Schaltgeräte, Softcover reprint of the original 1st ed. 1987 Grundlagen, Aufbau, Wirkungsweise

Auf ihrem Weg vom Erzeuger zum Verbraucher gelangt die elektrische Energie über eine große Anzahl von Schaltgeräten, die in den Knotenpunkten der Übertragungs- und Verteilungsnetze angeordnet sind. Von deren ein­ wandfreier Funktion hängt die Zuverlässigkeit unserer Energieversorgung entscheidend ab. Bei der weitaus größten Anzahl von Schaltgeräten handelt es sich um Schalter mit mechanisch betätigten, metallischen Kontaktstellen und Licht­ bogenlöschsystemen zur Löschung der beim Ausschalten entstehenden Licht­ bögen. Trotz der enormen Fortschritte in der Leistungselektronik ist dieses an sich alte Prinzip, das sich auszeichnet durch geringe Verluste, Störunanfällig­ keit, hohe Überlastbarkeit und vergleichsweise niedrige Kosten, auch in absehbarer Zukunft für die meisten Anwendungsfälle konkurrenzlos im Vergleich zu anderen Schaltprinzipien. Voraussetzung hierfür war und ist die stetige Optimierung und Weiterent­ wicklung dieser Technik mit Hilfe moderner Forschungs-und Entwicklungs­ methoden. Die dabei zu behandelnden Probleme liegen in einem weiten, fächerübergreifenden Bereich, wobei besonders die Disziplinen Elektrotech­ nik, Physik, Mechanik, Werkstofftechnik und Chemie zu nennen sind. Ziel des vorliegenden Buches ist es, einen Überblick über Funktionsweise und Einsatz der großen Vielfalt an Schaltgeräten der Energietechnik zu geben. Zunächst werden die wesentlichen physikalischen Vorgänge sowie ihre theoretische Deutung und mathematische Behandlung exemplarisch darge­ stellt. Die Beanspruchungen der Schaltgeräte bei ihrem Einsatz in Netzen schließen sich an. Schließlich werden Prinzipien und konstruktiver Aufbau der vielen Schaltgerätearten für unterschiedliche Aufgaben anhand zahlrei­ cher Konstruktionsbeispiele erläutert.

0 Einführung.- 1 Physikalische Grundlagen.- 1.1 Der elektrische Lichtbogen.- 1.1.1 Die Bogensäule.- 1.1.2 Elektrodengebiete.- 1.1.3 Materialdaten der Bogensäule.- 1.1.4 Näherungen.- 1.1.4.1 Kanalmodell.- 1.1.4.2 Enthalpieflußmodelle.- 1.1.5 Die stationäre Lichtbogenkennlinie.- 1.1.6 Der Wechselstrombogen.- 1.1.6.1 Grundsätzliches.- 1.1.6.2 Theorie des dynamischen Bogens. Wechselwirkung Bogen-Netz.- 1.1.7 Bogenbewegung unter dem Einfluß äußerer Kräfte.- 1.1.7.1 Strömungskräfte.- 1.1.7.2 Bogenbewegung im Magnetfeld*.- 1.1.7.3 Plasmastrahlen, magnetischer Druck.- 1.1.8 Bogenverhalten in Düsen von Hochspannungs-Hochleistungsschaltern. Wechselwirkung mit Strömung und Antrieb.- 1.1.8.1 Düsenverstopfung, Rückstau.- 1.1.8.2 Wechselwirkung mit dem Antrieb.- 1.1.9 Elektrodeneffekte*.- 1.1.9.1 Bogenspannung*.- 1.1.9.2 Löschung durch Elektrodeneffekte (Selbstlöschung, Sofortverfestigung)*.