Einführung von Schaltanlagen

Schaltanlagen bezeichnen vollständige Stromverteilungseinrichtungen, die nach einem bestimmten Plan aus Primär- und Sekundärkomponenten zusammengesetzt sind und hauptsächlich zur Steuerung und zum Schutz von Stromkreisen und Geräten dienen. Je nach Spannungsniveau der ein- und ausgehenden Leitungen lassen sich Schaltanlagen in Hochspannungsschaltanlagen (stationär und fahrbar) und Niederspannungsschaltanlagen (stationär und schubladenförmig) unterteilen.
Die Struktur von Hochspannungsschaltanlagen ist im Wesentlichen gleich und gliedert sich hauptsächlich in Sammelschienenraum, Leistungsschalterraum, Sekundärsteuerraum (Instrumentenraum) und Speiseraum. Zwischen den einzelnen Räumen befindet sich üblicherweise eine Stahlplattentrennwand. Niederspannungsschaltanlagen werden hauptsächlich nach der Installationsmethode ihrer Komponenten klassifiziert.

KYN28A-12 gepanzerte, mittig montierte Hochspannungsschaltanlage

GGD Niederspannungs-Festschaltschrank

MNS Niederspannungs-Ausziehschaltschrank

KYN61-40.5 Gepanzerte, abnehmbare, metallgekapselte Schaltanlage

GCK Niederspannungs-Ausziehschaltschrank

Zu den internen Komponenten gehören: Sammelschiene, Leistungsschalter, herkömmliches Relais, integriertes Relais-Schutzgerät, Messgerät, Trennmesser, Kontrollleuchte, Erdungsmesser usw.

1. Der Netzanschlusskasten wird auch als Stromempfangsschrank bezeichnet. Er dient der Entnahme elektrischer Energie aus dem Stromnetz (von der Zuleitung zur Sammelschiene). Er ist üblicherweise mit Leistungsschaltern, Stromwandlern, Spannungswandlern, Trennschaltern und weiteren Komponenten ausgestattet.

2. Abgehende Verteilerschränke werden auch als Speiseverteilerschränke oder Stromverteilerschränke bezeichnet. Sie dienen der Verteilung elektrischer Energie (von der Sammelschiene zu jeder abgehenden Leitung) und sind in der Regel mit Leistungsschaltern, Stromwandlern, Spannungswandlern, Trennschiebern und anderen Komponenten ausgestattet.

3. Busanschluss
Es wird auch als Sammelschienenverteiler bezeichnet. Es handelt sich um ein Gerät zur Verbindung zweier Sammelschienenabschnitte (von Sammelschiene zu Sammelschiene). Sammelschienenverbindungen werden häufig in Ein- und Zweisammelschienensystemen eingesetzt, um den Anforderungen der Anwender hinsichtlich verschiedener Betriebsmodi gerecht zu werden. Selektive Lastabschaltung im Fehlerfall.

4. Der Spannungswandlerschrank wird üblicherweise direkt an der Sammelschiene montiert, um die Sammelschienenspannung zu erfassen und die Schutzfunktion zu realisieren. Im Inneren befinden sich hauptsächlich der Spannungswandler (PT), Trennschalter, Sicherungen und Überspannungsableiter.

5. Der Trennschrank dient zur Trennung der Sammelschienen an beiden Enden oder zur Trennung der Stromempfänger von den Stromversorgungsgeräten. Er bietet dem Bediener einen gut sichtbaren Endpunkt und erleichtert so Wartungs- und Reparaturarbeiten. Da der Trennschrank den Laststrom nicht unterbrechen und wieder einschalten kann, lässt sich der zugehörige Handwagen nicht bewegen, wenn der Leistungsschalter geschlossen ist. In der Regel ist es daher erforderlich, eine Verriegelung zwischen dem Hilfskontakt des Leistungsschalters und dem isolierten Handwagen einzurichten, um Fehlbedienungen zu verhindern.

