen 52a-Hilfskontakt oder einen elektronischen Impulsgeber vor.
3. Unterdimensionierung der Steuerleistung für den UVR-Haltestrom. Unterspannungsauslöser ziehen Dauerstrom. Wenn der Steuertransformator nur eine geringe Kapazität hat, kann der Spannungsabfall bei Lasttransienten zu einem unerwünschten Ausfall führen.
4. Nicht übereinstimmende AC- und DC-Spulentypen. AC-Spulen verfügen über Abschattungsringe, die ein Flattern verhindern. Gleichstromspulen haben diese Eigenschaft nicht und vibrieren bei Wechselstrom zerstörerisch.
5. Verzicht auf Spulenschutzvorrichtungen. Induktiver Rückschlag beim Abschalten beschädigt Steuerkontakte. RC-Dämpfer (DC) oder MOVs (AC) verlängern die Lebensdauer von Kontakten und Relais erheblich.

Partnerschaft mit XBRELE für zuverlässige MV-Schaltanlagenlösungen

XBRELE stellt Vakuum-Leistungsschalter und -Schaltgeräte mit vollständiger Kompatibilität der Hilfsgeräte her. Unser Ingenieurteam bietet:

• Überprüfung von Nebenschlussauslösern und UVR-Spezifikationen für Ihre Anwendungsanforderungen
• Überprüfung des Entwurfs von Steuerschaltungen zur Vermeidung häufiger Integrationsfehler
• Anpassung der Nennspannung und des Spulentyps in unserer VCB-Produktpalette
• Technische Dokumentation zur Unterstützung von Inbetriebnahme- und Wartungsprogrammen

Verstehen Vakuum-Schaltschranktechnik hilft dabei, die Integration von Hilfsauslösern mit primären Unterbrecherkomponenten in modernen MS-Schaltanlagen zu verstehen.

Kontaktieren Sie XBRELE noch heute um Unterstützung bei der Spezifikation zu erhalten oder um ein Angebot für Vakuum-Leistungsschalter mit entsprechend angepassten Hilfsauslösern anzufordern.

Häufig gestellte Fragen

F: Kann ich sowohl einen Arbeitsstromauslöser als auch einen Unterspannungsauslöser auf demselben Leistungsschalter installieren?
A: Die meisten MS-Schalter können beide Geräte mechanisch aufnehmen, aber die Steuerlogik wird komplex und erfordert eine sorgfältige Koordination, um widersprüchliche Auslösesignale oder Verwirrung bei der Wartung während der Prüfung zu vermeiden.

F: Was passiert, wenn ich eine für Gleichstrom ausgelegte Spule an einer Wechselstrom-Steuerspannung verwende?
A: Die Spule klappert ständig, da Gleichstromspulen keine Abschattungsringe haben, die bei Wechselstromspulen zur Aufrechterhaltung der Magnetkraft durch Nulldurchgangspunkte verwendet werden, was zu schnellem mechanischem Verschleiß und möglichen Schäden am Mechanismus führt.

F: Wie kann ich eine Nebenschlussauslöserspule testen, ohne dass der Schalter während des Betriebs ausgelöst wird?
A: Viele Hersteller bieten isolierte Prüfklemmen an, die eine Überprüfung der Spulenerregung durch Strommessung ermöglichen, ohne die mechanische Auslöseverriegelung zu betätigen - informieren Sie sich in der Dokumentation Ihres spezifischen Schalters über die Verfügbarkeit von Prüfanschlüssen.

F: Warum verursacht mein UVR störende Auslösungen während des Motorstarts an benachbarten Abgängen?
A: Der Steuertransformator hat wahrscheinlich einen Spannungsabfall unterhalb der UVR-Abfallschwelle während des Einschaltvorgangs des Motors; zu den Lösungen gehören eine spezielle Steuerversorgung, ein größerer Transformator oder das Hinzufügen eines Zeitverzögerungsrelais von 0,5-2 Sekunden.

F: Wie hoch ist die typische Lebensdauer von Hilfsauslösern in MS-Schaltanlagen?
A: Nebenschlussauslöserspulen erreichen unter normalen Betriebsbedingungen in der Regel eine Lebensdauer von 5.000 bis 10.000 Betätigungen oder 15 bis 20 Jahren, während UVR-Spulen aufgrund der ständigen Stromzufuhr und der damit verbundenen thermischen Beanspruchung möglicherweise schon früher ausgetauscht werden müssen.

F: Welches Gerät ist für Not-Aus-Anwendungen besser geeignet?
A: Der Nebenschlussauslöser wird im Allgemeinen für Not-Aus bevorzugt, da er zur Auslösung ein aktives Signal erfordert; UVR würde zu Fehlauslösungen führen, wenn die Not-Aus-Verkabelung beschädigt oder unterbrochen wird oder aus irgendeinem Grund die Stromversorgung ausfällt.

F: Sollte der Strom für die UVR-Steuerung von der gleichen Sammelschiene kommen, die der Leistungsschalter schützt?
A: Vermeiden Sie generell diese Topologie - wenn das UVR den Schalter auslöst, der seinen eigenen Steuertransformator speist, kommt es zu einem Verriegelungszustand, bei dem der Schalter ohne externe Stromwiederherstellung nicht wieder geschlossen werden kann.