- 1.1.10 Vakuumbogen.- 1.1.10.1 Entladungsarten im Vakuum.- 1.1.10.2 Wirkung von Magnetfeldern.- 1.1.10.3 Einfluß des Kontaktmaterials.- 1.1.11 Dielektrische Wiederverfestigung.- 1.1.12 Der Lichtbogen als Schaltelement. Zum Löschvorgang in verschiedenen Schaltern.- 1.1.12.1 Gasschalter.- 1.1.12.2 Schalter mit selbsterzeugtem Löschmittel (Ölschalter, Wasserschalter, Hartgasschalter, Sicherungen).- 1.1.12.3 Vakuumschalter.- 1.1.12.4 Niederspannungsschalter*.- 1.2 Kontaktphysik.- 1.2.1 Scheinbare und wirkliche Berührungsfläche.- 1.2.1.1 Flächenkontakte.- 1.2.1.2 Punktkontakte.- 1.2.2 Kontaktwiderstand.- 1.2.2.1 Metallischer Kontakt.- 1.2.2.2 Quasimetallischer Kontakt.- 1.2.2.3 Kontaktstellen mit störenden Fremdschichten.- 1.2.3 Engewiderstand.- 1.2.3.1 Elektrischer Widerstand einer Stromenge.- 1.2.3.2 Erwärmung von Stromengen.- 1.2.4 Die Kontaktkraft.- 1.2.4.1 Aufgaben der Kontaktkraft.- 1.2.4.2 Abhängigkeit des Kontaktwiderstandes von der Kontaktkraft.- 1.2.5 Erwärmung von Kontakten (und Wänden) durch stromstarke Lichtbögen.- 1.2.6 Kontaktwerkstoffe*.- 1.2.6.1 Anforderungen an Kontaktwerkstoffe der Energietechnik*.- 1.2.6.2 Kontaktwerkstoffe der Energietechnik und ihre Anwendung*.- Literatur zu Kapitel 1.- 2 Beanspruchung und Anforderungen.- 2.1 Schaltvorgänge.- 2.1.1 Anforderungen an Schaltgeräte.- 2.1.2 Einschalten eines Kurzschlußkreises.- 2.1.3 Ausschalten eines Kurzschlusses.- 2.1.3.1 Einphasiger Klemmenkurzschluß.- 2.1.3.2 Klemmenkurzschluß in Drehstromkreisen.- 2.1.3.3 Abstandskurzschluß in Hoch- und Mittelspannungsnetzen.- 2.1.3.4 Kurzunterbrechung.- 2.1.3.5 Phasenopposition.- 2.1.4 Ausschalten kleiner induktiver Ströme.- 2.1.5 Kapazitiver Stromkreis.- 2.1.5.1 Einpolige Ausschaltung, Rückzündung und Wiederzündung.- 2.1.5.2 Dreipolige Ausschaltung.- 2.1.5.3 Einschalten einer Kapazität.- 2.1.5.4 Parallelschalten von Kondensatoren.- 2.1.6 Strombegrenzende Schalter, Gleichstromschalter.- 2.1.6.1 Erhöhung der Lichtbogenspannung.- 2.1.6.2 Schalter mit Parallelzweigen.- 2.1.7 Schaltleistungsprüfung.- 2.2 Stromtragfähigkeit und Erwärmung.- 2.3 Zuverlässigkeit, Fehlerraten.- 2.4 Zusammenstellung von VDE-Bestimmungen für Schaltgeräte.- 2.4.1 Bestimmungen für Niederspannungsschaltgeräte.- 2.4.2 Bestimmungen für Wechselstrom-Schaltgeräte für Spannungen über 1 kV.- Literatur zu Kapitel 2.- 3 Niederspannungsschaltgeräte.- 3.1 Allgemeines.- 3.1.1 Einführung.- 3.1.2 Einteilung der Niederspannungsschaltgeräte.- 3.1.3 Geräteeigenschaften und Kenngrößen.- 3.1.3.1 Nennspannung und Nennfrequenz.- 3.1.3.2 Nennströme.- 3.1.3.3 Erwärmung.- 3.1.3.4 Nennbetriebsarten.- 3.1.3.5 Nenneinschalt- und Nennausschaltvermögen.- 3.1.3.6 Überlastfestigkeit von Schützen.