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Leistungsschalter Teil 2 – heute und morgen

Welche Möglichkeiten bieten Leistungsschalter heute und was ist in naher Zukunft zu erwarten? Was die Schalterhersteller zur Digitalisierung, Trennung von Schutz- und Schaltgerät und zu Halbleiterschalter sagen, lesen Sie in diesem Bericht.

In medias res

Der Leistungsschalter ist nach IEC 60947-2 normiert. Die Norm wird gerade überarbeitet und kommt nächstes Jahr heraus. Grund genug, um einen Blick in die Zukunft zu werfen, wohin die Reise gehen wird.

Der Leistungsschalter ist in seiner originären Form ein Schutzgerät, welches Überlast- und Kurzschlussströme im Rahmen seiner Spezifikation abschalten kann. Er eignet sich auch für manuelles oder automatisches Schalten von Lasten. Dazu werden Motorantriebe angeboten, welche entweder über binäre Signale oder über ein Schnittstellenprotokoll angesteuert werden können. (Abb. 1)

Abb. 1: Offener NS-Leistungsschalter Siemens

Einordnung

Jeder Leistungsschalter besteht aus der Schalteinheit, dem Schutzgerät und je nach Anwendung aus Untersatz und Zubehörteilen. Leistungsschalter sind nach IEC 60947-2 normiert und es gibt sie in offener Bauform (engl. Air Circuit Breaker ACB) oder als Kompaktleistungsschalter, (engl. Molded Case Circuit Breaker MCCB). Ferner zählen auch die Leitungsschutzschalter (engl. Miniatur Circuit Breaker MCB) zu den Leistungsschaltern. Die lassen wir hier aber aussen vor, da sie andere Eigenschaften hinsichtlich Bauform, Funktionalität, Kennlinien und teilweise Normung aufweisen.

Sowohl MCCB wie auch ACB sind auch als Lasttrennschalter erhältlich. Diese sogenannten CBI sind von Leistungsschaltern abgewandelte Lasttrennschalter. Aufgrund ihrer Herkunft haben Sie jedoch bezüglich Hauptkontaktführung Eigenschaften von Leistungsschaltern. Die verschiedenen Arten von CBIs und die Eigenschaften von Last- und Leistungsschaltern ist im Artikel Leistungsschalter Teil 1 genau beschrieben.

Was die Schalterhersteller im schweizerischen Markt wichtigsten Hersteller ABB, Eaton, Hager, Rockwell Automation (RA) Schneider Electric (SE), Siemens (SI) im Programm haben und wohin die Reise geht, habe ich recherchiert und nachfragt.

Schalt- und Schutzfunktionen

Alle Anbieter haben einerseits die traditionellen thermomagnetischen (TM)-Auslöser und andererseits die weit aus besser einstellbaren elektronischen (EL)-Auslöser in verschiedenen Ausführungen in den Schutzfunktionen LSIG sowie Zonenselektivität im Programm. ABB, Schneider Electric und Siemens bieten auch höhere Funktionen wie den richtungsabhängigen Schutz und spezifische Generatorschutzfunktionen, um nur die wichtigsten zu nennen.

Automation, Cloudeinbindung, IoT

Siemens setzt grundsätzlich grossen Fokus darauf, IoT fähige Komponenten zu entwickeln. Geräte schnell, einfach und sicher in eine Cloud-Umgebung zu integrieren ist die Devise, so Sebastian Gerber, Head of Low Voltage bei Siemens Schweiz AG. Siemens stellt für Smartphones eine App zur Verfügung mit welcher Schalter innerhalb des gleichen Netzwerkes (WLAN) oder in der Nähe (Bluetooth) gefunden werden können. Auch ABB und Schneider Electric bieten das an. Rockwellautomation sieht die Konvergenz von IT und Operations-Technology (OT) als entscheidender Faktor um 4. industrielle Revolution zu erreichen. Das heisst, die zukünftigen Schalt- und Steuergeräte werden die notwendigen Daten an das Informationssystem liefern müssen.

Schnittstellen, Integration in Leittechnik

Dennoch setzen sowohl Hager wie auch Rockwellautomation auch stark auf den traditionellen Markt. Hager ist auf den Zweckbau fokussiert und daher seien das Schnittstellenprotokoll 61850 und der ANSI-Code kein Thema, so Urs Kopp von Hager (Schweiz) AG. Hingegen bietet Hager integrierte Messlösungen mit hoher Genauigkeit mit Modbus-TCP/IP und BacNet-Schnittstellen. Damit lassen sich die Daten in einem Gebäudeleitsystem auswerten und Lastoptimierungen realisieren.

