100 +x Jahre Leistungsschalter

100 (+x) Jahre Leistungsschalter
Schalten, Schützen, Smartphone
Detlev Hartenstein, Schneider Electric, 19.10.2016

Gliederung
• Einführung
• Grundlagen zum Schalten und Schützen
• Aufbau, Typen, Vergleiche
• Geschichte des Leistungsschalters
• Aktuelle Entwicklungen und Zukunftstrends

Einführung
Page 3Confidential Property of Schneider Electric |

2013 Invensys
2010 Akquisition von
Areva D
1999
“Groupe” Schneider wird
Schneider Electric und konzentriert sich
auf den Geschäftsbereich Power &
Control
1975
Merlin Gerin wird von Groupe
Schneider akquiriert
1988
Telemecanique wird von
Groupe Schneider akquiriert
1991
Square D wird von Groupe
Schneider akquiriert
1996
Modicon, ein führendes Unternehmen
für Automation, wird eine Marke von
Schneider
APC corp. und Pelco
Ein Konzern im Wandel mit mehr
als 170 Jahren Erfahrung
1836
Firmengründung Schneider
in Le Creusot, France
19. Jahrhundert 20. Jahrhundert 21. Jahrhundert
MGE USV Systeme
T.A.C
Power Measurement Inc.
2003-2008 Bedeutende Akquisitionen
Lexel, Clipsal, Merten, Ritto,
Elso, etc.
Xantrex
Stahlindustrie
Power & Control
Energie-
Management

Anstieg des Energieverbrauchs um
+50 % bis 2050
Gebäude machen
40 % des Energieverbrauchs aus
Neue Baunormen
und Bauvorschriften
Die Welt wandelt sich immer schneller ...
Energieeffizienz
wird überall benötigt

l
vernetzte Geräte bis 2020
50 Mrd.
Fernsteuerung
für alle Anlagen
wird zur Norm
Immer mehr Bedenken wegen
Cybersicherheit
Das Internet der Dinge,
die totale Vernetzung

Energieeffizienz wird
überall benötigt
Digitale Vernetzung
rund um die Uhr
Immer strengere
wirtschaftliche und
technische Standards
... Kunden erwarten mehr

Grundlagen zum Schalten und Schützen

…die Verfügbarkeit der Energie
und den Personen- und Anlagenschutz...
… unabhängig von der Anwendung haben Betreiber die gleichen
Anforderungen ...

Lösungen zur Energieverteilung

Sammelschienen-
raum
Geräteraum
Anschlussraum
Aufbau einer modernen Niederspannungsschaltanlage

Schalterfunktionen
Schaltet im Fall eines Kurzschlusses
die Anlage ab
z.B. zum Lastmanagement
Trennt die elektrische Leistung
vom Netz
Schaltet bei Überlast Verbraucher ab
Trennt die Spannung vom NetzIsolieren
Trennen
Steuern, Schalten
Kurzschlussschutz
Überlastschutz

Anlagenschutz
Schutz für Netze mit Trafo- oder Generatoreinspeisung, Schutz von Kabeln und Leitungen
Motorschutz
Schutz von Motorabgängen, auch Schutz der Leitungen und Koordination mit Motorstartern möglich
Maschinenschutz
als Netztrenneinrichtung (Hauptschalter) gem. EN60204
Energiemanagement
Lastspitzenverschiebung, Grundlastensenkung erkennen
Schaltgeräteanwendungen

Trennschalter sind ohne Lastschaltvermögen, sie dürfen nur im stromlosen Zustand
geschaltet werden und stellen nach dem Abschalten eine sichere Trennstrecke her. Keine
Lichtbogenlöschung
Schaltertypen
All diese Schalter bieten keinen Schutz gegen Überlast und
Kurzschluss; keine Lichtbogenlöschung. Sie dürfen ohne
Schutzgeräte nicht betrieben werden.
Lastschalter können den Nennstrom einschließlich Überlaststrom einschalten, führen und
ausschalten und einen Kurzschlussstrom während einer festgelegten Dauer führen.
Lasttrennschalter sind Lastschalter, die in offener Stellung die Trenneigenschaften erfüllen.
DIN VDE 0660