- 3.1.3.7 Gebrauchskategorien.- 3.1.3.8 Lebensdauer und Schalthäufigkeit.- 3.1.3.9 Einsatzgrenzen.- 3.2 Aufbau und Wirkungsweise ausgewählter Niederspannungsschaltgeräte.- 3.2.1 Grundsätzlicher Aufbau von Schaltgeräten.- 3.2.2 Schaltgeräte für Hauptstromkreise.- 3.2.2.1 Trenner, Lastschalter, Lasttrenner.- 3.2.2.2 Motorschalter.- 3.2.2.3 Schütze.- 3.2.2.4 Leistungsschalter.- 3.2.2.5 Sicherungen für Nieder- und Hochspannung.- 3.2.2.6 Schutzgeräte.- 3.2.2.7 Selektivität zwischen Schaltgeräten.- 3.2.2.8 NOT-AUS-Einrichtung und Hauptschalter.- 3.2.3 Schaltgeräte für Hilfsstromkreise.- 3.2.3.1 Drucktaster und Leuchtmelder.- 3.2.3.2 Positionsschalter.- 3.2.3.3 Hilfsschütze.- 3.2.3.4 Zeitrelais.- Literatur, Bestimmungen und Normen zu Kapitel 3.- 4 Hochspannungsschaltgeräte.- 4.1 Dielektrische Beanspruchungen (G. F. Luxa).- 4.1.1 Definitionen und Prüfanordnungen.- 4.1.1.1 Arten der Isolation.- 4.1.1.2 Arten der Spannungsbeanspruchung.- 4.1.1.3 Isolationskoordination.- 4.1.1.4 Arten der dielektrischen Prüfungen.- 4.1.1.5 Ermittlung der Stehspannungen bei Stoßspannungsprüfungen.- 4.1.1.6 Berücksichtigung der atmosphärischen Bedingungen bei der Prüfung der äußeren Isolation.- 4.1.1.7 Berücksichtigung der Aufstellungshöhe.- 4.1.1.8 Prüfungen unter Regen.- 4.1.1.9 Prüfungen bei künstlicher Verschmutzung.- 4.1.2 Bemessung von Hochspannungsschaltgeräten und Stützern für Betriebsspannungen bis 72 kV.- 4.1.2.1 Bemessung der Isolation bei normalen Bedingungen.- 4.1.2.2 Bemessung der Isolation bei erschwerten Bedingungen.- 4.1.2.3 Teilentladungsprüfungen.- 4.1.3 Bemessung von Hochspannungsschaltgeräten und Stützern für Betriebsspannungen über 72 kV.- 4.1.4 Umwelteinflüsse auf die Freiluftisolation.- 4.1.4.1 Fremdschichteinflüsse.- 4.1.4.2 Fremdschichtprüfverfahren.- 4.1.4.3 Industriefremdschicht-Prüfverfahren.- 4.1.4.4 Salznebel-Prüfverfahren.- 4.1.4.5 Höchster Ableitstromimpuls als Kenngröße.- 4.1.4.6 Isolatorbemessung hinsichtlich Verschmutzung.- 4.1.5 Der Einfluß von Schaltspannungen auf die äußere Isolationsbemessung in Luft.- 4.1.5.1 Allgemeines.- 4.1.5.2 Prüfung mit Schaltstoßspannung.- 4.1.5.3 Bemessungswerte.- 4.1.6 SF6-Druckgasisolation bei metallgekapselten Geräten.- 4.1.6.1 Eigenschaften von Schwefelhexafluorid.- 4.1.6.2 Bemessungsgrundlagen.- 4.1.6.3 SF6 in Verbindung mit Feststoffisolatoren.- 4.2 Gestaltung der Hochspannungsschaltgeräte (R. Prätsch).- 4.2.1 Schaltgeräte für Anlagen mit Luft als äußere Isolation.- 4.2.1.1 Leistungsschalter.- 4.2.1.2 Trenn- und Erdungsschalter.- 4.2.1.3 Lastschalter und Lasttrennschalter.- 4.2.2 Schaltgeräte für Anlagen mit Druckgasisolierung.- 4.2.3 Schaltgeräte für Anlagen mit Feststoffisolierung.- Literatur zu Kapitel 4.