How to combat temperature extremes with hydromagnetic breakers

Wie man Temperaturextreme mit hydromagnetischen Leistungsschaltern bewältigt

In kritischen Anwendungen werden elektrische Schaltungen oft rauen Umgebungen mit schwankenden Temperaturen ausgesetzt.

Figure 1: Operating mechanism of a magnetic hydraulic circuit breaker (Source)

Diese Temperaturänderungen können sich erheblich auf die Leistung und Sicherheit auswirken und zu einer Verschlechterung der Komponenten, frühzeitigen Ausfällen und möglichen Systemstörungen führen. Herkömmliche Schutzmethoden wie thermische oder magnetische Leistungsschalter haben Schwierigkeiten, die Genauigkeit unter solchen Bedingungen aufrechtzuerhalten, und können empfindliche Geräte möglicherweise nicht ausreichend schützen, was die Betriebsstabilität beeinträchtigt. Wie kann technisches Fachpersonal also einen zuverlässigen Schutz in temperaturempfindlichen Umgebungen gewährleisten?

Eine Lösung finden Sie in den hydromagnetischen Leistungsschaltern. Ihre Konstruktion gleicht Temperaturänderungen aus, bietet präzisen Schutz unter verschiedenen Bedingungen und schützt Schaltungen vor thermischen und elektrischen Fehlern.

Extreme Temperaturen und ihre Auswirkungen auf die Sicherheit der Schaltung

Extreme Temperaturen können die Leistung und Zuverlässigkeit der Schaltung erheblich beeinträchtigen. Hohe Temperaturen führen zu einer Schädigung der Isolierung, einer Ausdehnung der Leitungen und einer Überhitzung der Komponenten, was Fehlfunktionen und Systemausfälle mit sich bringt. Bei extremer Kälte hingegen ziehen sich Metalle zusammen, was zu lockeren Verbindungen und einem erhöhten Widerstand führt. Dadurch wiederum werden Signale verzerrt und es kommt zu unerwarteten Ausfällen. Kalte Bedingungen beeinträchtigen auch die Effizienz des Akkus, was sich weiter auf die Systemleistung auswirkt. Zentrale Probleme bilden hier:

Beeinträchtigung der Komponenten: Hohe Temperaturen führen zu einer Schädigung der Isolierung, einer Ausdehnung der Leitungen und einer Überhitzung der Komponenten, was Systemfehlfunktionen mit sich bringt.
Vermehrte Ausfälle: Kalte Temperaturen führen zu Kontraktionsverhalten von Metallen, was zu lockeren Verbindungen, höherem Widerstand, verzerrten Signalen und potenziellen Ausfällen führt.
Reduzierte Effizienz: Wärme verringert die Effizienz von Halbleitern und Kondensatoren und erhöht so das Risiko von Ausfällen.
Verbindungsprobleme: Kälte verursacht lose Verbindungen, erhöht den Widerstand und verzerrt elektrische Signale.
Verminderte Akkuleistung: Kaltes Wetter verringert die Akkueffizienz und beeinträchtigt damit die Zuverlässigkeit des Systems.

Hydraulisch-magnetische Leistungsschalter: Der Betätigungsmechanismus

Ein hydraulisch-magnetischer Leistungsschalter bietet einen präzisen Überlast- und Fehlerschutz durch einen magnetbasierten Mechanismus. Der Mechanismus eines hydraulisch-magnetischen Schutzschalters umfasst eine Stromerfassungsspule in Kombination mit einem Satz von Kontakten, die alle während des regulären Betriebs geschlossen bleiben. Bei einer Überlast (Strom übersteigt die Nennkapazität) erzeugt die Reihenspule einen magnetischen Fluss, der einen Kern innerhalb eines mit Flüssigkeit gefüllten Röhrchens bewegt und dadurch den Schalter auslöst. Die größere Magnetkraft zieht am Kern, wodurch die Sperre gelöst und der Stromkreis unterbrochen wird. Diese Schalter bieten schnellen, zuverlässigen Schutz gegen Stromstöße, ohne sich auf temperaturempfindliche Komponenten zu stützen.

Figure 2: The mechanical arrangement of Hydraulic Magnetic devices features built-in resistance to shocks and vibrations.

