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VDE
Fachtagung
Niederspannungs-Schaltanlagen und -Gerätetechnik
Nachweis der Grenzübertemperaturen in TSK-Anlagen
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Nachweis der Grenzübertemperaturen in typgeprüften
Niederspannungs - Schaltgerätekombinationen
(TSK-Schaltfelder)
Inhalt Seite
1. Lichtbogenstörungen in Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen 2
2. Grundlagen der Prüfungen und zulässige Grenzübertemperaturen 3
Bild 2: Tabelle 2 aus VDE 066 Teil 500 Formal sind mit den Werten der Tabelle alle Grenzwerte definiert. In der täglichen
Prüfpraxis berufen sich jedoch einige Hersteller auf die Formulierung „ nach Angaben des
Herstellers“ und definieren ihre eigenen Grenzübertemperaturen auf der Basis der
Eigenschaften des umgebenen Isoliermaterials, mit dem Hinweis ihre Bauteile und Geräte
sind für diese höheren Werte geeignet. Bedacht wird in diesen Zusammenhang nicht,
dass z.B. die mechanische Festigkeit des Leiterwerkstoffes Kupfer durch Verschiebungen
im kristallinen Aufbau, sich bereits bei einer Temperatur von 125 °C [2] verändert und
somit die Güte und Lebensdauer einer Verbindung negativ beeinflusst wird [3].
Spielraum und Unsicherheit bieten auch die unterschiedlichen Grenzübertemperaturwerte
in den Vorschriften der Bauteile und Geräte. In der folgenden Tabelle sind aus Platz- und
Übersichtlichkeitsgründen die Grenzübertemperaturen nur einige Bauteile, die für die
Niederspannungs-Schaltgerätekombination verwendet werden, zusammengestellt und mit
den zulässigen Werten der Vorschrift der Mittel -und Hochspannungsanlagen IEC 60694
(VDE 0670 Teil 1000) [4] und der IEC 60943 [2] verglichen. Auffällig ist, dass noch nicht
einmal in der Vorschriftengruppe VDE 0660 eine einheitliche Festlegung der
Grenzübertemperaturen vorliegt. Vergleicht man diese Werte mit den der Mittel- und
Tabelle 2 aus VDE 0660 Teil 500 - Grenzübertemperaturen -
Teile der Schaltgerätekombination Grenzübertemperaturen [ K ]
Eingebaute Betriebsmittel Entsprechend den für sie geltenden Bestimmungen, soweit vorhanden, oder entsprechend den Angaben des Herstellers unter Berücksichtigung der Innentemperatur der Schaltgerätekombination.
Anschlüsse für von außeneingeführte isolierte Leiter
70
Sammelschienen und Leiter, Steckkontakte von herausnehmbaren Teilen oder Einschübe zum Anschluss an Sammelschienen
Begrenzt durch: - mechanische Festigkeit der Leiterwerkstoffe; - möglichen Einfluss auf benachbarte Betriebsmittel; - zulässige Grenzübertemperatur des Isolierstoffes, den der Leiter berührt; - Rückwirkung der Leitertemperatur auf die angeschlossenen Geräte; - Art und Oberfläche des Kontaktmaterials bei Steckkontakten.
Bedienteile
aus Metall aus Isolierstoff
15 25
Berührbare Außenflächen von Gehäusen oder Verkleidungen
aus Metall aus Isolierstoff
30 40
Steckverbindungen Begrenzt durch die Werte der zugehörigen Betriebsmittel, deren Bestandteil sie sind.
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Hochspannungsanlagen, so ist zu erkennen, dass für die Neugestaltung der IEC 60439
ein erheblicher qualitativer Nachholbedarf besteht. Eine qualitative Verbesserung ist auch
für die Gruppe der IEC 60947 notwendig. Nur die Angabe eines Grenzwertes für die
Anschlusstemperatur z.B. eines Niederspannungsleistungsschalters in Einschubbauform
ohne Nachweis der Übertemperatur der Steckkontakte und inneren Verbindungen ist
keine ausreichender Nachweis einer Zuverlässigkeit der geforderten Lebensdauer.
Bild 3: Zusammenstellung der zulässigen Grenzübertemperaturen für verschiedene Bauteile
3. Erwärmungsprüfungen Die Niederspannungs-Schaltgerätekombination ist im allgemeinen ein Schranksystem,
das Schaltgeräte , Stromschienen und zusätzliche Einbaugeräte enthält. Wird diese
Schaltgerätekombination von einem Bemessungsstrom durchflossen, so entsteht nach
den physikalischen Gesetzmäßigkeiten eine Verlustwärme, die über die Wärmeleitung,
Konvektion und Lüftung abgeführt werden muss.
