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Sicherer und effizienter Netzbetrieb mit Strombegrenzern

Bild 1. Der Strombegrenzer Clip (Current Limiting Protector) von G&W begrenzt Kurzschlussströme bis 200 kA

Bild 1. Der Strombegrenzer Clip (Current Limiting Protector) von G&W begrenzt Kurzschlussströme bis 200 kA

Bild 2. Aufbau des Strombegrenzers

Bild 2. Aufbau des Strombegrenzers

Bild 3. Der Strombegrenzer schützt beispielsweise Methan-betriebene Generatoren in Kläranlagen

Bild 3. Der Strombegrenzer schützt beispielsweise Methan-betriebene Generatoren in Kläranlagen

Als Schutz vor Kurzschlussströmen werden in der Nieder- und der Mittelspannung häufig Sicherungen eingesetzt. Diese trennen den Strompfad bereits im Stromanstieg, vor Erreichen des maximalen Kurzschlussstroms. Sie eignen sich allerdings nur für kleine Nennströme. Deswegen werden für größere Nennströme meist Leistungsschalter mit einer entsprechenden Mess- und Auslöseeinrichtung verwendet. Da diese verzögert auslösen, fließt der volle Kurzschlussstrom, bevor es zur Abschaltung kommt. Möchte man die Ausfallzeiten minimieren, die Personensicherheit erhöhen oder die Kurzschlussleistung begrenzen, sind Strombegrenzer oft die einzige Möglichkeit, das Netz sicher zu betreiben.

Die Messeinrichtung eines Leistungsschalters detektiert den Kurzschlussstrom in der Regel innerhalb von 40 ms und setzt die Mechanik in Aktion, die den Ausschaltkontakt öffnet. Leistungsschalter, die in der Mittelspannung meist mit Vakuumschaltkammern ausgerüstet sind, unterbrechen den Strom erst im Nulldurchgang. In Summe kommt es zu Ausschaltzeiten von bis zu 100 ms, also rund fünf ­Phasenzyklen. Da hierdurch der maximale Kurzschlussstrom auftritt, müssen alle Komponenten der Schaltanlage sowie die angeschlossenen Stromkabel für diese Stromstärke ausgelegt sein.
Verursacht ein Störlichtboden den Kurzschluss, hat dieser nach 100 ms eine fatale Auswirkung auf die Störstelle. Schaltanlagen müssen dann außer Betrieb gesetzt und Reparaturen durchgeführt werden. Wenn die Schaltanlagen nicht dem aktuellen Personenschutz genügen, was zum Beispiel bei Altanlagen im Bestandschutz der Fall sein kann, sind ernste Gefahren für das Personal zu ­erwarten.

Schnelle Unterbrechung
Der steigende Energiebedarf führt zusammen mit redundanten und dezentralisierten Energieeinspeisungen zu einer Erhöhung der Kurzschlussleistung in den Versorgungsnetzen. Die Schaltanlagen und Kabelverbindungen sind für die auftretenden Kurzschlussströme auszulegen. Allerdings ist ein Austausch teilweise technisch nicht möglich oder aus ökonomischen Gründen nicht realisierbar. Das Netz lässt sich meistens nur mit einem Strombegrenzer ­sicher betreiben, wenn die Ausfallzeiten minimiert beziehungsweise die Personensicherheit oder die Kurzschlussleistung erhöht ­werden soll. Strombegrenzer unterbrechen den Stromfluss innerhalb der ersten Halbwelle, vor Erreichen des Maximums. Die Leistung wird somit auf ­weniger als 1 % gegenüber einer Abschaltung durch ­Leistungsschalter gesenkt.
Strombegrenzer eignen sich auch zur Reduzierung von Energieverbräuchen beim Einsatz von Drosseln. Dabei werden sie im Bypass zu Drosseln eingebaut und führen den Nennstrom. Bei einem Kurzschluss öffnet der Begrenzer und der reduzierte Kurzschlussstrom wird über die Drossel weiter geführt.
Vorteile von Strombegrenzern sind minimale Auswirkungen auf Betriebsmittel durch einen auftretenden Fehler, schnellere und kostengünstigere Instandsetzung nach einem Fehler sowie eine deutliche Erhöhung des Personenschutzes bei einem Störlichtbogen. Gerade bei offenen Anlagen wird der Störlichtbogen beseitigt und muss nicht beherrscht werden.
Als Alternative bieten sich schnell schaltende Erdungsschalter an. Sie leiten im Falle eines Kurzschlusses in der Einspeisung der zu schützenden Schaltanlagen aktiv ­einen Kurzschluss ein. Dies schützt die nachfolgende Schaltanlage, da die vorgelagerten Betriebsmittel mit dem maximalen Kurzschlussstrom beaufschlagt werden, bis der zugehörige Leistungsschalter den Strom unterbricht. Nach einer Auslösung muss bei allen Varianten das Schaltelement, wie bei einer herkömmlichen Sicherung, ausgetauscht werden.