Schalter-Sicherungs-Kombinationen
Lasttrennschalter mit Sicherungen haben eine Sicherung pro Pol in Reihe
Sicherungslasttrenner / Sicherungslastschaltleisten sind Lasttrennschalter, bei denen
die Sicherungen das bewegliche Schaltglied bildenact INF/ISFT/ISFL

• besitzen Hauptschalter- und Not-Aus Eigenschaften
• Schalten unter allen vorkommenden Betriebsbedingungen (auch Kurzschluss)
• Bemessungsbetriebsstrom geeignet für alle Anlaufbedingungen
• geringe Schalthäufigkeit (Schütze-> große Schalthäufigkeit)
• thermische, magnetische, elektronische Auslösung
• Bemessungs-Grenzkurzschlussausschaltvermögen Icu = Ics = 18 bis 150kA eff /400V
• Leistungsschalter haben Sprungschaltung und Freiauslösung. Sie können bestückt werden mit
Auslösespulen, Motorantrieb, umfangreichem Anschluss-, Montage- und elektrischem
Zubehör
• bieten Überlast – und Kurzschlussschutz
• allpoliges Abschalten
• Wiedereinschalten sofort möglich
• keine Alterung und damit keine Änderung des Auslöseverhaltens
• geringe Verlustleistung
• Kaskadenschaltung und logische Selektivität möglich
-> schnelles und sicheres Schalten!
Leistungsschalter nach VDE-EN 60947-1 u.2

Leistung schalten
a. Kontakte geschlossen
b. Trennung der Kontakte
• Querschnitt verringert sich, Stromdichte steigt
c. Durchschlag (der Luft)
• Ionisierung der Luft, Glühemission, Stoßionisation
• Folge: Hohe Temperaturen
– Brandgefahr
– Materialverbrauch der Kontaktstellen
– Verschmelzen der Kontaktstellen beim Wiedereinschalten
Schnelles und sicheres Löschen des Lichtbogens notwendig
->Löschkammer Luft, Öl, Vakuum, SF6 (Schwefelhexafluorid)
ausWikipedia

• Schnelle Kontaktstücktrennung
• Schlagartige Verlängerung des Kontaktlichtbogens
• Verringerung der Auswirkungen des Kurzschlusses
I
I
i²ti²t
Sicherung strombegrenzender LS nicht strombegr. LS t
cc
unbegrenzt
begrenzt
i²t
cc
Kurzschlussschutz -> Strombegrenzung
Der Kurzschlussschutz soll den Wert des
Stoßkurzschlussstromes Ip und die thermischen
Durchlassenergiemenge i²t begrenzen. Je schneller
er dieses schafft um so besser ist dieses für das
Kabel, die Leitungen und Verbraucher.
10 ms

Aufbau, Typen, Vergleiche

Einteilung der Leistungsschalter
Bemessungsspannung
• Niederspannung <1000V
• Mittelspannung <=52 kV
• Hochspannung > 52kV
Bemessungsstrom
• 10-6300A
Bauform
• Kompakt, Offen
Auslösung
• thermisch (Bimetall), magnetisch (Spule),
• elektronisch (mit Stromwandlern, Spannungswandlern)

Niederspannung <1000V
800 A - 1600 A 1600 A - 4000 A 4000 A - 6300 A
LS <=125A
Compact NSX100/160/250 Compact NSX 400/630

Mittelspannung <= 52 kV
HVX 630-4000A/50kA
• Vakuum oder SF6
• Festeinbau oder Einschub
• für innen oder außen
• Live tank oder dead tank
• Schutzgerät extern
PCOB-36 36kV 2000A/25 kA
VOX 40,5kV 2000A/40 kA

Hochspannung ab 60 kV (eigentlich ab 1 kV)
• 30-63 kA, 100 MW, SF6 oder Vakuum
Blaskolbenschalter 400kV, SF6Ölstrahlleistungsschalter 400kV
Aus Wikipedia, VPE

