7,2-kV-, 6300-A- und 63-kA-Schaltanlagen: Warum ist der Bau so schwierig?

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Dieser Artikel richtet sich an Leser, die eine tiefergehende technische Erklärung zu Hochstrom-Mittelspannungsschaltanlagen suchen.
Niveau: Fortgeschritten

Dieser Artikel geht davon aus, dass 7,2 kV die Bemessungsspannung der Schaltanlage ist. Wenn 7,2 kV die tatsächliche Nennspannung des Systems ist, müssen die erforderliche Gerätespannungsklasse und das Isolationsniveau separat bestätigt werden.

Eine Bemessungsspannung von 7,2 kV ist nicht ungewöhnlich.

Ein Bemessungsstrom von 6.300 A ist technisch machbar.

Ein Kurzschlussstrom von 63 kA ist ebenfalls erreichbar.

Die Kombination aller drei Werte in einem einzigen Schaltanlagensystem stellt jedoch ein außergewöhnlich schwieriges technisches Problem dar.

Der Grund liegt nicht einfach darin, dass die Zahlen groß sind. Die eigentliche Schwierigkeit besteht darin, dass die Lösung für eine Anforderung oft eine andere Anforderung erschwert.

Was bedeuten die vier Werte?

Wert	Was er hauptsächlich beeinflusst
6.300 A	Kontinuierliche Erwärmung, Leitergröße und Kontaktdesign
7,2 kV	Isolierung, elektrische Abstände und Unterbrechungsspannung
63 kA	Fehlerkräfte, Kurzzeitstromfestigkeit und Schaltvermögen
78,6 MVA	Systemgröße, Bedeutung und Folgen eines Ausfalls

Die größte strukturelle Schwierigkeit ergibt sich aus der Kombination von stromführenden 6.300-A-Komponenten, 7,2-kV-Isolationsanforderungen und 63-kA-Kurzschlussfestigkeit innerhalb derselben Schaltanlage.

Warum ist die Kombination so schwierig?

Die Schaltanlage muss:

• Groß genug sein, um 6.300 A zu führen
• Offen genug sein, um Wärme abzuführen
• Weit genug getrennt sein, um 7,2 kV standzuhalten
• Steif genug sein, um 63 kA zu überstehen
• Flexibel genug sein, um thermische Ausdehnung aufzunehmen
• Schnell genug sein, um einen Fehler zu unterbrechen
• Geschlossen genug sein, um einen internen Lichtbogen zu kontrollieren

Diese Anforderungen stehen im Konflikt zueinander.

Aus diesem Grund kann ein normales 3.150-A- oder 4.000-A-Feld nicht einfach durch den Einbau größerer Sammelschienen in ein 6.300-A-Feld umgewandelt werden.

Konflikt 1: Große Leiter, Isolationsraum und mechanische Festigkeit

Hoher Strom erfordert viel Kupfer in der Schaltanlage, während Mittelspannung leeren Isolationsraum um dieses Kupfer herum benötigt.

Um 6.300 A zu führen, benötigt die Schaltanlage große stromführende Komponenten, einschließlich:

Gleichzeitig müssen 7,2-kV-Geräte ausreichende Abstände einhalten zwischen:

Dies führt zum ersten grundlegenden Konflikt: Die Leiter werden größer, können aber nicht einfach eng zusammengepackt werden.

Der 63-kA-Fehler erfordert eine stärkere Abstützung

Die 63-kA-Kurzschlussanforderung macht die Anordnung noch schwieriger.

Während eines Fehlers sind die Sammelschienen enormen elektromagnetischen Kräften ausgesetzt. Ein 63-kA-Effektivwert-Fehler kann einen ersten Stromscheitelwert von über 150 kA erzeugen.

Bei einem typischen Stoßfaktor von 2,5:

63 kA × 2,5 = 157,5 kA Scheitelwert

Dieser Momentanstrom kann:

• Phasen auseinanderdrücken
• Parallele Sammelschienen zusammenziehen
• Leiter verbiegen
• Isolatoren brechen
• Schalteranschlüsse verdrehen
• Verbindungsstellen beschädigen
• Die Schalterstruktur bewegen

Die Sammelschienen benötigen daher starke und eng beieinander liegende Stützen.