Die Anbindung an ein Schaltanlagenleitsystem über IEC 61850 bieten ABB und Schneider Electric, bei Siemens ist das geplant.

Der entsprechend mit IEC-61850-Kommunikation ausgestattete Leistungsschalter ist in der Lage, einen Fehler zu erkennen und eine GOOSE-Meldung an andere NS- oder MS-Schalter zu senden, damit diese gesperrt werden. Wie ABB in ihrer Dokumentation schreibt, ermöglicht der Ekip-Com-Actuator die Ein- und Ausschaltvorgänge des Leistungsschalters aus der Ferne und vervollständigt die Überwachung der Anlage über ein SCADA-System 1. Dank IEC 61850, einer hohen Baudrate und dem Verzicht auf Protokollkonverter kann ein effizienteres Kommunikationssystem aufgebaut werden, so ABB weiter. Darüber hinaus sind GOOSE-Nachrichten2 30 % schneller als jede andere festverdrahtete Steuerungslösung. Damit ist IEC 61850 die Leittechnikanbindung schlechthin für kritische Infrastrukturen wie Rechenzentren etc. Näheres zu 61850 im Artikel Goose.

Cybersecurity

Da stellt sich auch die Frage der Cybersecurity. ABB geht davon aus, dass 20 % durch absichtliche Angriffe von Terroristen und anderen böswilligen Hacker, aber auch ebenso durch Insider ausgelöst werden. Die übrigen 80 % sind unbeabsichtigt und haben ihre Ursache hauptsächlich in Geräten und Softwarefehlern sowie bösartiger Software. Menschliches Versagen spielt dabei mit etwa 11% nur eine untergeordnete Rolle. ABB sieht die Cyber Security als einen Prozess der ständigen Überwachung und Verbesserung mit der Einsicht, dass es keine absolute Sicherheit geben kann. In der Lösungsskizze spricht ABB von Fog Computing im Gegensatz zum allgegenwärtigen Cloud-Begriff. Weil eben der Nebel (Fog) näher am Boden sei, was heisst näher an der Peripherie bei den Geräten liegt.3

Prädiktive Wartung

Die prädiktive Wartung zieht auch bei den Leistungsschaltern ein. Bei ABB und Schneider Electric können Schalter auch Umgebungsbedingungen aufnehmen und verarbeiten, so dass schleichende Fehler früh erkannt werden. Schneider Electric hat am 1. September 2021 die neue Generation ComPacT NSX lanciert. (Abb. 2)

Schneider Compact NSX
Abb. 3: Kompaktleistungsschalter (MCCB) Schneider Electric

Wartungsschutz

Siemens hat bei ihren Schutzgeräten einen Wartungsmodus DAS+ eingeführt. Damit wird während der Wartung bei eingeschalteter Funktion die Kurzzeitverzögerung unterdrückt, sodass der Schalter ohne Verzögerung auslöst, was energiebegrenzend wirkt und so das Personal vor lang anstehenden Lichtbögen schützt. Die Funktion ist von jedem Schalter für alle verbundenen Schalter aktivierbar und fernsignalisierbar (Si, 2.3.6 Schutzsystem). Ebenso hat Eaton eine solche Funktion, die dort unter dem Handelsnamen Arc Flash Reduction Maintenance System (ARMS) geführt wird. Auch ABB und Schneider Electric haben solche Funktionen. Der Wert solcher Systeme darf nicht unterschätzt werden. Heute planen teilweise Leute Starkstromanlagen mit Kurzschlussleistungen weit über 100 kA ohne genaue Kenntnis der Konsequenzen. Ein Wartungsmodus ist zu begrüssen, weil dadurch die Kurzschlussenergie drastisch herabgesetzt wird, denn es ist ein deutlicher Unterschied, ob ein Schalter in 300 ms oder 50 ms auslöst.

Lichtbogenschutz mit Leistungsschalter ist eine anlagenschonende, jedoch deutlich weniger brachiale Methode wie das Schiessen eines Kurzschlusses. Da der Lichtbogenschutz über Leistungsschalter nicht über die Schutzfunktion auslöst, sind Abschaltungen innert wenigen Millisekunden möglich. Mit mehreren Lichtsensoren lassen sich auch selektive Abschaltungen realisieren. Das ist besonders darum interessant, weil nach der Anlagenprüfung wieder eingeschaltet werden kann. Der Schutz vor Lichtbögen mit hoher Brennspannung und geringem Strom steht hier im Vordergrund, da in solchen Fällen der kalkulierte minimale Kurzschlussstrom nicht erreicht wird. ABB bietet eine solche Lösung, die durch den entsprechenden Einsatz von mehreren Lichtsensoren eine selektive Abschaltung ermöglicht.

