Mittelspannungstechnik

In dieser Bildmontage sind drei Löschprinzipien für den beim Ausschalten entstehenden Lichtbogen dargestellt: Ausblasen mit Druckluft beim AEG-Druckluft-Schalter CP 2/3 links, Energieentzug durch verdampfendes Öl und Beblasung mit diesem Dampf beim Ölarmen Strömungsschalter mittig und Verlöschung des Lichtbogens durch nacheilendes Schaltmesser in Löschkammer mit Hartgasentstehung beim Lastrennschalter rechts

Dieses Teilgebiet der Elektrischen Energietechnik ist mit deutlich mehr Exponaten in unserem Museum vertreten, obwohl – und jetzt im Gegensatz zur Aussage bei der Hochspannungstechnik – bei der AEG in Kassel nur eine begrenzte Zeit Mittelspannungs-Leistungschalter entwickelt und gebaut wurden. Die größere Anzahl dieser Schalter liegt sowohl in deren unterschiedlichen Löschprinzipien des bei der Ausschaltung entstehenden Lichtbogens wie auch in der Häufigkeit ihrer Verwendung bei Energie-Versorgungs-Unternehmen (EVU) und Industrie. Als Mittelspannungs-Schaltgeräte werden üblicherweise die Geräte bezeichnet, die Bemessungs-Spannungen von 12.000 bis 36.000 Volt (10 - 36 kV) aufweisen und damit in Netzen mit 10, 20 und 30 kV betrieben werden. Es gibt aber auch in unserer Region nach wie vor 6,3 kV bei VW in Kassel und früher 5,25 kV bei Henschel. Trotz der Bezeichnung Mittelspannung gilt auch hier die Definition des VDE in dessen DIN-VDE-Normen, denn dort beginnt die Hochspannung bereits bei 1.000 Volt = 1 kV.

Während die drei im TMK vorhandenen Schalter in der Hochspannungstechnik, alle bei AEG in Kassel entwickelt und gebaut, Leistungsschalter sind, also auch die hohen und höchsten Kurzschlussströme bei Blitzeinschlägen und Anlagenfehlern ausschalten können, ist dies bei den im TMK vorhandenen Mittelspannungsschaltern nicht bei allen der Fall. Es muss unterschieden werden in Trennschalter, Lasttrennschalter und Leistungsschalter:

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G 184/24 – Ölarmer Strömungsschalter der AEG

Hebelbetätigter Ölarmer Strömungsschalter für eine Bemessungsspannung von 24 kV und eine Bemessungs-Ausschaltleistung von 300 MVA für den Festeinbau in eine Schaltanlage

Ölarme Strömungsschalter sind – wie bei unserem ca. 120 Jahre alten Exemplar erläutert – aus den Ölkesselschalter her-vorgegangen, nachdem einerseits deren Verfahrensweise durch gerichtete Ölströmung beim Ausschaltvorgang immer weiter verbessert wurde, andererseits aber aufgrund steigender Spannungen und Abschaltleistungen bei Kurzschlüssen die Ölmengen und Abmessungen derart rasant anstiegen sowie Schalterversagen mit daraus folgenden Explosionen und Anlagenschäden auftraten, dass nach anderen Löschmethoden für den Ausschalt-Lichtbogen gesucht wurde, auch gesucht werden musste wie andere Leistungsschalterkonstruktionen hier im TMK darstellen.

Beim Ölarmen Strömungsschalter ist das Öl im Unterschied zu den Ölkesselschaltern nur Löschmittel für den beim Ausschaltvorgang entstehenden Lichtbogen und kein Isoliermittel, daher auch nur in geringer Menge vorhanden. Der Löschvorgang spielt sich in den Schaltkammern ab, deren Isolierung gegen Erde Stützer übernehmen, hergestellt aus Keramik oder Epoxidharz. Die Aufgabe der Schaltkammer besteht in der intensiven Kühlung des Lichtbogens durch die Zuführung von Öl, welches verdampft und somit dem Lichtbogen Energie entzieht. Darüber hinaus soll sie beim Nulldurchgang des Stromes die Ladungsträger soweit entfernen, dass die wiederkehrende Spannung die Schaltstrecke nicht erneut zu durchschlagen vermag. Diese Rückzündung des Lichtbogens wird durch eine starke, auf den Lichtbogen gerichtete Ölströmung verhindert und dies bei unserem Exponat mit der geringen Menge von 0,8 Liter je Schalterpol.

