Fortschrittliche Schaltkreissteuerung & Schutzsysteme: Sicherheit für elektrische Netze

Was sind elektrische Schaltkreis-Schutzsysteme?

Bei der Nutzung elektrischer Systeme oder Geräte ist es oft wünschenswert und notwendig, diese ein- und auszuschalten. Wir benötigen Geräte, die Systeme sowohl in normalen als auch in abnormalen Situationen schalten können, um das gesamte oder teilweise elektrische System zu schützen. Diese Funktion erfordert ein Gerät, das das System innerhalb kürzester Zeit schützt, da andernfalls schwerwiegende Folgen drohen: Schäden an elektrischen Geräten und erhebliche Gefahren für Menschen.

In der Vergangenheit wurden hierfür häufig Sicherungen eingesetzt, doch diese haben in modernen, leistungsstarken elektrischen Systemen zwei wesentliche Nachteile: Erstens muss eine durchgebrannte Sicherung nach einem Fehlerfall ausgetauscht werden, was Zeit kostet. Zweitens können Sicherungen schwere Kurzschlüsse in heutigen Hochleistungssystemen nicht zuverlässig unterbrechen.

Fortschritte bei elektrischen Schaltkreis-Schutzsystemen

Mit dem Fortschritt in der Energietechnik arbeiten Schaltkreise mit hohen Spannungen und führen hohe Ströme. Zum Schutz elektrischer Systeme benötigen wir daher zuverlässige Geräte, die in normalen wie abnormalen Situationen die Kontrolle übernehmen. Es gibt zahlreiche Schaltgeräte, die elektrischen Schutz bieten – darunter Ölleistungsschalter, Druckluft-Leistungsschalter, Vakuum-Leistungsschalter und SF₆-Leistungsschalter. Im Folgenden besprechen wir eines der wichtigsten Schaltgeräte: den Leistungsschalter (Circuit Breaker).

Schaltgeräte, die in der Lage sind, elektrische Systeme oder Stromkreise sowohl im Normal- als auch im Fehlerfall ein- und auszuschalten, werden als Leistungsschalter bezeichnet. Aufgrund ihrer Konstruktion und unterschiedlicher Lichtbogenlöschverfahren stehen viele Arten von Leistungsschaltern für Hoch- und Niedrigspannungsanwendungen zur Verfügung. Schwefelhexafluorid-(SF₆)-Leistungsschalter sind dabei die am häufigsten eingesetzte Bauart.

Funktionsweise und Rolle von SF₆-Leistungsschaltern in der elektrischen Schaltkreissteuerung und -schutz

Bei diesem Leistungsschalter dient Schwefelhexafluorid als Löschgas. Es handelt sich um ein electronegatives Gas mit starker Neigung, freie Elektronen zu absorbieren. SF₆-Leistungsschalter erweisen sich bei Hochleistungsanwendungen als äußerst effektiv. Konstruktiv besteht der Schalter aus zwei Kontakten – einem festen und einem beweglichen – die in einer als Lichtbogenkammer bezeichneten Kammer eingeschlossen sind. Diese Kammer ist mit einem SF₆-Reservoir verbunden. Der feste Kontakt ist ein hohler Zylinderkontakt mit Lichtbogenhorn, der den Strom führt. Der bewegliche Kontakt ist ebenfalls hohl und besitzt kleine Öffnungen, durch die das SF₆ strömen kann, um den Lichtbogen zu löschen. Weitere Details zeigt die folgende Abbildung.

Im eingeschalteten Zustand (Betriebsstellung) sind die Kontakte von SF₆-Gas bei einem Druck von 2,8 kg/cm² umgeben. Werden die Kontakte betätigt, öffnet sich das SF₆-Gasventil synchron mit der Kontaktbewegung. Das Gas strömt bei einem Druck von 14 kg/cm² in die Lichtbogenkammer, sobald ein Lichtbogen entsteht. Das SF₆-Gas absorbiert die freien Elektronen des Lichtbogens rasch und bildet unbewegliche negative Ionen, die als Ladungsträger unwirksam sind. Dadurch baut sich zwischen den Kontakten eine hohe dielektrische Festigkeit auf, die den Lichtbogen löscht. Nach der Lichtbogenlöschung schließt das Gasventil über ein Federsteuersystem wieder.