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Bild 4: Aufbau einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination
Bild 5: Belastung einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination Gemäß der Definition der VDE 0660 Teil 500 wird eine Niederspannungs-
Schaltgerätekombination in der Einspeisung mit dem Bemessungsstrom Ie und dem
Bemessungsbelastungsfaktor = 1 belastet. In der Hauptsammelschiene fliest je nach
Gestaltung der Anlage der Bemessungs- oder Teilstrom. Die Verteilschiene eines
Abgangsfeldes wird mit ihrem Bemessungsstrom und dem Bemessungsbelastungsfaktor
1 belastet. Die einzelnen Abgänge dieses Feldes mit dem Bemessungsstrom des
Abganges multipliziert mit dem Bemessungsbelastungsfaktor gemäß Tabelle 1 der VDE
0660
Teil 500 [1]. Ist die Summe der Abgangsströme größer als der Bemessungsstrom der
Verteilschiene, so wird nur ein Teil der Abgänge belastet. Die gewählte Kombination soll
immer den kritischsten Belastungsfall nachbilden. Verluste zusätzlicher Bauteile ( Spulen
I 0
Schaltgeräte
Steuergeräte Meßgeräte
Meldegeräte Regelgeräte
Stromschienen
Schutzgeräte I 0
Bemessungs-Strom
äußere Umgebungstemperatur max 35 °C
Strahlung
Lüftung
g
Konvektion
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von Schützen, elektronische Geräte u.s.w.) können mit Heizwiderstände nachgebildet
werden. In der Prüfpraxis hat sich jedoch herausgestellt, dass der Einsatz von realen
Bauteilen günstiger ist, da die genaue Nachbildung des Wärmeaustausches bei z.B.
kleinräumigen MCC-Einschüben mit Heizwiderständen nicht möglich ist und eher
negativere Prüfergebnisse hervorbringt. Auch die Nachbildung von Leistungsabgängen in
Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen ist zwar nach der Vorschrift unter
Beachtung gewisser Bedingungen [5] möglich, sollte jedoch nicht angewendet werden, da
die tatsächlich auftretenden kritischen Punkte an den Verbindungen und Anschlüssen
damit nicht erfasst werden.
Das Hauptproblem für den Anlagenbauer liegt in dem Umstand, das die zulässigen
Grenztemperaturen für die Schaltgeräte und Bauteile nach derengeltender Norm in freier
Luft mit Meter langen, schwarz gestrichenen Schienenpaket ermittelt werden und im
Schaltfeld nur wenige Zentimeter bis zur nächsten Verbindung zur Verfügung stehen,
zusätzlich die Luftbewegung durch die Packungsdichte und Schutzartforderung begrenzt
ist.
Bild 6: Prüfanordnung der Erwärmungsprüfung der Niederspannung - Leistungs- Schalter und NH Sicherungsleisten
70 K
3 m
2 m
Einspeisung
Kurzschluß
Leistungsschalter
Cu-Schienen, schwarz gestrichen
Cu-Schienen blank , 1m
70 K
Kurzschluß
Einspeisung
Kabel 3 m
70 K Anschluß
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In dem folgendem Bild sind die Messpunkte zum Nachweis der Grenzübertemperaturen in
einem typischen Schaltfeld für 2500 A dargestellt.
Bild 7: Anordnung der Temperaturmessstellen zum Nachweis der Grenzüber- temperaturen
Bei der Bewertung der Messergebnisse werden die Grenzübertemperaturen der Tabelle 2
der VDE 0660 Teil 500 zugrunde gelegt [1]. Fehlende Angaben z.B. für den
Leistungsschalter werden aus den Vorschriften ( IEC 60947-2; VDE 0660 Teil 101) der
Bauteile entnommen. Für die Stromschienenverbindung hat sich auf Grund der fehlenden
Grenzwertangaben in der VDE 0660 Teil 500 [1] in der Praxis die Verwendung der DIN
43671 als günstig - und von den meisten Schaltanlagenbauer auch akzeptiert –
herausgestellt. Wichtig für den Nachweis der Grenzübertemperaturen ist die Kontrolle der
Übertemperaturen der Wicklungen der eingebauten Stromwandler. Hier hat sich in der
Prüfpraxis herausgestellt, das der Einsatz der Stromwandler in der realen Schaltanlage
von den Prüfbedingungen des Stromwandlers in freier Luft stark abweicht und eine
Überschreitung der zulässigen Wicklungstemperaturen um >20 % und mehr nicht selten