Vakuumschalter: Aufbau und Funktionsprinzip + Besonderheiten bei Auswahl und Anschluss

Der Vakuumschalter – ein elektrisches Gerät, das für den Betrieb in elektrischen Hochspannungsnetzen vorgesehen ist. Seinen Namen verdankt er der besonderen Konstruktion – der Vakuumkammer, durch die eine sofortige Löschung des Lichtbogens erreicht wird.

Das Gerät wird als Schalter eingesetzt, der zum Abschalten von Anlagen im Notfall oder im laufenden Betrieb dient. Sehen wir uns genauer an, was ein Vakuumschalter ist und wofür er benötigt wird.

Wie funktioniert ein Hochspannungs-Vakuumschalter?

Die Grundlage der Funktionsweise von Vakuumkammern, die in der Schalterkonstruktion verwendet werden, sind die physikalischen Eigenschaften des Gases in einem verdünnten Zustand. Unter diesen Bedingungen ändert sich die Eigenschaft des Gases, die als elektrische Festigkeit bezeichnet wird, erheblich in Richtung einer Erhöhung.

Dieser Effekt des stark verdünnten Mediums (Bereich von 10^-6 bis 10^-8 N/cm²) wird erfolgreich in Schalterkonstruktionen eingesetzt, die mit Gas-Vakuumkammern ergänzt sind, durch die elektrische Kontaktgruppen verlaufen.

Eines der Modelle eines Vakuumschalters – eines Geräts, das beim Betrieb von elektrischen Energienetzen verwendet wird. Das Gerät gilt im Vergleich zu ähnlichen Geräten eines anderen Bautyps als moderner und zuverlässiger.

Der durch die Kontaktgruppen fließende Strom (im Moment der Kontakttrennung) erzeugt eine elektrische Entladung – einen Lichtbogen. Das Brennen des Lichtbogens erfolgt durch teilweise Ionisation von Metalldämpfen, die unweigerlich durch die hohe Temperatur entstehen. Der Stromfluss zwischen den Kontakten durch das gebildete Plasma wird bis zum Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs aufrechterhalten.

Sobald der Nulldurchgang erreicht ist, erlischt der Lichtbogen. Die Gesamtdauer des Vorgangs beträgt nicht mehr als 7-10 Mikrosekunden.

Aufbau von Vakuumschaltern

Die Vielfalt der Vakuumschalter ist hinsichtlich ihrer Bauart recht groß. Daher ist es schwierig, eine allgemeine Charakteristik dieser Geräte zu geben. Dennoch bleibt das Funktionsprinzip unabhängig von den konstruktiven Unterschieden gleich.

Strukturschema des Vakuumschalters: 1 – oberer Anschluss; 2 – Vakuumkammer; 3 – Polymerisolator; 4 – unterer Anschluss; 5 – Bandkontakt; 6 – Kraftfeder; 7 – Zugstange; 8 – Ausschaltfeder; 9 – Übertragungshebel; 10 – Antriebswelle; 11 – Auslöser; 12 – Gehäuse

Betrachten wir zur allgemeinen Einführung einen dreipoligen Vakuumschalter, der mit einem Federmotorantrieb ausgestattet ist. Dieses Gerät ist für den Innenaufbau oder für die Installation im Freien ausgelegt. In jedem Fall erfolgt die Montage innerhalb spezieller metallischer Verteilerschränke.

Die Geräte können in den unterschiedlichsten Bereichen der Volkswirtschaft eingesetzt werden. Es gibt jedoch einige Einschränkungen.

So sind Vakuumschalter nicht für die Installation und den anschließenden Betrieb unter folgenden Bedingungen vorgesehen:

• Räume mit explosions- oder brandgefährdeter Atmosphäre;
• Anlagen, die konstruktionsbedingt eine häufige Schaltung vorsehen;
• Anlagen mobiler (fahrbarer) Art;
• Energiesysteme von See- und Flussschiffen.

Vakuumschalter haben in der Regel zwei Bauarten:

1. Für stationäre Installation.
2. Für Installation mit Gerätewagen.

Unabhängig von der Bauart enthält der Gehäusebereich des Geräts drei Pole, die mit Lichtbogenlöschkammern ausgestattet sind.

In den Vakuumkammern arbeiten bewegliche Kontakte, die durch einen Federmotorantrieb betätigt werden. Das Gehäuse des Geräts wird durch eine Frontplatte ergänzt, auf der sich Anzeige- und Steuerungselemente befinden.