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"Preßluftschalter" – AEG-Entwicklung in Berlin – Fertigung in Kassel

Der in Kassel kurz nach Produktionsaufnahme hergestellte, aber noch in Berlin entwickelte Druckgas-Leistungsschalter CP 2/3 für 10 kV

Die bei den Ölschaltern beschriebenen Störungen führten bei der AEG in Berlin zur Entwicklung der zunächst als "Preßluftschalter" beschriebenen Mittelspannungs-Schaltgeräte, welche in einer von vielen Vertretern deutscher Energieversorgungsunternehmen besuchten Veranstaltung am 26. Juni 1929 im dortigen Hochleistungsprüffeld vorgestellt wurden. Im Unterschied zum Ölschalter mit Löschkammer und ölarmen Strömungsschalter, die sich ihre Blaswirkung zur Löschung des Lichtbogens mit Löschkammern selbst schaffen, erfolgte bei den "Preßluftschaltern" dies durch Fremdbeblasung mit Druckluft, welche auch für den Antrieb des Schalters verwendet wurde.

Durch diese Kopplung wurde sichergestellt, dass der Schalter nur ausgeschaltet werden konnte, wenn auch eine ausreichende Druckluftmenge für die Lichtbogenlöschung aus dem unmittelbar am Schalter angebrachten Druckluftbehälter zur Verfügung stand. Bei jeder Schaltung wurde stets neues Löschmittel als komprimierte Luft zugeführt und durch selbsttätige Kontrolleinrichtungen überwacht. Es erfolgte insoweit ein Entfall der regelmäßigen Kontrolle des Löschmittelstandes bei den Ölschaltern und ölarmen Schaltern. Mit den Druckgasschaltern gehörten die hohe Brandlast, die Möglichkeit einer Schalterexplosion sowie die Alterung des Isolier- und Löschmittels der Ölschalter der Vergangenheit an.

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Sicherungszange für Spannungen bis 20 kV

Für den Kurzschlussschutz in Mittelspannungsanlagen von z. B. 10 – 30 kV werden neben Leistungsschaltern auch strombegrenzende Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen verwendet, meist in Kombination mit Lasttrennschaltern. Nach Auslösen der Sicherung und Störungsbehebung müssen diese in den betroffenen Anlagen gewechselt werden. Hierzu wird bei unter Spannung stehenden Anlagen eine isolierende Sicherungszange verwendet, in unserem Exponat bis 20 kV geeignet.

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Ölschalter - Aus den Anfängen unserer Elektrizitätsversorgung

Unser 3-kV-Ölschalter, ehemals im Einsatz beim Elektrizitätswerk Wanfried von Scharfenberg KG, ist mit 120 Jahren "Lebens"-Jahren unser ältester Mittelspannungsschalter 

Die Hochspannungstechnik entwickelte sich – wie dies bei der gesamten Technik der Fall war – rein empirisch. So wurden zunächst die einfachen Hebelschalter beibehalten, die sich in Niederspannungsanlagen gut bewährt hatten. Und dies obwohl die Betriebsspannungen immer mehr anwuchsen und bald die 1000-V-Grenze überschritten. Charles L. Brown, Mitgründer der damaligen BBC, welche zusammen mit ASEA die heutige ABB ist, schlug angesichts der ständig wachsenden Spannungen und Ströme und somit der Kurzschlussleistungen vor, den Hebelschalter in vergleichsweise wenig veränderter Form in einen mit Öl gefüllten Kasten einzubauen.

Hierdurch und mit weiteren Verbesserungen  gelang es, die Abschaltleistung der bisherigen Konstruktionen um Größenordnungen zu erhöhen. So wurden im Laufe von gut drei Jahrzehnten in Deutschland auch Höchstspannungsnetze mit 220 kV mit Dreikessel-Ölschaltern ausgerüstet. Leider kam es aber in der Zeit vor und nach dem ersten Weltkrieg auch zu zahlreichen schweren Schalterversagen aus unterschiedlichen Gründen, worauf wir weiter unten eingehen.

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(last update 09.10.2020)

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