Die Sammelschienen müssen sich dennoch ausdehnen können

Sammelschienen dehnen sich aus, wenn sie sich im Normalbetrieb erwärmen. Das System benötigt daher möglicherweise:

Die Struktur muss eine langsame thermische Ausdehnung zulassen und gleichzeitig während eines Kurzschlusses steif bleiben.

Zusätzliche Stützen verbessern die Kurzschlussfestigkeit, aber sie:

Die Vergrößerung der Phasenabstände kann die Isolierung verbessern und die elektromagnetische Kraft verringern, macht die Schaltanlage aber auch:

• Breiter
• Tiefer
• Schwerer
• Teurer
• Schwieriger zu transportieren
• Schwieriger in einem bestehenden Schaltraum zu installieren

Der Konstrukteur muss daher Folgendes abwägen:

• Leiterquerschnitt
• Isolationsabstände
• Phasenabstände
• Abstände der Sammelschienenstützen
• Thermische Ausdehnung
• Wartungszugang
• Gesamtabmessungen des Schaltschranks

Ab einem gewissen Punkt ähnelt das Gerät möglicherweise nicht mehr einer herkömmlichen metallgekapselten Schaltanlage, sondern eher einer Generatorschaltanlage oder einem Kraftwerks-Sammelschienensystem.

Konflikt 2: Wärmeabfuhr versus Gehäuseschutz

Nachdem Leiter, Kontakte und Stützen in die Schaltanlage eingebaut wurden, besteht das nächste Problem darin, die erzeugte Wärme abzuführen.

Bei 6.300 A kann selbst ein sehr kleiner Widerstand erhebliche Wärme erzeugen.

Der elektrische Verlust in einem Leiter oder einer Verbindung folgt dieser Beziehung:

Verlustleistung = Strom × Strom × Widerstand

Angenommen, eine Verbindungsstelle hat einen Widerstand von nur 10 Mikroohm oder 0,00001 Ohm.

Die an dieser Stelle erzeugte Wärme wäre:

6.300 × 6.300 × 0,00001 = 397 W

Das bedeutet, dass eine Verbindung mit einem extrem niedrigen Widerstand immer noch fast 400 W Wärme kontinuierlich erzeugen kann.

Der komplette Primärstromkreis enthält viele mögliche Wärmequellen:

Für eine effektive Kühlung wünscht sich der Konstrukteur möglicherweise:

Der Störlichtbogenschutz erfordert jedoch ein kontrolliertes und druckfestes Gehäuse.

Die Schaltanlage muss:

• Innendruck standhalten
• Türen und Abdeckungen geschlossen halten
• Verhindern, dass Flammen in Richtung des Personals entweichen
• Die Bewegung heißer Gase kontrollieren
• Druck durch einen sicheren Abgaspfad leiten

Dies führt zum zweiten grundlegenden Konflikt:

Hoher Strom erfordert einen effektiven Luftstrom, während der Störlichtbogenschutz kontrollierte und druckfeste Räume erfordert.

Eine hohe IP-Schutzart erschwert das Problem. Ein dicht verschlossenes Gehäuse bietet besseren Schutz gegen Staub und Wasser, schließt aber auch Wärme ein und schränkt den Luftstrom ein.

Der Hersteller muss daher Folgendes abwägen:

• Temperaturerhöhung
• Luftstrom
• Störlichtbogensicherheit
• Umweltschutz
• Lüfterzuverlässigkeit
• Wartungszugang

Kühlung ist nicht einfach eine Frage des Hinzufügens von Lüftern. Gehäuse, Belüftungspfad und Druckentlastungssystem müssen gemeinsam konstruiert werden.

Konflikt 3: Mehr parallele Sammelschienen versus ungleiche Stromaufteilung

Ein extrem dicker Kupferstab ist nicht immer der beste Weg, um 6.300 A zu führen.

Hochstromsysteme verwenden normalerweise mehrere parallele Leiter für jede Phase.