Äußere Hauptelemente des Schalters: 1 – Gerätepole; 2 – Einschaltblockiermechanismus; 3 – Hebefenster; 4 – Mechanikgriff zur Blockierung externer Stromkreise

Die drei Pole des Hauptstromkreises sind säulenförmig ausgeführt. Die Pole befinden sich in der Regel auf der Rückseite des Chassis des Federmotorantriebs. Jeder Pol ist mit einer Lichtbogenlöschkammer ausgestattet, die in einem Polymerisolator untergebracht ist. Zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit hat der Isolator eine Rippenform.

In jeder Vakuumkammer ist eine Kontaktgruppe aus zwei Elementen montiert – einem beweglichen und einem festen. Das bewegliche Kontaktelement ist über einen Zugisolator mit dem Schaltmechanismus verbunden. Weiter besteht eine Verbindung zum unteren Kontaktanschluss. Der feste Kontakt ist über eine Konuspressung mit dem oberen Kontaktanschluss des Geräts verbunden.

Wie funktioniert der Antrieb des Schalters?

Die beweglichen Kontakte der Vakuumkammern sind mechanisch mit der Welle des Federmotorantriebs verbunden. Mit Hilfe einer vorgespannten (in einen gedehnten Zustand versetzten) Kraftfeder lässt sich der Antrieb leicht durch einfaches Drücken des Bedienknopfes oder einen anderen Mechanismus auslösen.

Strukturschema der Vakuumkammer: 1 – Klemmleiste des feststehenden Kontakts; 2 – feststehender Kontakt; 3 – beweglicher Kontakt; 4 – Metallschirm; 5 – keramischer (polymerer) Isolator; 6 – Faltenbalg; 7 – Klemmleiste des beweglichen Kontakts

Die Feder (in der Regel zwei Federn) wird über einen Kettentrieb gespannt. Der normale Betriebszustand der Anlage sieht das Spannen der Feder durch einen Elektromotor mit Getriebe vor. Gleichzeitig gibt es einen Handspannhebel, der im Falle von Störungen oder Stromausfall verwendet wird.

Die gespannte Feder wird durch einen Auslösemechanismus arretiert. Dieser Mechanismus wird über einen elektromagnetischen Antrieb oder einen Einschaltknopf gesteuert. Sobald der Einschaltmodus aktiviert wird, wird die Arretierung gelöst, und die Federkraft betätigt einen Kurvenmechanismus. Dieser wiederum wirkt auf eine Welle, die mechanisch mit dem Schaltmechanismus der beweglichen Kontakte der Vakuumkammern verbunden ist.

Die Ausschaltoperation des Vakuumschalters erfolgt durch Aktivierung des Modus „Aus“ – mittels Elektromagnet oder Knopf. Der Ablauf ist nahezu identisch mit dem ersten Modus. Auch hier kommen die Ausschaltkraftfedern zum Einsatz, deren Zustand der Ausschaltauslösemechanismus festlegt.

Bedienfeld und Anzeigeelemente: 1 – Modus „Ein“; 2 – Modus „Aus“; 3 – gespannter Zustand der Feder; 4 – Zustand der entspannten Feder

Die Bedienung und Kontrolle des Gerätes wird durch das Bedienfeld erleichtert. Auf der Vorderseite des Bedienfeldes befinden sich: ein Zyklenzähler, eine Anzeige des Spannzustands der Feder und eine Anzeige des Zustands des Vakuumschalters.

Besonderheiten von ausfahrbaren Konstruktionen

Die Geräte in ausführbarer Bauweise sind auf einem speziellen Gerätewagen montiert. Mit diesem Zubehör wird der Schalter in den Schrank eingefahren oder aus ihm herausgefahren.

Der Gerätewagen fungiert nicht nur als Transportvorrichtung des Gerätes, sondern auch als Steuerung für die Einschaltung des Gerätes in den Testmodus oder in den Betriebsmodus, sobald der Schalter in den Schrank geschoben ist.