Ultrahochspannung
Quelle:ABB

Ultrahochspannung
Quelle: ABB

Geschichte des Leistungsschalters

Immer höhere Anforderungen an Leistungsschalter
• schnell schalten (Kontaktabbrand, Schaden abwenden)
• sicher schalten
• unter allen Bedingungen schalten
• sicher trennen
• die zu schaltenden Leistungen wurden immer größer
• der Lichtbogen muss gelöscht werden

Confidential Property of Schneider Electric |
• erste kommerzielle Nutzung von elektrischer Energie in
den 1870er Jahren
• von 1870-1891 dominierte DC
• „Stromkrieg“ von Edison (DC) und Westinghouse (AC)
• Internationale Elektrotechnische Ausstellung 1891 in
Frankfurt läutete das Ende der DC-Ära ein.
->Drehstromübertragung Lauffen–Frankfurt (176 km, vom
Kraftwerk Lauffen am Neckar)
-> realisiert von Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon
(Generator) und AEG
->3000 Masten, 9000 Ölisolatoren, 60 t Kupferdraht (Ø 4
mm)
• Erst seit 1959 keine Gleichstromversorgung mehr in D,
in USA erst seit Ende 2007 (Aufzüge, New York)
• ab 1987 Umstellung von 220V/380V auf 230V/400V
• 50 Hz von AEG 1901 definiert
• 60 Hz Kompromiss für Maschinen großer Leistung und
Vermeidung von Flicker bei Bogenlampen (Tesla)
• 16 2/3 Hz für Bahnstrom seit Anfang d. 20.JH
• Flugzeuge 400 Hz
Aus Wikipedia
Wechsel- oder Gleichstromübertragung

Situation Ende des 19. Jahrhunderts
• Luftschalter (Messerschalter)
• Zum Schutz vor den thermischen Auswirkungen durch Überlast oder Kurzschlussströmen
meist Einsatz von Schmelzsicherungen aus Blei, Silber, Zinn (Porzellan zur Isolierung)
• schnell, allpolig schalten von Hand?
• Berührungsschutz?
• keine Lichtbogenlöschung
• Schalttafeln aus Porzellan / Marmor

August 1895 “Main Switchboard for Château of George
W. Vanderbilt, Esq., at Biltmore, North Carolina, 110V AC/DC.

Folsom Power House 1895
• Erstes 60 Hz, 3-Phasen AC Kraftwer
(Wasser)
• 22 Meilen Übertragung mit 11 kV
• gebaut von General Electric
• Leistung 3000 kW

Ab 1906 Ölschalter
• Kontakte im Ölbad (Lichtbogenlöschung), grosse Ölmenge nötig
• Abschalten durch Überstromschutzeinrichtungen (primär, sekundär)
• Für große Leistungen ölgefüllte Sicherung ungeeignet, da Druckverhältnisse
nicht beherrschbar
• Öl zum löschen und isolieren
• Öl muss nachgefüllt werden, da Verbrauchsmaterial
• Lichtbogen erzeugt brennbares Gas (Wasserstoff und Azetylen)
• Brand-/Explosionsgefahr (1935 Explosion eines Ölschalters (5,5kV) in Kaliwerk,
Arbeiter wurde von brennendem Öl überschüttet und verbrannte->Ursache
unerkannter 3phasiger Erdschluss)
• Starke Abnutzung der Kontakte (Krustenbildung und Kontaktabhebung)
• Lange Löschzeit (10-20 Halbwellen)

30 kV Öl-Leistungsschalter
"Eiserner Gustav"
mit den Verbindungen zu der Trenneranlage und zum Transformator
Baujahr: 1928
Hersteller: Voigt und Höffner
Ausschaltleistung: 250 MVA
Nennstrom: 350 A
Löschmittel: 800 l Öl

Nach dem Ölschalter (ab 1935)
• Reduzierung der Brandgefahr durch
• Verringerung der Ölmenge in der Löschkammer -> ölarmer Schalter
• Einsatz anderer Löschmedien -> Expansin, SF6, Vakuum, Freon
(Dichlordifluormethan)
• Einsatz anderer Löschverfahren (Expansion, Druckluft, Druckgas)