Abbildung 1: Betätigungsmechanismus eines hydraulisch-magnetischen Schutzschalters (Quelle)

Herausforderungen bei magnetischen und thermischen Leistungsschaltern in thermisch rauen Umgebungen

Thermisch-magnetische Schutzschalter arbeiten effektiv in einer Vielzahl an Anwendungen, dennoch sind erhebliche Herausforderungen zu beachten, insbesondere unter extremen Temperaturbedingungen:

Unerwünschte Unterbrechungen: Große Motoren können kurzzeitige Einschaltströme erzeugen, die zu einer sofortigen Auslösung führen. Dies kann zu unerwarteten Betriebsunterbrechungen führen, die Ausfallzeiten verursachen und die Effizienz verringern.
Temperaturempfindlichkeit: Leistungsschalter können sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren. In warmen Umgebungen lösen sie eventuell zu leicht aus (ungewollte Auslösung), während sie in kälteren Umgebungen möglicherweise nicht auslösen, wenn es erforderlich ist. Aufgrund dieser Unregelmäßigkeiten kann der Betrieb gestört oder die Schutzwirkung möglicherweise nicht entfaltet werden.
Unzureichender Schutz für empfindliche Ausrüstung: Bei geringer Überlast wird nicht genügend Wärme erzeugt, um den Bimetallstreifen zu aktivieren, sodass es leicht zu Schäden an empfindlicher Ausrüstung kommt.
Erhöhte Konstruktionskomplexität: Häufig werden zusätzliche Heizspulen verbaut, um die Empfindlichkeit thermisch-magnetischer Leistungsschalter zu erhöhen. Dies verbessert zwar die Leistung, verkompliziert jedoch die Konstruktion und führt zu potenziellen Fehlerpunkten.
Probleme mit Spannungsabfall: Thermisch-magnetische Leistungsschalter haben einen höheren Innenwiderstand als ihre hydraulisch-magnetischen Gegenstücke. Dies kann zu Spannungsabfällen und bestimmten Komplikationen führen, insbesondere beim Schalten kapazitiver Lasten, was die Zuverlässigkeit elektrischer Systeme beeinträchtigt.

Hydromagnetische Leistungsschalter bei extremen Temperaturen

Hydraulisch-magnetische Überlastschalter sind ideal für den Schutz empfindlicher Geräte und die Aufrechterhaltung eines effizienten Betriebs, da sie bei Hochstromspitzen stabil bleiben, von Temperaturschwankungen nicht beeinflusst werden und einen präzisen Überlastschutz bieten.

Vermeidung unerwünschter Unterbrechungen: Hydraulisch-magnetische Leistungsschalter reagieren nur auf Überstrombedingungen und werden von kurzen Einschaltströmen nicht beeinflusst. Im Vergleich zu thermisch-magnetischen Schutzschaltern, die beim Motorstart sofort auslösen, ermöglichen hydraulisch-magnetische Leistungsschalter ein reibungsloseres Anfahren. Sie bleiben auch bei kurzen Hochstromspitzen stabil, verhindern unnötige Ausfallzeiten und gewährleisten einen effizienten Betrieb.
Stabile Temperaturleistung: Hydraulisch-magnetische Leistungsschalter halten unabhängig von der Umgebungstemperatur konsistente Auslöseschwellen aufrecht. Bei extremer Hitze oder Kälte bieten sie zuverlässigen Schutz ohne lästige Auslösungen wie bei thermisch-magnetischen Schutzschaltern. Diese Stabilität bietet hervorragenden Schutz für Geräte und hält gleichzeitig die Systembetriebszeit auch bei wechselnden Umgebungsbedingungen aufrecht.
Verbesserter Schutz für empfindliche Geräte: Hydraulisch-magnetische Schutzschalter bieten einen präziseren Überlastschutz, wodurch sie ideal für den Schutz empfindlicher Geräte sind. Da sie nicht wärmegesteuert sind, können sie präzise auf schwache Überlastströme reagieren, bei denen thermisch-magnetische Schutzschalter möglicherweise nicht auslösen. Dadurch wird sichergestellt, dass selbst empfindliche Komponenten ausreichend vor elektrischen Fehlern geschützt sind.
Vereinfachtes Design und erhöhte Zuverlässigkeit: Hydraulisch-magnetische Leistungsschalter profitieren von einer optimierten Konstruktion und umgehen die Komplexität, die bei Nutzung zusätzlicher Heizspulen entsteht. Da weniger Komponenten zum Einsatz kommen, reduzieren sich auch potenzielle Fehlerstellen und die allgemeine Zuverlässigkeit wächst. Dieser geradlinige Ansatz stellt sicher, dass der Leistungsschalter über einen längeren Zeitraum robust und zuverlässig bleibt, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Fehlfunktionen minimiert wird.
Weniger Spannungsabfälle: Durch den geringeren Innenwiderstand im Vergleich zu thermisch-magnetischen Leistungsschaltern verursachen hydraulisch-magnetische Leistungsschalter weniger Spannungsabfälle. Dies ist besonders beim Schalten kapazitiver Lasten wichtig, da es die Integrität elektrischer Systeme aufrecht erhält und dafür sorgt, dass die Ausrüstung reibungslos startet und läuft. Durch die Reduzierung von Schwierigkeiten mit Spannungsabfall verbessern hydraulisch-magnetische Schutzschalter Systemleistung und -zuverlässigkeit.