Weltweit im Einsatz
Strom begrenzende Schaltgeräte werden nur von wenigen Herstellern gebaut und weltweit vertrieben. G&W aus der Nähe von Chicago (USA) baut seit über 30 Jahren Strombegrenzer. Die Baureihe Clip (Bild 1) wird mittlerweile in mehr als 3 000 Installationen in über 34 Staaten zum Kurzschluss- und Lichtbogenschutz eingesetzt – in allen Bereichen der Industrie, auf Ölplattformen sowie in Windparks. Der Strombegrenzer besteht aus einer Stromerfassung mit einer Auslöselogik, einer Hauptstrom tragenden Sammelschiene mit vier Trennstellen und einer dazu parallel angeordneten Strom begrenzenden Schmelzsicherung (Bild 2). Sobald die Auslöselogik einen Kurzschlussstrom detektiert, wird der Hauptstrompfad an den Trennstellen der Sammelschienen aufgesprengt. Der Strom kommutiert auf die parallele Strom begrenzende Schmelzsicherung und wird gelöscht. Die Strombegrenzung geschieht bereits in der ersten Halbwelle vor Erreichen des Maximalwertes.
Durch das Aufsprengen von vier Trennstellen der Sammelschienen wird ein hoher Strom auf die parallel liegende, Strom begrenzende Schmelzsicherung kommutiert. Dadurch hat Clip ein besonders schnelles Ausschaltverhalten. Die Auslöselogik sitzt direkt auf der Stromschiene an der Messstelle und an den Trennstellen der Sammelschiene, was alle Randeinwirkungen ausschließt. Standardmäßig ist der Strombegrenzer mit einer redundant aufgebauten Auslöselogik und Strommessung ausgestattet. Optional kann die komplette Auslöseeinheit redundant, mit zwei unabhängigen Spannungsversorgungen, Auslöselogik und Messsystemen aufgebaut werden, was eine einzigartige Sicherheit bietet.

Partnerliche Projektierung
Der IP65-geschützte Strombegrenzer ist für die Innenraum und Freiluftanwendung geeignet (Bild 3). Die Serie deckt die Spannungsebene von 750 V bis 38 kV ab, bei Nennströmen von 1 250 A bis 5 000 A und Kurzschlussströmen bis 200 kA. Die Spannungsversorgung kann von einer gesicherten Batterieversorgung oder direkt aus dem Netz bezogen werden und ist von AC/DC 24 V bis 250 V konfigurierbar.
Clip wird als einzelnes Schaltgerät oder in einem an die örtlichen Gegebenheiten angepassten Schaltschrank angeboten. Kabelanbindungen, Stromschienenanschlüsse oder Anbindungen an vorhandene Schaltanlagen sind möglich. Projekte werden in Zusammenarbeit mit G&W und deutschen Kooperationspartnern realisiert. Diese übernehmen den Schaltschrankbau und die Montage vor Ort.
Clip wird werksseitig auf die vom Kunden zur Verfügung gestellten Netzdaten eingestellt. Eine Inbetriebnahme durch den Hersteller ist nicht erforderlich. Die Unterbrecher­einheit ist 20 Jahre wartungsfrei. Eine Kon­trolle der Auslöselogik wird alle zwei Jahre empfohlen und kann durch den Betreiber selbst durchgeführt werden. Das Prüfsystem erzeugt den Auslösestrom, mit dem sich die komplette Auslösekette prüfen lässt. (no)

Dipl.-Ing Uwe Blecher ist ­Unternehmensberater im Bereich Schaltanlagentechnik in Selm. uwe.blecher@online.de

Dipl.-Ing Uwe Blecher ist ­Unternehmensberater im Bereich Schaltanlagentechnik in Selm. uwe.blecher@online.de