6. Der Kondensatorschrank, auch Kompensationsschrank genannt, dient der Verbesserung des Leistungsfaktors im Stromnetz bzw. der Blindleistungskompensation. Seine Hauptkomponenten sind Kondensatorgruppen, Schaltkreise und parallelgeschaltete Sicherungen. Er schützt elektrische Geräte. Üblicherweise wird er parallel zum Hauptverteiler installiert; ein oder mehrere Kondensatorschränke können parallel betrieben werden. Nach dem Trennen des Kondensatorschranks vom Stromnetz ist es aufgrund der Entladezeit der Kondensatoren verboten, die Komponenten im Schrank, insbesondere die Kondensatoren selbst, direkt zu berühren. Innerhalb einer bestimmten Zeit nach dem Abschalten (abhängig von der Kapazität der Kondensatoren, z. B. 1 Minute) darf der Schrank nicht wieder eingeschaltet werden, um Schäden durch Überspannung zu vermeiden. Bei automatischen Steuerungsfunktionen ist auf eine angemessene Verteilung der Schaltzeiten der einzelnen Kondensatorgruppen zu achten, um Schäden an einer Gruppe durch seltenes Ein- und Ausschalten anderer Gruppen zu vermeiden.

7. Messschrank

Hauptsächlich zur Messung elektrischer Energie (kWh) verwendet und in Hoch- und Niederspannungsanlagen unterteilt, sind sie im Allgemeinen mit Trennschalter, Sicherung, Stromwandler, Spannungswandler, Wirkwattstundenzähler (traditioneller Zähler oder digitaler Zähler), Blindwattstundenzählern, Relais und einigen anderen sekundären Hilfseinrichtungen (wie z. B. Lastüberwachungsgeräten) ausgestattet.
8. Der GIS-Schaltschrank, auch geschlossener kombinierter Elektroschrank genannt, ist eine geschlossene Kombination aus Leistungsschaltern, Trennschaltern, Erdungsschaltern, Stromwandlern, Spannungswandlern, Überspannungsableitern, Sammelschienen usw. in einem Metallgehäuse. Zwischen den Phasen und der Erde wird ein Gas mit guter Isolations- und Lichtbogenlöschleistung (im Allgemeinen Schwefelhexafluorid SF6) als Isolationsmaßnahme verwendet. Er eignet sich für Hochspannungs- und Hochleistungsstromnetze und wird zur Stromverteilung und -steuerung eingesetzt.
9. Im Normalbetrieb ist der Leistungsschalter (außer bei Sonderanwendungen) geschlossen und der Stromkreis ist verbunden. Bei automatischen Steuerungs- oder Schutzfunktionen kann der Leistungsschalter durch die übergeordnete Schutzeinrichtung zum Öffnen oder Schließen des Stromkreises betätigt werden. Er kann nicht nur den normalen Laststrom ein- und ausschalten, sondern auch einen Kurzschlussstrom für eine bestimmte Zeit (ein Vielfaches oder sogar Zehnfaches des normalen Betriebsstroms) aushalten, diesen unterbrechen und fehlerhafte Stromkreise und Geräte abschalten. Die Hauptfunktion des Leistungsschalters besteht daher im Öffnen und Schließen von Stromkreisen (einschließlich des normalen Betriebsstroms und des Kurzschlussstroms). Da beim Öffnen und Schließen des Stromkreises zwangsläufig ein Lichtbogen zwischen dem beweglichen und dem festen Kontakt des Leistungsschalters entsteht, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um den Lichtbogen schnellstmöglich zu löschen und so die Kontakte zu schützen, den Verschleiß der Kontaktmaterialien zu minimieren und den Stromkreis zuverlässig zu unterbrechen. Eine dieser Maßnahmen ist die Verwendung unterschiedlicher Löschmittel für die beweglichen und festen Kontakte des Leistungsschalters. Je nach verwendetem Löschmittel lassen sich Leistungsschalter in verschiedene Kategorien einteilen: Ölleistungsschalter (mit hohem und niedrigem Ölanteil), Schwefelhexafluorid (SF6)-Leistungsschalter, Vakuumleistungsschalter, Luftleistungsschalter usw. Der Leistungsschalter ist eines der wichtigsten Primärgeräte in Hoch- und Niederspannungsschaltanlagen, mit denen wir in Projekten häufig in Berührung kommen. Da die beweglichen und festen Kontakte des Leistungsschalters in der Regel von einem mit Löschmittel gefüllten Behälter umschlossen sind, lässt sich der Öffnungs- und Schließzustand des Leistungsschalters nicht direkt feststellen. Die Statusermittlung erfolgt üblicherweise über Hilfseinrichtungen des Leistungsschalters (z. B. Öffnungs- und Schließpositionsanzeiger).