Zum Beispiel, wenn vier Sammelschienen den Strom gleichmäßig aufteilen:

6.300 A ÷ 4 = 1.575 A pro Sammelschiene

In der Praxis teilt sich der Strom jedoch möglicherweise nicht gleichmäßig auf.

Die Stromaufteilung wird beeinflusst durch:

• Unterschiedliche Leiterlängen
• Ungleiche Übergangswiderstände
• Skineffekt
• Proximity-Effekt (Nahewirkung)
• Sammelschienenposition
• Magnetfelder benachbarter Phasen
• Ungleiche Kühlung
• Unterschiedlicher Kontaktdruck

Ein Leiter kann mehr Strom führen als die anderen und zu einem lokalen Hotspot werden.

Das Hinzufügen von mehr Kupfer verringert den Grundwiderstand, macht aber auch die AC-Stromverteilung und das elektromagnetische Verhalten komplizierter.

Das Design muss daher die komplette dreiphasige Sammelschienenanordnung berücksichtigen, nicht nur den gesamten Kupferquerschnitt.

Konflikt 4: Niedriger Übergangswiderstand versus einschiebbarer Aufbau

Eine feste Schraubverbindung kann groß, stark und hochleitfähig ausgeführt werden.

Ein einschiebbarer Leistungsschalter ist viel schwieriger.

Seine Primärkontakte müssen:

• Beweglich sein
• Präzise ausgerichtet sein
• Einen niedrigen Widerstand haben
• Mechanisch langlebig sein
• Ordnungsgemäß isoliert sein
• 6.300 A kontinuierlich führen können
• Dem Kurzschluss-Scheitelwert standhalten können

Der Konstrukteur kann mehr Kontaktfinger hinzufügen und deren Druck erhöhen, um den Widerstand zu verringern.

Dies führt jedoch zu:

• Größerer Einsteckkraft
• Einem schwereren Schaltwagen
• Mehr mechanischem Verschleiß
• Höherer Ausrichtungsempfindlichkeit
• Schwierigerer Wartung
• Größerem Risiko einer ungleichen Stromaufteilung

Wenn einige Kontaktfinger an Druck verlieren, können die verbleibenden Kontakte übermäßigen Strom führen und überhitzen.

Aus diesem Grund kann ein fest eingebauter Leistungsschalter mit separaten Trennschaltern praktischer sein als ein herkömmlicher einschiebbarer Vakuum-Leistungsschalter (VCB).

Der Leistungsschalter könnte der eigentliche Engpass sein

Große Kupfersammelschienen können hergestellt werden.

Die schwierigere Frage ist, ob der Leistungsschalter:

1. 6.300 A kontinuierlich führen kann
2. Während des ersten Kurzschlussstrom-Scheitelwerts stabil bleibt
3. Schnell öffnet, wenn der Schutz anspricht
4. 63 kA sicher unterbricht
5. Der Spannung standhält, die sich über den offenen Kontakten wieder aufbaut
6. Das erforderliche 7,2-kV-Isolationsniveau aufrechterhält

Der Leistungsschalter benötigt im Normalbetrieb einen niedrigen Widerstand und einen hohen Kontaktdruck.

Während eines Fehlers muss er zudem schnell öffnen und einen extrem hohen Strom unterbrechen.

Er muss daher gleichzeitig fest geschlossen, mechanisch stabil und zu schnellem Öffnen fähig sein.

Ein normaler 4.000-A-Leistungsschalter kann normalerweise nicht einfach durch Anbringen größerer externer Anschlüsse zu einem 6.300-A-Schalter werden.

Der komplette interne Strompfad muss für 6.300 A ausgelegt und geprüft sein.

Über Leistung

Bei 400 V und 6.300 A beträgt die dreiphasige Scheinleistung etwa 4,36 MVA:
1,732 × 0,4 kV × 6,3 kA = 4,36 MVA

Bei 7,2 kV und demselben Strom steigt die Scheinleistung auf etwa 78,6 MVA:
1,732 × 7,2 kV × 6,3 kA = 78,6 MVA

Der 7,2-kV-Stromkreis überträgt also etwa das 18-fache an Scheinleistung.