Halbleiter

Je nachdem wen man fragt, wird der Ausblick auf Halbleiterschalter ganz unterschiedlich beurteilt. Seit August 2020 ist ein New Work Item Proposal der IEC für eine neue Norm unterwegs. Offiziell an der Entwicklung eines Halbleiterleistungsschalters arbeitet ABB und hat bereits einen Prototypen in Bergamo, andere dürften in diesem Bereich wohl auch aktiv sein. Denn diese Technik hat’s in sich: Ein Halbleiter-Leistungsschalter ist 100-mal schneller als traditionelle Schutztechnik. Das bedeutet, dass eine Abschaltung im Mikrosekundenbereich liegt. Ein Lichtbogen ist dabei fast ausgeschlossen. Zudem wird laut ABB der Leistungsverlust um 70 % reduziert. Wärmestaus in Schaltanlagen werden drastisch entschärft. Und zudem, das ist meine persönliche Einschätzung, dürfte das bislang ungelöste USV-Schutzproblem (ET02/21 und hier) definitiv gelöst sein. Denn damit wird die Durchlassenergie so gering, dass eine selektive Koordination zwischen dem Halbleiterschutz und dem Leitungsschutz möglich wird, nicht jedoch mit MCBs.

CBI und externes Schutzgerät

ABB führt als erste unter den genannten Anbietern das eigenständige Schutzgerät ein, welches einen Leistungsschalter ohne Schutzgerät (CBI) ansteuern kann und nennt es Ekip UP (Abb. 3). Es können auch fremde Fabrikate angesteuert werden. Damit lassen sich an bestehenden Schaltern in Zukunft Schutz-Upgrades durchführen, ohne dass das der Schalter ersetzt werden muss. Ein nachträglicher Einbau eines bisher nicht vorhandene Trafosekundärschutz, ein Koppelschalterschutz für einen richtungsabhängigen Spaltschalter mit Zonenselektivität (ANSI68) usw. sind Anwendungsfälle.

Externes Schutzgerät ABB Ekip UP
Abb. 3: ABB Schutzgerät Ekip UP zur Ansteuerung von Leistungsschaltern ohne Schutzgerät

ANSI Code

In den Grundfunktionen L, S, I und G (Siehe Tabelle), sind diese Abkürzungen mit Buchstaben nützlich. Bei höheren Funktionen sind die Bezeichnungen nicht mehr einheitlich, zum Beispiel Zonenselektivität, Richtungsschutz, Frequenzschutz, Rückleistung etc, wird es schwierig die Übersicht zu behalten. Denn die Leistungsschalter haben immer mehr Schutzfunktionen die neutral ausgeschrieben werden sollen. Hier bietet der ANSI-Code eine willkommene Standardisierung der Begriffe. Der ANSI-Code ist in der Mittel- und Hochspannung längst etabliert, in der Niederspannung setzt er sich nun, nachdem ABB als erste, gefolgt von Siemens, Schneider Electric und anderen diesen Code in ihren Katalogen erwähnen.

GrundfunktionenglIECANSIIndustrie
Langzeitverzögerunglongtime delayLT49L
Kurzzeitverzögerter Kurzschlussschutzshorttime delayST50TD / 51S
SofortauslöserinstantaneousINST50I
ErdschlussschutzgroundfaultGF50N 51NG
Tabelle 1: Grundfunktionen

Rockwell Automation bietet im Internet eine hilfreiche Übersetzungstabelle und diverse Erläuterungen dazu.

Fazit

Der Leistungsschalter ist weit mehr als nur ein Schutzgerät mit TM-Auslöser, sondern ist vollgepackt mit nützlichen High-Tech-Funktionen. Er ist damit auch ein wunderbares Stück Ingenieurskunst.

Der Bericht wurde in ähnlicher Form in der ET06/21 veröffentlicht.

Bildnachweise

Titelbild: ABB
Abb. 1: Siemens
Abb. 2: Schneider Electric
Abb. 3: ABB

Alle Bilder wurden freundlicherweise zur Verfügung gestellt.

Alle Rechte an Text und Bilder den Urhebern vorbehalten.

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