Funktionsprinzip des Kompaktleistungsschalters (MCCB)
Ein Kompaktleistungsschalter (MCCB) ist ein Leistungsschalter, der ein geformtes Gehäuse verwendet, um seine stromführenden Komponenten unterzubringen und zu unterstützen sowie Teil des Isolationssystems zu sein. Das Arbeitsprinzip von MCCB wird in diesem Artikel ausführlich erläutert.
Die gebräuchlichste Art von MCCB ist der thermisch-magnetische Allzweck-Leistungsschalter. Siehe Abbildung 1. MCCBs haben häufig ein thermisches Überstromauslöseelement, um Schutz vor Überlastungen zu bieten, z. B. wenn eine Kupplung an einem Elektromotor falsch ausgerichtet ist oder ein elektrisches Gerät zu viel Strom zieht.
Ein momentanes Überstromelement ist ebenfalls vorgesehen, um vor Kurzschlüssen zu schützen, z. B. wenn sich zwei Drähte berühren oder wenn die Isolierung ausfällt. MCCBs haben die folgenden Hauptkomponenten:
- Rahmen oder Gehäuse
- Kontaktbaugruppen
- Lichtbogenschächte
- OCPDs
- ein Betätigungsmechanismus
- Klemmenanschlüsse
Ein Kompaktleistungsschalter (ICCB) ist ein Schaltkreis, der unterbrecher, der im Aufbau einem MCCB ähnlich ist, aber gewöhnlich ein elektronisches oder digitales OCPD verwendet und viel höhere Unterbrechungsbewertungen hat.
Abbildung 1. MCCB Beschrifteter Schaltplan
MCCB-Rahmen und -Gehäuse
Der Rahmen eines MCCB ist eine geschlossene Einheit, die die anderen Komponenten umgibt und stützt und gleichzeitig isoliert. Kompaktleistungsschalter können nicht geöffnet oder gewartet werden, außer zum Testen, Inspektion, und Reinigung der Außenseite.
Kompaktleistungsschalter können auf verschiedene Arten identifiziert werden: durch eine teerartige Substanz, genietete Gehäuse oder Papierdichtungen über den Gehäuseschrauben. Das Öffnen von Kompaktleistungsschaltern macht ihre UL-Liste ungültig, was bei einem Brand oder einem anderen Unfall mit diesen Leistungsschaltern zu Problemen führen kann.
MCCBs mit großem Rahmen und die meisten ICCBs verfügen über austauschbare OCPDs und werden auch als austauschbare Auslöseleistungsschalter bezeichnet. Austauschbare Auslöseleistungsschalter haben Gehäuse, die geöffnet werden können, um gewartet und gewartet zu werden. OEMs können bestimmte Teile zur Verfügung stellen, damit sie erneuert werden können.
Die OCPD kann durch ein Element ersetzt werden, das bis zur Frame-Bewertung von ICCBs und bis zu 80% der Frame-Bewertung von MCCBs dimensioniert werden kann. Siehe Abbildung 2.
Abbildung 2. Austauschbare Auslöseleistungsschalter beschriftet Schaltplan
MCCB-Kontaktbaugruppen
Die Kontaktbaugruppen öffnen und schließen Stromkreise. Die Kontakte auf kleinen MCCBs, wie Zweigleistungsschaltern, die in Panelboards verwendet werden, führen den Laststrom und wirken auch als Lichtbogenkontakte. Leistungsschalter mit großem Rahmen haben separate Lichtbogenkontakte und Hauptkontakte.
Ein Vorteil von MCCBs besteht darin, dass ihre Kontakte klein und leicht sind und einen Lichtbogen schnell unterbrechen können, z. B. in 1-1 / 2 bis 2 Zyklen. Strombegrenzende Versionen können einen Fehler in einem Zyklus von 1⁄ 2 oder weniger noch schneller beheben.
Lichtbogenkontakte helfen beim Unterbrechen von Lichtbögen und bestehen aus einer härteren Legierung als die Hauptkontakte, die nur für Laststrom ausgelegt sind. Die Lichtbogenkontakte (oben) erstrecken sich vor den Hauptkontakten (unten). Wenn der Leistungsschalter schließt, berühren sich zuerst die Lichtbogenkontakte (make). Daher tut dies jeder Lichtbogen, der auftritt, an den Lichtbogenkontakten. Die Hauptkontakte berühren sich dann unmittelbar nach der Berührung der Lichtbogenkontakte.
Die Hauptkontakte bestehen hauptsächlich aus Silber und sind weicher als die Lichtbogenkontakte, was bedeutet, dass sie schnell erodieren, wenn die Lichtbogenkontakte falsch eingestellt oder verschlissen sind. Strombegrenzende Leistungsschalter der neuen Generation unterscheiden sich von Standard-MCBs und vor allem durch ihre Kontaktstrukturen.
Standard-MCCBs verwenden einzelne Drehpunktmechanismen für die Kontakte, während strombegrenzende Leistungsschalter häufig Dual-Pivot-Mechanismen verwenden. Siehe Abbildung 3. Die Magnetfelder um jeden der Kontakte stoßen ab und zwingen die Kontakte schnell auseinander. Wenn der durch sie fließende Kurzschlussstrom zunimmt, werden die Magnetfelder stärker und die Kontakte öffnen sich schneller.