Die höhere Leistung führt nicht direkt dazu, dass die Leiter heißer werden. Wenn Strom und Leiterwiderstand gleich sind, sind auch die ohmschen Verluste ähnlich.

Die 78,6-MVA-Bewertung zeigt jedoch die Größenordnung des Systems. Ein Stromkreis kann an einen großen Generator, Transformator, ein Kompressorsystem oder einen Industrieprozess angeschlossen sein. Ein Ausfall oder eine unnötige Auslösung könnte daher Lasten von mehreren zehn Megawatt abschalten.

Dies kann Folgendes erfordern:

• Schnellen und zuverlässigen Schutz
• Differential- und Schalterversagerschutz
• Kontinuierliche Temperaturüberwachung
• Zuverlässige Kühlung
• Große Schienenverteiler-Anschlüsse
• Umfangreichere Zustandsüberwachung

Wie der Störlichtbogenschutz das Gehäuse verändert

Der Störlichtbogenschutz ist nicht der ursprüngliche Grund, warum die Schaltanlage größere Sammelschienen benötigt. Sobald jedoch der 7,2-kV-, 6.300-A-Strompfad entworfen wurde, schafft die Lichtbogeneinkapselung eine weitere wichtige strukturelle Anforderung.

Im Normalbetrieb führt die Schaltanlage bis zu 6.300 A. Wenn ein Isolationsfehler, eine lose Verbindung oder ein Fremdkörper einen internen Fehler verursacht, kann der Strom bis auf das verfügbare Kurzschlussniveau ansteigen – in diesem Fall 63 kA.

Die drei Bemessungswerte tragen unterschiedlich bei:

Bemessungswert	Auswirkung während eines internen Fehlers
6.300 A	Erfordert große Leiter, Kontakte, Verbindungen und Kühlpfade
7,2 kV	Ermöglicht es einem Lichtbogen, über eine Luftstrecke bestehen zu bleiben
63 kA	Bestimmt den verfügbaren Fehlerstrom und die potenzielle Schwere des Ereignisses

Ein interner Lichtbogen erzeugt Gasplasma bei etwa 10.000 °C, wobei lokale Temperaturen in der Nähe des Lichtbogenauslasses bis zu 20.000 °C erreichen können. Dies sind lokale Plasmatemperaturen, nicht die Durchschnittstemperatur in der gesamten Schaltanlage. Am Ort des Lichtbogens können Metall und nahegelegene Isolierungen fast sofort schmelzen oder verdampfen.

Das schnell erhitzte Gas und das verdampfte Material verursachen einen starken Druckanstieg. Die Schaltanlage benötigt daher möglicherweise:

• Verstärkte Türen und Verriegelungssysteme
• Druckfeste interne Trennwände
• Druckentlastungsklappen
• Einen obenliegenden Druckentlastungskanal
• Externe Druckentlastungskanäle
• Einen kontrollierten Entlastungsbereich weg vom Personal

Auch der Elektroraum muss berücksichtigt werden. Siemens weist darauf hin, dass Mittelspannungsschalträume Druckentlastungsöffnungen oder -kanäle benötigen können und dass die Gebäudestruktur dem durch einen internen Lichtbogen erzeugten Druck standhalten muss.

Dies schafft einen weiteren Konstruktionskonflikt:

Der 6.300-A-Strompfad erfordert eine effektive Kühlung im Normalbetrieb, während der Störlichtbogenschutz einen kontrollierten, druckfesten Luftstrom während eines Fehlers erfordert.

Die Belüftungs- und Druckentlastungssysteme müssen daher gemeinsam konstruiert werden. Normale Kühlöffnungen dürfen Flammen oder heiße Gase nicht einfach in Richtung des Personals freisetzen.

Beispiel einer 63-kA-störlichtbogenfesten Schaltanlage

Der Bedarf an zusätzlichem Installationsraum hängt von der geprüften Schaltanlagenplattform ab. Es gibt keine allgemeingültige Regel, die besagt, dass eine störlichtbogenfeste Konstruktion bei jedem Feld eine feste Höhe oder einen festen Prozentsatz hinzufügt.

