Neues Schalterkonzept erfüllt grundlegende

Technikforum
Hochstromschalter
Neues Schalterkonzept erfüllt
grundlegende Anforderungen
Der Energiebedarf und die Anforderungen an Schaltgeräte haben sich seit den Anfängen der Elektrifizierung
mit Vorwiderstandssteuerung von DC-Motoren und
Passagierwagen mit Hochspannungsheizung und Gaslampen hin zu Hochgeschwindigkeitszügen mit Mobilfunk und WLAN stark verändert. An Hochstromschalter
für Schienenfahrzeuge werden zwei gegensätzliche
Anforderungen gestellt. Mit einem vollständig neuen
Schalterkonzept werden diese Anforderungen jetzt
erst erfüllt.
Elektrische Schienenfahrzeuge
erhalten ihre Energie schon
immer leitungsgebunden. Die
Energie der Kraftwerke wird
von sogenannten Unterwerken
in das Netz eingespeist und entweder über eine „dritte Schie-
ne“, unten neben den Gleisen,
oder über den Fahrdraht über
den Fahrzeugen zugeführt.
Elektrische Schienenfahrzeuge
benötigen, je nach Bauart, zwischen einigen hundert Kilowatt
(Straßenbahn) bis zu mehr als
10 Megawatt (Hochgeschwindigkeitszug). Da in jedem von
einer Unterstation gespeistem
Streckenabschnitt auch mehrere Fahrzeuge gleichzeitig
unterwegs sein können, müssen die Unterwerke je nach genormtem Versorgungssystem
(UIC550) und Streckenprofil
zwischen einigen Hundert und
bis zu mehreren Tausend Ampere je Fahrzeug einspeisen.
Jedes Fahrzeug verfügt über
einen Hauptschalter, der die
vom Fahrzeug benötigte Energie mit Lichtbogenbehandlung
ein- und ausschalten kann
und, im Falle eines Fehlers,
auch Kurzschlussströme sicher
trennt. Die Leistung wird in der
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Regel in drei unterschiedliche
Stromnetze, zwei für Traktion
und eines für Komfort (Licht,
Klimaanlage, Laptopsteckdosen usw.), verteilt, die in aller
Regel über Kondensatoren als
Energiespeicher verfügen.
Im Falle eines Kurzschlusses
können sowohl die Kondensatoren im Fahrzeug wie auch die
Unterstationen kurzzeitig extrem hohe Stoßströme abgeben.
Ein defekter Umrichter kann
den ganzen Streckenabschnitt
lahmlegen. Damit alle anderen
betriebsbereiten Anlagen in
diesem Abschnitt weiterhin
arbeiten können, muss die
defekte Anlage so schnell wie
möglich potentialtrennend
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vom Netz genommen werden.
Deshalb gibt es zwei völlig unterschiedliche Anforderungen
für Hochstromschalter in solchen Bahnapplikationen:
a.AC/DC Schnellschalter müssen im Falle eines Kurzschlusses das betroffene Fahrzeug vor Auslösen des Sicherungselementes im Unterwerk reversibel vom Netz
nehmen, um den Notbetrieb
zu ermöglichen .
b.Alle primärseitigen Schalter
als potentialtrennende Elemente des betroffenen Fahrzeugs müssen auch nach
Kurzschlüssen noch betriebsbereit sein, damit der
gestörte Anlagenteil potentialtrennend vom Netz
genommen werden kann,
um einen Notbetrieb aller
anderen Stromrichter zu ermöglichen.
Induktivitäten dienen der Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit. Neben hohen
Kosten, Gewicht und Platzbedarf dieser Bauelemente
verhindern auch schaltungstechnische Gründe den Einsatz
in bestimmten Applikationen.
Daher müssen AC/DC Schnellschalter (Typ a.) auch sehr hohe
Stromstöße ohne Beschädigung trennen können und alle
primärseitigen Schalter (Typ
b.) im geschlossenen Zustand
sehr hohe Stromstöße ohne
Beschädigung (Verschweißung)
überstehen können.
AC/DC Schnellschalter – zu
groß, zu schwer, zu teuer
AC/DC Schnellschalter mit den
geforderten Eigenschaften
werden von verschiedenen
Herstellern angeboten. Prinzip bedingt sind sie aber sehr
groß, schwer, und aufgrund
der Anforderungen an Sicherheit und Lebensdauer nicht
besonders preisgünstig. Daher
werden diese Schalter nur als
„Schnellschalter“ (= reversible Sicherung) eingesetzt, als
primärseitige Schalter (Typ b.)
kommen sie nicht in Frage. Hier
sind deutlich kostengünstigere,
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kleinere und leichtere Lösungen mit gleicher oder höherer
mechanischer und elektrischer
Lebensdauer gefragt.