Die hydraulisch-magnetischen Leistungsschalter von Eaton gewährleisten zuverlässigen Schutz in gefährlichen Eisenbahnumgebungen

Die wettbewerbsintensive Bahnindustrie steht unter immensen Druck, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz immer weiter verbessern zu müssen. Hydraulisch-magnetische Schutzschalter stellen eine leistungsstarke Lösung dar, da sie zuverlässigen Schutz bieten und störende Fehlauslösungen vermeiden. Dadurch werden Ausfallzeiten minimiert, die Leistung verbessert und ein sichererer, zuverlässigerer Betrieb sichergestellt, der den strengen Anforderungen moderner Bahnsysteme gerecht wird. Zu den größten Herausforderungen zählen hier:

Raue Bedingungen: Schienenfahrzeuge sind extremen mechanischen, elektrischen und umweltbedingten Belastungen ausgesetzt, die während der nahezu kontinuierlichen Nutzung auftreten.
Enge Räume: Kompakte Gehäuse erhöhen das Risiko für das Auftreten von Spannungsspitzen, Transienten und Bursts, was den Schutz von Schaltungen zu einer noch kniffeligeren Aufgabe macht.
Häufiges Schalten: Konstante Spannungsschwankungen aufgrund wiederholter Schaltvorgänge (z. B. Halte von U-Bahn-Zügen, Beschleunigung und Abbremsung, Türnutzung) beanspruchen Ausrüstung und Leistungsschalter.
Lange Verkabelungsstrecken: Ausgedehnte Leitungsstrecken können die Reaktionszeit verlängern und den Schutz zwischen Leistungsschaltern und Geräten verzögern.
Temperaturschwankungen: Schnelle Temperaturänderungen, z. B. beim Passieren von Tunneln oder unterschiedlichen Regionen, wirken sich auf die Geräteleistung aus.
Mechanische Belastung: Leistungsschalter sind mit erheblichen mechanischen Stößen, Vibrationen und ruckartigen Bewegungen der Züge konfrontiert, was ihre Zuverlässigkeit beeinträchtigt.

Hydraulisch-magnetische Leistungsschalter gehen diese Herausforderungen effektiv an. Im Gegensatz zu thermisch-magnetischen Schutzschaltern reagieren sie nur auf Stromschwankungen und sind unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen, wodurch eine zuverlässige Leistung, auch unter heißen Bedingungen, gewährleistet wird.

Darüber hinaus lässt sich mit ihnen eine ungewollte Auslösung aufgrund von Stromspitzen bei Lastwechseln, die beim Anfahren großer Motoren häufig auftreten, unterbinden, ohne den Überlastschutz zu beeinträchtigen. Die Reaktionszeit des Schalters wird in Abstimmung auf die Überlastgröße präzise gesteuert, wodurch schnellere Reaktionen auf größere Überlasten, bei denen die Gefahr höher ist, und langsamere Reaktionen auf kleinere zu erzielen sind. Diese Präzision ist möglich, da die Anzahl der Spulenwindungen in der Spule, die die Last detektiert, den Nennstrom der Vorrichtung bestimmt. Durch die Änderung dieser Anzahl und des Drahtquerschnitts können Hersteller einen Schutzschalter mit praktisch jeder Nennleistung für die Gesamtleistung der Anlage bereitstellen.

Figure 3: Air gaps absorb transient energy, preventing magnetic saturation during surges

Abbildung 2: Die hydraulisch-magnetischen Bausteine sind durch ihre gezielte mechanische Gestaltung auf Beständigkeit gegen Stöße und Vibrationen ausgelegt.