Gerätewagen: 1 – Laufrolle (4 Stk.); 2 – Basis; 3, A – bewegliche Basis; 4 – Handgriff (2 Stk.); 5 – Aufnahme für die Gewindestange; 6 – Verriegelungsleiste; 7 – Fixierelement; 8 – Steckverbinder für den Sekundärkreis; 9 – Mechanik der Geräteverriegelung; 10 – Verriegelungskontakte; 11 – Schraubenfixierleiste; B – unbeweglicher Teil

Der Vakuumschalter wird direkt am beweglichen Teil des Wagens befestigt. Die Befestigung erfolgt mittels Schraubverbindungen. Der Gerätewagen hat jedoch auch einen unbeweglichen Teil, an dem der Antrieb des beweglichen Teils befestigt ist. Die Bewegung des beweglichen Moduls relativ zum unbeweglichen erfolgt über die Schraube des Bedienhebels des Wagens.

Der bewegliche Teil – ein metallischer Sockel auf vier Rädern, galvanisch beschichtet. Hier befinden sich eine externe mechanische Verriegelung (Druckleiste) des Erdungsschalters, eine Verriegelung der Antriebsschraube, Hilfskontakte, der Verriegelungsmechanismus des Schalters und weitere Elemente, die die Bewegung oder Fixierung gewährleisten.

Installation und Anschluss des Geräts

Bevor Sie mit der Installation des Vakuumschalters beginnen, müssen Sie alle äußerlich zugänglichen Elemente inspizieren, um sicherzustellen, dass keine Schäden oder Mängel vorliegen. Anschließend werden die Isolierflächen der Pole mit einem trockenen, fusselfreien Tuch gereinigt.

Es ist nicht zulässig, das Gerät in das System zu integrieren, wenn die Isolierflächen Absplitterungen, Risse oder deformierte Stellen aufweisen. Die Schaltung der Sekundärkreise sowie der Anschluss der Gehäuseschiene müssen unbedingt überprüft werden.

Überprüfung des installierten Geräts. Hierbei ist es wichtig, jedes Detail und jedes Befestigungselement sorgfältig zu prüfen. Hochspannungsgeräte verzeihen nicht einmal den kleinsten Fehler.

Vor der Installation sollte die Funktionsfähigkeit des Schalters durch manuelles Einschalten (im Leerlauf ohne Stromversorgung) geprüft und die korrekte Position der Anzeigen der Bedienblende überprüft werden. Dann müssen die Polabdeckungen vorhanden sein. Wenn Geräte für Nennstrom 1600 A und höher verwendet werden, müssen die Schutzabdeckungen vor der Montage entfernt werden.

Direkter Anschluss ans Netz

Die Klemmen der Kontaktstücke der Leiter der Starkstromkabel müssen vor dem Anschließen an die Schalteranschlüsse gereinigt werden.

Das Reinigungsverfahren variiert je nach verwendetem Klemmenmaterial:

• Bei Kupfer- und Aluminiumklemmen ohne zusätzliche Beschichtung erfolgt die Reinigung mit Schleifpapier der Körnung M20 oder feiner, gefolgt von einer Entfettung der Metalloberfläche.
• Wenn die Kupfer- oder Aluminiumklemmen mit einer Silberschicht überzogen sind, reicht es, sie mit einem fusselfreien Tuch zu reinigen.

Es ist nicht zulässig, Kabel zu verwenden, deren Silberbeschichtung der Klemmen auf mehr als 5 % der Fläche beschädigt ist. In diesem Fall muss das beschädigte Element ersetzt werden. Weitere Informationen zu Klemmen für den Drahtanschluss finden Sie in diesem Material.

Die externen Leiter werden so an die Anschlüsse des Vakuumschalters herangeführt, dass keine mechanischen Kräfte auf die Anschlüsse des Geräts durch die externen Leiter ausgeübt werden. Die Verbindungen werden mittels Schraubverbindungen unter Verwendung von flachen, elastischen Metallunterlegscheiben hergestellt.

Wie wird die Erdung durchgeführt?

Ortsfeste Geräte werden mittels einer Schraubverbindung (M12) direkt an dem mit „Erdung“ gekennzeichneten Punkt an die Erdungsplatte angeschlossen.

Bauteile des Gerätewagens und des Schalterschassis, über die die Erdung des Geräts erfolgt. In der Regel sind diese Punkte mit dem entsprechenden Zeichen gekennzeichnet, das neben dem Bauteil angebracht ist.