Da im Fall eines Fehlers immer
der Schnellschalter ausgelöst
werden kann, ist eine Lichtbogenbehandlung nur in wenigen
Applikationen notwendig! Folgende Schalter bot der Markt
bislang an:
duktivität ohnehin eine Zeitkonstante und eine weiche
Reaktion für beste Ergebnisse
bei der Lebensdauer.
Vorteile:
▸▸ Abschaltungen auch unter
Last möglich
▸▸ Hohe mechanische Lebensdauer (>1.000.000 Schaltspiele)
▸▸ Sehr kurze Reaktionszeiten
Der für hohe thermische Dauerströme notwendige
Kontaktdruck wird in dem neuen Hochstromschalter nicht
mit Druckfedern, sondern durch Verschrauben der Kontakte
erzeugt
Schütze – elektromechanische
Schalter mit Lichtbogenbehandlung
Der Antrieb kann elektromechanisch (Spule) oder mit
einem Hubzylinder pneumatisch oder hydraulisch erfolgen. Für Hochspannungsapplikationen werden hydraulische Systeme aufgrund der
Isolationsproblematik nicht
verwendet. Pneumatische
Systeme (auch in Schnellschaltern gebräuchlich) werden aber zur Erhöhung der
Lebensdauer in der Reaktionszeit bedämpft. Spulen
haben aufgrund ihrer In-
▸▸ Hohe thermische Dauerströme möglich
Nachteile:
▸▸ Lichtbogenbehandlung bedeutet höhere Kosten, Gewichte und größeren Bauraumbedarf je Schalter (verglichen mit Geräten ohne
Lichtbogenbehandlung)
▸▸ Es werden nur mittelmäßige
dynamische Kurzschlussströme (10…25kA) vertragen.
Hochstromschalter mit Druckfederkontakten
Ihre Federn erzeugen den
notwendigen Kontaktdruck
zur Stromtragfähigkeit, je-
doch ohne Lichtbogenbehandlung. Diese Schalter
sind aufgrund der fehlenden
Lichtbogenbehandlung kostengünstig und erreichen die
gleichen mechanischen Lebensdauerwerte wie Schütze,
allerdings ohne elektrischen
Verschleiß, da stets lastfrei abgeschaltet wird. Der
Antrieb könnte mit Spulen
erfolgen, die in einer Schaltstellung permanent Energie
konsumieren würden. Es
haben sich allerdings Systeme mit elektromotorischen
Antrieben durchgesetzt, die
nur für Umschaltprozesse
selbst Energie konsumieren.
Dies können Direktantriebe
aber auch Nockenschaltwerke sein.
Vorteil:
▸▸ Kostengünstige Lösung
▸▸ Hohe mechanische Lebensdauer (>1.000.000 Schaltspiele)
▸▸ Geringeres Gewicht und üblicherweise weniger Bauraumbedarf als Schütze
▸▸ Hohe thermische Dauerströme möglich
Nachteil:
▸▸ Nur lastfreie Schalthandlungen möglich
▸▸ Nicht akzeptable Reaktionszeiten
▸▸ Es werden nur mittelmäßige
dynamische Kurzschlussströme (10…25kA) vertragen.
Hochstromschalter mit Messerkontakten
Ein Kontakt in Messerform
wird in mindestens einen Uförmigen Aufnahmekontakt
eingedrückt. Diese Schalter
sind aufgrund der fehlenden
Lichtbogenbehandlung kostengünstig, erreichen hohe
bis sehr hohe thermische
Dauerströme und vertragen
sehr hohe dynamische Kurzschlussströme. Der Antrieb
erfolgt in aller Regel handbetätigt oder elektromotorisch
und verbraucht Energie nur
für den Umschaltprozess
selbst. Dies können Direktantriebe, aber auch Nockenschaltwerke sein.
Ein vollständig neues Schalterprinzip
Die Schaltbau GmbH hat nun ein vollständig neues Schalterprinzip konstruiert:
Der für hohe thermische Dauerströme
notwendige Kontaktdruck wird nicht mit
Druckfedern, sondern durch Verschrauben
der Kontakte erzeugt. Damit ist die mechanische Resonanzfrequenz des Systems,
ähnlich wie bei Messerschaltern, deutlich
höher als bei Druckfedersystemen. Die
Kontaktierung selbst erfolgt jedoch mit
nur sehr geringer Reibung im weichen
Kontaktmaterial. Hier ist eine Selbstreinigungswirkung zur Aufrechterhaltung
der Übergangswiderstände über die
Lebensdauer erwünscht, ähnlich wie bei
Druckfederkontakten.