Ölarmer Schalter
• kleine Löschkammer
• Öl nur zum löschen
• Öl wird in den Lichtbogen gespritzt, Schaltstift
zieht sich schnell zurück
• adiabatische Expansion (Volumen steigt, Druck und
Temp. sinken)
• Öl strömt nach
• Lichtbogen wird gekühlt und ausgeblasen
• wird auch Strömungsschalter genannt
• Varianten mit Hartgas (z.B. Harnstoff oder Plexiglas),
Druckluft, SF6
Typ SCI
Baujahr: 1987
Hersteller: Schaltgerätewerk Muskau
Ausschaltleistung: 750 MVA
Nennstrom: 630 A
Löschmittel: 800 l Öl

SF6 Schalter seit 1970
• Schwefelhexaflourid isoliert und löscht sehr gut
• chemisch und thermisch stabil
• Durchschlagfestigkeit 3x so hoch wie von Luft oder Stickstoff
• Einsatz auch in MSA zum Kapseln der Sammelschiene
• auch in Kabeln und Kondensatoren
• reduzierter Platzbedarf gegenüber Luft
• durch die Lichtbögen und Verunreinigungen entstehen giftige Gase
• Kapselung notwendig, Sicherheitsvorschriften bei Wartung
Leistungsschalter bis 17,5 kV:
Festeingebauter oder ausfahrbarer Leistungsschalter mit Frontbedienung.
Gasdichtes Gehäuse für 3 Pole, SF6-isoliert, mit Drucküberwachung.
Motorantrieb und Kraftspeicher zur Steuerung via Fernsteuerung.
Bemessungsstrom von 630 bis 2.500 A
Kurzschlussausschaltstrom von 25 bis 40 kA

Autoexpansionstechnik

Vakuumschalter seit 1976
• für hohe Schaltspielzahlen
• Lebensdauer 75 000 Schaltspiele
• Inspektion nach 10 000 Schaltspielen oder 20 Jahren
• umweltfreundlich

Expansionsschalter
Expansin (Wasser + Methandiol)
adiabatische Expansion
 Druckreduzierung
 Temp.absenkung
 Lichtbogenverlängerung
 Lichtbogenlöschung

30 Jahre
Innovation und Marktführerschaft
• Integrierte Energiemessung
• Erweiterter Schutz
• Kleine „NT“-Baugröße
• Kürzere Lieferfristen weltweit
Masterpact NT / NW
2000
2016
Nummer 1
in über 100 Ländern
Mehr als
2.000.000
Systeme in Betrieb
• Isoliertes Gehäuse, geringe Abmessungen
• Erstes elektronisches Auslösesystem
• Leistung 6300 A / 100 kA
Masterpact M
1987

Aktuelle Entwicklungen und Zukunftstrends

Die Kunden erwarten mehr
Gebäudeinvestoren:
Anlagenwerte und -flexibilität
Gebäudemieter:
Optimierte Betriebsausgaben
Wartungsmanager:
Hochwertige Serviceleistungen
• Kürzere, aber zuverlässige
Bearbeitungszeiten
• Flexible und skalierbare Investitionen
• Wertvolle Energieetiketten und
Energieklassen
• Energieverfügbarkeit rund um die Uhr
• Komfortable und produktive
Umgebungsbedingungen
• Optimierung der Energieabrechnung
• Engmaschigere Kontrolle der
Wartungskosten
• Absolute Zuverlässigkeit der
elektrischen Anlage
• Planung von Wartungsmaßnahmen
• Fernsteuerung trotz Vernetzung
• Minimierte Dauer kritischer
Fehlerzustände

Masterpact M
1987 Masterpact NT / NW
2000
ZUKUNFTSSICHER!Smart Panels
2014 2016
Masterpact MTZ

Zulassung von „Baumusterprüfungen“ nach IEC 61439 unverändert
800 A > 1600 A
NW NWNT
1600 A > 4000 A 4000 A > 6300 A
Ausschaltvermögen
• 42 kA
• 50 kA
• 66 kA
• 100 kA
• 150 kA
Einhaltung von Normen und Vorschriften: Sicherheit und Zuverlässigkeit
> MTZ2 > MTZ3> MTZ1