Hydraulisch-magnetische Schutzschalter zeichnen sich dank ihrer gezielten mechanischen Gestaltung (siehe Abbildung 2) durch hervorragende Absorption von Stößen und Vibrationen aus, was für Anwendungen im Eisenbahnbereich entscheidend ist. Die Position des Kerns wird durch die Viskosität des Öls und zwei Hauptdruckfedern stabilisiert, sodass er seine Ruheposition auch bei anhaltenden Stößen und Vibrationen beibehalten kann. Dank der Zeitverzögerung, die durch die Ölviskosität und den natürlichen Luftspalt zwischen Pol und Anker erzeugt wird, sind diese Leistungsschalter auch hervorragend für die Absorption von Stromschwankungen im Stromnetz wie Stromstößen und schnellen Lastwechseln geeignet. Der Spalt dient als transienter Energiespeicher, der verhindert, dass der Magnetkreis gesättigt wird und den Unterbrechermechanismus auslöst.

Figure 4: A sudden sharp in triggering time occurs at the start of the magnetic region

Abbildung 3: Luftspalten absorbieren transiente Energie und verhindern magnetische Sättigung bei Stromstößen

Lange Drahtverbindungen, ein häufiges Problem bei Schienensystemen, können zu Problemen bei manchen Leistungsschaltern führen. Sich in verschiedenen Strängen kreuzende, überlappende und teilende Drähte können dazu führen, dass Schleifen entstehen und deren Oberflächen als Antennen fungieren, wodurch der Schutzschalter möglicherweise beeinflusst wird und ungewollte Auslösungen auftreten. Hydraulisch-magnetische Leistungsschalter umgehen dieses Problem jedoch durch den großen Luftspalt in ihrem Magnetkreis, wodurch sichergestellt wird, dass der magnetische Widerstand unabhängig vom Laststrom nicht durch derartige Faktoren beeinflusst wird.

Im Gegensatz zu thermomagnetischen Vorrichtungen können hydraulisch-magnetische Leistungsschalter ihren vollen Nennstrom ohne temperaturbedingte Leistungsreduzierung aufnehmen. Dies ist besonders bei Eisenbahnanwendungen von Vorteil, bei denen hohe Impedanzwerte oft Kurzschlussströme begrenzen. Entwickler können diesen Vorteil nutzen und müssen Leistungsschalter nicht für Kurzschlussströme überdimensionieren, die in der Praxis auftreten könnten.

Abbildung 4: Ein plötzlicher Abfall der Auslösezeit tritt zu Beginn des magnetischen Auslösebereichs auf

Hydraulisch-magnetische Leistungsschalter arbeiten auch äußerst effektiv bei der Kompensation der häufig in Zügen zu findenden erhöhten Umgebungstemperaturen. Mit steigenden Temperaturen werden Geräte anfälliger für transiente Schäden und benötigen schneller Schutz. Die hydraulisch-magnetischen Bausteine erreichen dies, indem sie die Ölviskosität verringern, sodass sich der Kern schneller bewegen kann, um den Kreislauf zu unterbrechen. Während sich die Reaktionszeit verkürzt, bleibt der Auslösestrompegel unberührt, was schnellere Schutzmaßnahmen ohne störende Fehlalarme ermöglicht.

Neben ihren funktionellen Vorteilen bieten hydraulisch-magnetische Leistungsschalter physische Vorteile. Ihre kompakte Bauweise ermöglicht die Frontmontage, sodass die Rückwand frei ist, um Netzanschlüsse und Hilfsschalter aufzunehmen. Dies vereinfacht das Kabelmanagement und ermöglicht einen geringeren Abstand zwischen nebeneinander liegenden Schutzschalter-Leitungen. Die elektrischen Anschlussstellen, oftmals als Bolzen realisiert, bieten sichere, zuverlässige, geschlossene Verbindungen gemäß den Normen für Schienenanlagen.

Fazit

Hydraulisch-magnetische Leistungsschalter bieten präzise, zuverlässige und kostengünstige Lösungen für die meisten Konstruktionsherausforderungen. Diese Leistungsschalter gelten als temperaturstabil und ihr Überstromsensor reagiert nur auf Stromänderungen im geschützten Stromkreis. Sie sind mit verschiedenen Konfigurationsoptionen erhältlich, und viele bieten erweiterte Funktionen und modernste Konzeptionen, um die maßgeblichen Anwendungsanforderungen von heute zu erfüllen. Als global agierender Distributor hat Farnell verschiedenste Leistungsschalter in sein Angebot aufgenommen, die den unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden und eine hohe Leistung in zahlreichen Branchen gewährleisten.