Die Kontaktfläche des Erdungspunkts muss vor der Verbindung entfettet werden. Als Erdungsleiter ist eine Schiene mit ausreichendem Querschnitt (Bestimmungen für Elektroinstallationen), ein flexibles Kabel oder ein verseilter Leiter zu wählen. Vor dem Auflegen des Leiters auf die Kontaktfläche sind die Kontaktoberflächen mit einem Spezialfett (ZIATIM-203) zu schmieren.

Die ausfahrbare Konstruktion wird mithilfe der Bauteile des Gerätewagens geerdet. Die Erdung des Vakuumschalters erfolgt über die Konstruktion des Gerätewagens, wofür ebenfalls Befestigungselemente vorhanden sind.

Inbetriebnahme des Geräts

Die Inbetriebnahme des Geräts erfolgt nach einer zusätzlichen Überprüfung der installierten und vorbereiteten Ausrüstung. Insbesondere werden die Zuverlässigkeit der Erdung, der Zustand der Befestigung der Montagekomponenten und der Zugang des Kühlmediums zu potenziell sich erhitzenden Elementen überprüft.

Die Oberflächen der stromführenden Stangen, die mit den Lamellen der Steckkontaktgruppen in Kontakt stehen, sind mit einer kleinen Menge ZIATIM-Fett zu behandeln. Insgesamt sind alle Verfahren durchzuführen, die in den PEU für Abnahmeprüfungen vorgesehen sind, und es ist sicherzustellen, dass die Betriebsspannung innerhalb der zulässigen Grenzen liegt.

Installation des Vakuumschalters. Montagearbeiten dürfen nur von qualifiziertem Personal durchgeführt werden. Die gleichen Anforderungen gelten für das Personal, das für die Wartung der Hochspannungsanlagen ausgewählt wird.

Zum Bedienen des Vakuumschalters ist nur Personal berechtigt, das über eine Genehmigung zur Wartung von elektrischen Anlagen mit Spannungen über 1.000 Volt verfügt. Die zugelassene Befähigungsgruppe für das Wartungspersonal muss mindestens die dritte sein. Vor Arbeitsbeginn an der Anlage durchläuft das Personal eine technische Schulung, um die Feinheiten des jeweiligen Anlagenmodells zu erlernen.

Wie wählt man einen Vakuumschalter aus?

Das Gerät wird unter Berücksichtigung seiner Nennparameter ausgewählt, die im Verhältnis zu den Parametern des vorhandenen Netzes am Installationsort betrachtet werden. Die Auswahl erfolgt nach dem Kriterium der am stärksten belasteten Betriebsarten, die für die Einsatzbedingungen zu erwarten sind.

Die Nennspannung des Vakuumschalters darf gleich der Nennspannung des über den Schalter gespeisten Systems sein oder diese überschreiten.

Der Parameter des Nenn-Dauerstroms wird höher als der Nennstromwert des versorgten Systems gewählt. Der Parameter des Nenn-Auslösestroms wird höher als der maximale Wert des Berechnungsstroms des Kurzschlusses gewählt (der Zeitpunkt des Kontaktöffnens wird berücksichtigt).

Das Typenschild mit den technischen Daten ist das Erste, worauf man bei der Auswahl eines Schalters achtet. Anhand der Parameterwerte kann bereits festgestellt werden, ob das Gerät für eine bestimmte Installation geeignet ist oder nicht.

Aus Sicht der möglichen Kurzschlussbedingungen erfolgt die Auswahl unter Berücksichtigung der schwersten Betriebszustände.

Der aperiodische Anteil wird unter Berücksichtigung der Kurzschlussbedingungen mit Nullspannung in einer der Phasenleitungen berechnet. Dabei ist der vom Gerätehersteller festgelegte Parameter des aperiodischen Stroms zu beachten.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Weiteres Material über Aufbau, Funktionsprinzip und Montagebedingungen eines Vakuumschalters erfahren Sie aus dem folgenden Video:

Vakuumschalter unterscheiden sich von anderen Gerätetypen durch ihren relativ einfachen und zuverlässigen Aufbau. Daher dient diese Geräteart über einen langen Zeitraum ohne besondere Beanstandungen. Die natürliche Verschleißlebensdauer wird durch die Anzahl der Schaltungen bestimmt, die mindestens 20.000 beträgt. Bei rechtzeitiger Durchführung der Wartung erhöht sich diese Lebensdauer um 5-10 %. Dabei beschränkt sich die Wartung von Vakuumschaltern auf eine geringe Anzahl einfacher Handgriffe.

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