10. Isolationsmesser

Ein Trennmesser (oder Trennschalter) erkennt Verbindungen und Trennungen durch die sichtbare Unterbrechung. Es dient hauptsächlich zur Trennung von Hochspannungsleitungen, um die sichere Wartung von Leitungen und Geräten zu gewährleisten. Der trennbare Strom ist sehr gering (üblicherweise nur wenige Ampere). Da keine spezielle Lichtbogenlöscheinrichtung vorhanden ist, kann es nicht zum Trennen von Fehlerströmen und Normalströmen verwendet werden und darf nicht unter Last betrieben werden.

11. Sicherung

Eine Sicherung ist ein einfaches elektrisches Schutzbauteil. Ihr Funktionsprinzip beruht darauf, dass die Sicherung durchbrennt und den Stromkreis unterbricht, sobald der durch sie fließende Strom einen bestimmten Wert für eine bestimmte Zeit erreicht oder überschreitet. Die Funktionsweise ist einfach, die Installation unkompliziert. Sicherungen werden in der Regel nicht allein, sondern meist in Kombination mit anderen elektrischen Geräten verwendet. Die wichtigsten Merkmale sind: Erstens muss der Strom einen bestimmten Wert erreichen, der werkseitig festgelegt ist und nicht verändert werden kann. Zweitens muss nach Erreichen eines bestimmten Stromwerts eine bestimmte Zeit vergehen, die ebenfalls vom Hersteller festgelegt und nicht verändert werden kann. Es gibt verschiedene Arten von Sicherungen, darunter träge, schnell und ultraschnell. Drittens ist die Sicherung nach dem Auslösen beschädigt und kann nicht wiederverwendet werden; sie muss ersetzt werden. Ob die Sicherung durchgebrannt ist, lässt sich an der Sicherungsanzeige oder dem Aussehen der Schmelzspuren erkennen. Gängige Sicherungen und Schutzrohre gehören zu dieser Kategorie elektrischer Geräte.

12. Lastschalter
Der Lastschalter verfügt über eine einfache Lichtbogenlöscheinrichtung. Als Löschmedium dient üblicherweise Luft, die bestimmte Ströme und Überströme schalten und unterbrechen kann, jedoch keine Kurzschlussströme unterbrechen und somit keine Kurzschlussfehler beheben kann. Daher ist es keinesfalls zulässig, einen Leistungsschalter einfach durch einen Lastschalter zu ersetzen. Sollte ein Lastschalter verwendet werden, muss er in Verbindung mit der bereits erwähnten Hochspannungssicherung eingesetzt werden (tatsächlich werden Sicherung und Lastschalter zur Kostenreduzierung häufig in Reihe geschaltet, um einen einfachen Überlastschutz zu gewährleisten). Der Lastschalter ähnelt einem Trennmesser und weist eine deutliche Trennstrecke auf, anhand derer sich leicht erkennen lässt, ob der Stromkreis ein- oder ausgeschaltet ist.