Umfassender Leistungsmesser
integriert Genauigkeit der Klasse 1
Sekundäre
Verteilung
Klasse 1 – 3
Neue Standards für Energieeffizienz
Klasse 0,5 – 2
Hauptschalt-
anlage
Klasse 0,2 – 1Einspeisung
IEC 60364, Kapitel 8
Einhaltung von Normen und Vorschriften: Energieeffizienz

Umfassender und präziser Energiezähler integriert
- Strom
- Spannung
- Frequenz
- Leistungsfaktor
- Phasen-
gleichheit
-Wirk- und Blind-
leistung & -energie

Umfassender und präziser Energiezähler integriert
Prüfung von Abrechnungen
Kostenzuordnung
Energiequalität,
Netzüberwachung
Energienutzungsanalyse
Strom, Spannung
Wirkenergie
Blindenergie
Leistungsbedarf, Leistungsfaktor
Abweichende / unsymmetrische
Spannung
TDH (Oberwellen)
Frequenz

Zuverlässig und genau, geeignet für Industrieumgebungen
Zulassung nach IEC
61557-12
Anzeige
(A)
Genauig-
keit
Istwerte
(A)
±1%
1980 -
2020
2000
±1%
39,6 -
40,4
40
±1%
3940 -
4040
4000
Masterpact MTZ2
Baugröße 4000 A

Zuverlässig und genau, geeignet für Industrieumgebungen
Genauigkeitsklassen:
• Wirkleistung/
-energie
• Spannung
• Strom
Klasse 1
Klasse 0.5
Klasse 0.5
Zulassung nach IEC
61557-12
Vollständig in der
Schaltanlage
getestet und geprüft

Neue Energieeffizienz-Funktionen
Laststufe
verifizieren
Systemstatus
kennen
Warnungen
und Alarme
überprüfen
Einstellungen
prüfen

Weniger Varianten
Beliebig zu variieren!
Perfekt!
2.0 A
5.0 A
6.0 A
7.0 A
2.0 E
5.0 E
6.0 E
5.0 P
6.0 P
7.0 H
5.0 H
6.0 H
7.0 H
2.0 X
5.0 X
6.0 X
7.0 X
“LI”
“LSI”
“LSIG”
“LSIV”
Neues Steuer- und Auslösegerät Micrologic X
Innovative und skalierbare Lösungen für Ihre Kunden

Ausfallsichere Stromversorgung
• Sofortige Alarmausgabe
• Bildschirm orange bei nicht kritischen
Alarmen
• Bedienerfreundliche Prüfung der
Einstellungen
• Fernzugriff auf Einstellungen und Daten
• Erkennung von Fehleinstellungen
• Vollständiges Ereignisprotokoll
• Sichere Einstellungsaktualisierungen
und -prüfungen

Übersicht über Smart Panels und
ihre Konfiguration
Smart Panels: alle Geräte einfach über Ethernet vernetzt

• Automatische Kennzeichnung
von Geräten
• Komplettierung der elektrischen
Architektur
• Anzeige der
digitalen Architektur
• Prüfungen der
digitalen Architektur
• Umfangreiche Berichte
zur Inbetriebnahme
Nahtlose digitale Inbetriebnahme

Informiert bleiben, Diagnose stellen auf einen Blick,
schnell reparieren
Hochgenaue
Messungen
Ausfallsichere
Stromver-
sorgung
Facility-Raum Zentraler Bedienraum Dezentral
(über Internet)
±1%
NEU
NEU
NEU
Masterpact MTZ
Front-Display
Smartphone
Front-Display-
Modul
FDM128
StruxureWare
Power Monitoring Expert
StruxureWare
Power SCADA Expert
Powerview
Energie-
Dashboard
Facility Insights
Verwaltung von
Serviceleistungen
Facility Hero
Wartungslogbuch

Der Masterpact MTZ lässt Smart Panels noch einen Schritt
weitergehen
Neue Funktionen
Energie-
effizienz
Wartungs-
effizienz
Hochgenaue
Messungen
Detaillierte
Verbrauchs-
analyse
Ausfallsichere
Stromver-
sorgung
Schnellere
Wiederherstellung
nach Auslösung
Integrierte Ethernet-
Konnektivität

100 +x Jahre Leistungsschalter

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