Als Referenz: SafeGear HD von ABB ist eine spezifische störlichtbogenfeste 5/15-kV-, 63-kA-Schaltanlagenplattform, die einen obenliegenden Druckentlastungskanal verwendet. ABB gibt einen Mindestabstand vom Boden zur Decke von etwa 129,5 Zoll oder 3,29 Metern für die Kanalanordnung und den Freiraum der Entlüftungsbox an.

Dieser Wert ist nur ein Beispiel für ein reales Produkt. Er sollte nicht als die erforderliche Raumhöhe für jedes 7,2-kV-, 6.300-A-Design betrachtet werden.

Ein 6.300-A-System erfordert möglicherweise ein anderes/einen anderen:

• Basisfeldhöhe
• Kühlanordnung
• Kanalgröße
• Abluftkanal-Querschnitt
• Sicheren Entlastungsbereich
• Schaltraum-Deckenhöhe

Die genauen Abmessungen müssen aus der geprüften Gesamtanordnung des Herstellers hervorgehen.

Der wichtige Punkt ist:

Der Störlichtbogenschutz kann erheblichen Platzbedarf nach oben, Abluftkanäle, strukturelle Verstärkungen und Anforderungen an den Schaltraum mit sich bringen, aber der Umfang ist spezifisch für das geprüfte Gerätedesign.

Die Anschlüsse können zu einem weiteren großen Problem werden

Bei 6.300 A können gewöhnliche Mittelspannungskabelverbindungen unpraktisch werden.

Das System erfordert möglicherweise:

• Viele parallele Kabel pro Phase
• Phasengetrennte Schienenverteiler (Segregated-phase bus duct)
• Nicht-phasengetrennte Schienenverteiler
• Direkte Kupferschienenverbindung
• Einphasig gekapselte Schienen (Isolated-phase bus) in Generatoranwendungen

Das Anschlusssystem muss zudem Folgendes bewältigen:

• Gleichmäßige Stromaufteilung
• Thermische Ausdehnung
• 7,2-kV-Isolierung
• 63-kA-Fehlerkraft
• Mechanische Ausrichtung
• Strukturelle Abstützung
• Belüftung

Die Schaltanlage kann nicht getrennt von dem daran angeschlossenen Generator, Transformator oder Schienenverteiler entworfen werden.

Der komplette Strompfad muss als ein System koordiniert werden.

Praktischere Alternativen

Bevor man sich für eine einzige 6.300-A-Schiene entscheidet, sollte der Systemplaner prüfen, ob die Last aufgeteilt werden kann.

Aufteilung des Systems in Bussektionen mit niedrigerem Strom

Anstatt eine einzige 6.300-A-Schiene zu verwenden, kann das System in zwei unabhängige Bussektionen unterteilt werden.

Mögliche Anordnungen sind:

• Zwei 3.150/4.000-A-Bussektionen
• Separate Transformator- oder Generatoreinspeisungen für jede Sektion
• Eine normalerweise offene Längskupplung zwischen den Sektionen

Dies ermöglicht es jeder Sektion, innerhalb eines etablierteren Bereichs für Mittelspannungsschaltanlagen zu bleiben.

Eine Anordnung mit zwei Sektionen bietet:

• Breiter verfügbare Leistungsschalter
• Einfachere Kontrolle der Temperaturerhöhung
• Smaller busbars and connections
• Einfachere Wartung
• Bessere Redundanz
• Geringeres technisches und Prüfungsrisiko

Die Bemessungswerte sollten jedoch nicht einfach addiert werden.

Zwei 3.150-A-Sektionen bilden keine 6.300-A-Schiene, es sei denn, ihre Ausgänge werden kombiniert. Wenn sie über eine Längskupplung oder eine gemeinsame Verbindung kombiniert werden, muss dieser Teil des Systems möglicherweise immer noch die vollen 6.300 A führen.

Die praktische Lösung besteht normalerweise darin, die Lasten auf die beiden Sektionen aufzuteilen und die Längskupplung normalerweise offen zu halten. Die Kupplung kann dann vorübergehend für den Lasttransfer geschlossen werden, vorausgesetzt, die verbleibende Quelle und Bussektion können die übertragene Last tragen.