Damit wird erstmals ein kostengünstiges
System für hohe thermische Dauerströme
und sehr hohe dynamische Stromstöße
mit hoher mechanischer Lebensdauer
angeboten.
Neben der grundsätzlichen Lösung waren
noch einige elektrische und mechanische
Details zu erarbeiten, die erst die sichere
und zuverlässige Funktion ermöglichen.
Dies waren, um nur einige aufzuführen:
▸▸ Gleichmäßige Verteilung des Kontaktdrucks auf alle Kontaktierungsstellen
▸▸ Sichere Erfassung der ordnungsgemäßen Kontaktierung mit ausreichendem
Druck
▸▸ Selbsthemmung auch bei permanenter
Schwing-/Schockbeanspruchung zur
Aufrechterhaltung eines ausreichenden
Kontaktdrucks
Damit steht erstmals ein Hochstromschalter mit allen vom Markt geforderten Eigenschaften zur Verfügung. Da das technische
Konzept aufgrund mechanischer Toleranzen einen dezentralen Antrieb erfordert,
ergeben sich noch weitere Vorteile für
die Kunden: Die Schalter eines Systems
müssen nicht mehr an einem Ort zusammengefasst werden. Sie können vielmehr
an den Ort der Schalthandlung platziert
werden. Damit sind schwere, Bauraum
verzehrende und vom Materialpreis wie
Montageaufwand teure Hochstromkabel
oder Stromschienen nicht mehr oder in
stark verringertem Maße erforderlich und
tragen zur weiteren Kosten- und Gewichtsreduzierung bei.
Jede beliebige Einbaulage ist zulässig und
ermöglicht somit größte Flexibilität. Die
Ansteuerung kann kundenspezifisch als
digitale Variante, oder, zur Reduzierung der
Verkabelung, als serielle Kommunikation
ausgeführt werden. In jedem Fall bestimmt
der Einbauort im Fahrzeug die Funktion
(Schaltprogramm). Somit gibt es keine
speziellen Konfigurationsanforderungen
für einen korrektiven oder präventiven
Austausch im Rahmen einer Wartung – keine Chance für Fehlfunktionen. Die aktuell
nur mit zwei Schaltern (Druckfeder und
Messerschalter)zu erreichende Verfügbarkeit ist nun mit einem Schalter erreichbar!
Informationen: Schaltbau GmbH, München, Tel. 089/93005-0, [email protected], www.schaltbau-gmbh.de
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Vorteil:
▸▸ Kostengünstige Lösung
▸▸ Geringeres Gewicht und üblicherweise
weniger Bauraumbedarf als Schütze
▸▸ Hohe thermische Dauerströme möglich
▸▸ Sehr hohe dynamische Kurzschlussströme (teilweise > 100kA) möglich
Nachteil:
▸▸ Nur lastfreie Schalthandlungen möglich
▸▸ Geringe mechanische Lebensdauer
(< 10.000 Schaltspiele) durch starke
Reibung im weichen Kontaktmaterial bei
jeder Schalthandlung
▸▸ Nicht akzeptable Reaktionszeiten
Die Liste der Vor- und Nachteile der verschiedenen Schalter lässt zwei logische
Schlussfolgerungen zu:
•Für bestimmte Applikationen werden
elektromechanische Schalter mit Lichtbogenbehandlung in besonderen Situationen benötigt, die aber in anderen Betriebszuständen sehr hohe dynamische
Kurzschlussströme überstehen müssen.
Zudem sind Schütze einzusetzen, die
nach Beendigung ihrer Aufgabe mit
Hochstromschaltern überbrückt und
dann abgeschaltet werden.
Beispiel Vorladung: Hat die Kondensatorbatterie beim Einschalten einen
Kurzschluss, muss sofort mit Lichtbogenbehandlung getrennt werden können.
Tritt im Betrieb ein Kurzschluss in der
Anlage auf, entladen die Kondensatoren
ihre Energie als sehr hohen dynamischen
Stromstoß. Stand der Technik ist, dass
Vorladeschütze mit Hochstromschaltern, nicht mit Hauptschützen überbrückt werden!
•Zweitens benötigen viele Applikationen
Hochstromschalter, die sowohl sehr
hohe dynamische Kurzschlussströme
vertragen als auch eine hohe mechanische Lebensdauer aufweisen.
Bislang waren alle angebotenen Lösungen
entweder technisch unzulänglich (Druckfederkontakte mit zu geringer Stoßstromtragfähigkeit, Messerschalter mit zu geringer Lebensdauer) oder unwirtschaftlich
(Schnellschalter sind zu groß und zu teuer).

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