13. Transformator

Vereinfacht gesagt, ist ein Transformator ein Gerät, das mithilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern unterschiedliche Spannungspegel (genauer gesagt: elektrische Energie) umwandelt. Die Frequenz der Spannung ändert sich dabei vor und nach der Umwandlung nicht. Je nach Anwendungsbereich lassen sich Transformatoren in verschiedene Typen unterteilen, beispielsweise Leistungstransformatoren, Gleichrichtertransformatoren, Spannungsregler, Trenntransformatoren sowie Strom- und Spannungswandler. Auf Baustellen findet man häufig Leistungstransformatoren.
Zu den wichtigsten technischen Parametern eines Transformators gehören: ① Nennleistung: die Nennausgangsleistung des Transformators unter Nennbetriebsbedingungen (entspricht U × I in kVA); ② Nennspannung: Leerlaufspannung, Nennanzapfungsspannung, Klemmenspannung; ③ Leerlaufverluste: die Verluste des Transformators im Leerlauf (auch Eisenverluste genannt); ④ Leerlaufstrom: der Strom, der im Leerlauf durch die Primärspule fließt; ⑤ Kurzschlussverluste: die Verluste, die durch den Nennstrom auf der Primärseite und einen Kurzschluss auf der Sekundärseite entstehen (hauptsächlich durch den Spulenwiderstand); ⑥ Anzapfungskonzept: Um den Anforderungen des Netzbetriebs gerecht zu werden, verfügt die Hochspannungsseite eines Transformators über Anzapfungen. Die Spannungen an diesen Anzapfungen werden als Prozentsatz der Nennspannung, die sogenannte Anzapfungsspannung, angegeben. Ein Hochspannungstransformator mit 10 kV verfügt beispielsweise über einen ±5%-Anzapfungsschalter. Das bedeutet, dass der Transformator auf drei Spannungsebenen betrieben werden kann: 10,5 kV (+5%), 10 kV (Nennspannung) und 9,5 kV (-5%). Im Allgemeinen besitzen Transformatoren mit Anzapfungsschaltern mehr Anzapfungen, beispielsweise 7 (±3 × 2,5%) oder 9 (±4 × 2%). Da die synchrone Schaltung des Stufenschalters nicht vollständig gewährleistet werden kann, lassen sich Transformatoren mit Anzapfungsschaltern im Allgemeinen nicht parallel betreiben. ⑦ Wirklastlast: Lasten, die im Stromnetz mechanische oder Wärmeenergie erzeugen. Rein ohmsche Lasten, wie z. B. elektrische Heizungen, Elektroöfen und Beleuchtung, verbrauchen ausschließlich Wirkleistung. Asynchron- und Synchronmotoren hingegen verbrauchen sowohl Wirk- als auch Blindleistung. Der Anteil, der durch Arbeit mechanische Energie erzeugt, zählt zur Wirklastlast. Die Wirklast wird durch die Wirkleistung des Generators gedeckt. ⑧ Blindleistung: Der Teil der elektrischen Last, der keine Arbeit verrichtet. Blindleistung wird nur von induktiven Lasten verbraucht, z. B. von Transformatoren, Motoren, Klimaanlagen, Kühlschränken usw. Daher muss der Generator neben der Wirkleistung auch Blindleistung bereitstellen. Reicht die Blindleistung nicht aus, um den Netzbedarf zu decken, sinkt die Systemspannung. Um den Bedarf der Nutzer zu decken, muss im Umspannwerk ein Blindleistungskompensator installiert werden, der das Blindleistungsgleichgewicht aufrechterhält und somit die Spannung stabilisiert. ⑨ Notstromreserve: Eine Komponente der Reservekapazität im Stromnetz. Da es bei den Stromerzeugungsanlagen zu vorübergehenden oder dauerhaften Ausfällen kommen kann, die die Stromversorgung beeinträchtigen, muss das System mit einer bestimmten Anzahl von Notstromquellen ausgestattet sein, um die Sicherheit der Anlagen zu gewährleisten. ⑩ Systemdemontage: Um einen Systemausfall und eine unkontrollierte Ausbreitung zu verhindern, wird das Stromnetz vollständig in mehrere unabhängige, nicht mehr synchron arbeitende Systeme aufgeteilt. Nach der Entlastung kann es in einigen lokalen Systemen zu Leistungsengpässen sowie zu Frequenz- und Spannungsabfällen kommen. Daher muss ein Teil der Last entfernt werden, um die Stabilität des Gesamtsystems nicht zu gefährden.