Verteilung der Leistung bei einer höheren Spannung

Bei gleicher Leistung reduziert eine Erhöhung der Spannung den Strom.

Beispielsweise würde die Übertragung von 78,6 MVA bei 11 kV etwa 4.130 A erfordern.

Die Berechnung lautet:

78,6 MVA ÷ 1,732 ÷ 11 kV = ca. 4,13 kA

Bei 22 kV würde dieselbe Leistung etwa 2.060 A erfordern.

Die Berechnung lautet:

78,6 MVA ÷ 1,732 ÷ 22 kV = ca. 2,06 kA

Die Erhöhung der Verteilspannung kann Folgendes erheblich vereinfachen:

• Sammelschienen
• Leistungsschalter
• Anschlüsse
• Kühlung
• Mechanische Stützen

Es erhöht jedoch auch das erforderliche Isolationsniveau.

Verwendung eines Generatorschalter-Systems

Wenn der Stromkreis direkt an einen großen Generator angeschlossen ist, sind spezielle Generatorgeräte möglicherweise besser geeignet als die Modifizierung herkömmlicher Verteilungsschaltanlagen.

Generatorschalter sind speziell ausgelegt für:

• Sehr hohen Dauerstrom
• Hohen Kurzschlussstrom
• Schwere Unterbrechungsaufgaben
• Fehlerverhalten der Generatorquelle
• Große Schienenverteiler-Anschlüsse

Fazit

Ein 7,2-kV-, 6.300-A- und 63-kA-Schaltanlagensystem ist schwierig, weil die Anforderungen gegeneinander arbeiten.

• 6.300 A erfordern mehr Kupfer und mehr Kühlung.
• 7,2 kV erfordern mehr Isolationsraum.
• 63 kA erfordern stärkere und steifere Stützen.
• Die thermische Ausdehnung erfordert eine kontrollierte Flexibilität.
• Die Störlichtbogensicherheit erfordert ein starkes, druckgesteuertes Gehäuse.
• Der Schalterbetrieb erfordert sowohl einen hohen Kontaktdruck als auch ein schnelles Öffnen.

Die zentrale Herausforderung besteht nicht einfach darin, einen größeren Schrank zu bauen.

Es geht darum, ein System zu schaffen, das gleichzeitig:

Elektrisch isoliert, thermisch stabil, mechanisch stark, betrieblich schnell und sicher bei einem internen Fehler ist.

Deshalb gehört diese Kombination normalerweise zu spezialisierten Generator- oder Schwerindustriegeräten und nicht zu herkömmlichen Mittelspannungsschaltanlagen.

Häufig gestellte Fragen

Nein. Es ist technisch machbar, erfordert aber normalerweise spezielle Generatorklasse- oder kundenspezifische Hochstromgeräte anstelle herkömmlicher MS-Schaltanlagen.

Niederspannungsschaltanlagen erfordern viel kleinere Isolationsabstände. Große Sammelschienen, Leistungsschalter und parallele Kontakte können daher enger beieinander installiert werden.

Nein. Größere Sammelschienen können die Erwärmung verringern, lösen aber nicht die Probleme der Schalterkapazität, der Isolationsabstände, des Übergangswiderstands, der Kühlung, der Wandlergröße oder der 63-kA-Fehlerkräfte.

Er beeinflusst das Fehlerstrom-Schaltvermögen des Leistungsschalters und die mechanische Festigkeit, die für Sammelschienen, Stützen, Anschlüsse und das Gehäuse erforderlich ist.

Er ist eine wichtige Anforderung an die Personalsicherheit, aber die größte strukturelle Herausforderung ist die Kombination von 6.300-A-Leitern, 7,2-kV-Isolationsabständen und 63-kA-Kurzschlussfestigkeit.

Ja. Die Aufteilung der Lasten auf zwei Bussektionen mit niedrigerem Strom kann die Verwendung etablierterer Schaltanlagenplattformen ermöglichen. Jede gemeinsame Verbindung muss jedoch weiterhin für den Strom ausgelegt sein, den sie tatsächlich führt.