Abbildung 3. Standard-MCCBs vs. ICCBs
Damit diese Leistungsschalter (und Strombegrenzungssicherungen) strombegrenzend sind, muss der Kurzschlussstrom hoch genug sein, damit er sich in seinem Strombegrenzungsbereich befindet. Liegt der Kurzschlussstrom unter diesem Wert, spricht er als Standard-Leistungsschalter an.
MCCB Arc Chutes
Ein Lichtbogen ist eine anhaltende Entladung von Elektrizität über eine Lücke in einem Stromkreis oder zwischen Elektroden, normalerweise begleitet von den Elektroden (Kontakten), die durch die extreme Hitze des Lichtbogens verdampft und / oder geschmolzen werden.
Ein Lichtbogenschacht, auch Lichtbogenlöscher genannt, ist eine Struktur, die Lichtbogenteiler enthält. Als Kontaktteil wird der Lichtbogen zwischen den Lichtbogenkontakten gezogen. Der Lichtbogen steigt (aufgrund seiner extremen Temperatur) an und wird dabei von den Lichtbogenteilern gedehnt. Dies kühlt den Lichtbogen, so dass er gelöscht werden kann. MCCBs verwenden Lichtbogenrutschen, um Lichtbögen zu dehnen, abzukühlen und zu löschen, alles in 1-1⁄ 2 bis 2 Zyklen. Siehe Abbildung 4.
Abbildung 4. MCCB Arc Chute Diagramm
Überstromschutzvorrichtungen (OCPDs)
MCCBs mit kleinem Rahmen verwenden normalerweise thermomagnetische OCPDs.
Eine thermisch-magnetische OCPD ist eine OCPD, die auf die Wärme reagiert, die durch den Kupferverlust (I2R) entsteht, wenn Strom durch einen Leiter fließt.
Kupferverlust wird durch den Widerstand des Leiters gegen einen durch ihn fließenden Strom verursacht. Dieser Verlust wird als Wärme ausgedrückt. Je höher der Stromfluss durch einen Leiter ist, desto mehr Wärme entsteht. Eine thermisch-magnetische OCPD verwendet einen Bimetallstreifen, der im Strompfad angeordnet ist. Der Bimetallstreifen besteht aus zwei Metallen, die beim Erhitzen unterschiedliche Ausdehnungsraten aufweisen. Der Bimetallstreifen wird konstruiert, damit das Metall, das eine höhere Expansionsrate hat, den Bimetallstreifen zwingt, abzulenken oder zu verbiegen und die Auslöseverriegelung freizugeben. Dies tritt auf, wenn der Leistungsschalter einen Überstromzustand erfasst, der eine vorbestimmte Zeitspanne anhält.
Ein thermisch-magnetischer OCPD bietet Schutz vor Überstrom und Kurzschlüssen in MCBs. Eine thermisch-magnetische OCPD ist auch als Allzweck-Auslöseeinheit bekannt. Andere Namen für eine thermisch-magnetische OCPD sind Auslösevorrichtung und Auslöseeinheit und werden oft synonym verwendet. Auf MCCBs mit großem Rahmen wird typischerweise eine elektronische OCPD verwendet. Informationen zu einer bestimmten OCPD finden Sie auf dem am Gerät angebrachten OEM-Typenschild. Siehe Abbildung 5.
Abbildung 5. Ein thermisch-magnetischer OCPD bietet Schutz vor Überstrom und Kurzschlüssen in MCCBs und wird manchmal als Allzweck-Auslöseeinheit bezeichnet.
Ein MCCB kann nur eine OCPD mit einer Dauerstrom-Nennleistung von 80% der Frame-Nennleistung haben. Dies liegt daran, dass eine thermomagnetische OCPD eine sehr breite Zeit-Strom-Kennlinie aufweist, was bedeutet, dass OEMs eine zusätzliche Berücksichtigung für das Auslösen des Leistungsschalters vornehmen müssen, ohne sich selbst durch die durch den überschüssigen Stromfluss erzeugte Wärme zu beschädigen.
MCCB-Funktionsprinzip
Der Betätigungsmechanismus eines MCCB öffnet und schließt die Kontaktbaugruppen und hat drei Positionen: offen, geschlossen und Auslösung. Abzweigschalter, wie sie für Panelboards und Beleuchtungsplatten verwendet werden, sind relativ einfach aufgebaut. Siehe Abbildung 6.
Abbildung 6. MCCB Betätigungsmechanismus
Bei geschlossenen Kontakten befindet sich die Auslöseverriegelung in der Verriegelungsposition (gelber Kreis). Wenn die Kontakte geöffnet und geschlossen werden, bewegt sich die Auslöseverriegelungsposition nicht. Diese Art von Auslöseverriegelung ist eines der Hauptprobleme bei MCCBs, da sie und andere Teile des Betätigungsmechanismus werkseitig geschmiert werden.
Der Stromfluss durch die Kontakte erzeugt Wärme, die das Schmiermittel mit der Zeit austrocknet. Wenn das werkseitig aufgebrachte Schmiermittel trocknet, verdickt es sich und verlangsamt die Leistung des Leistungsschalters. Wenn es weiter trocknet, beginnt es abzublättern und es kommt zu Metall-zu-Metall-Verschleiß. Dieser Metall-zu-Metall-Verschleiß und die Korrosion, die an der Auslöseverriegelung auftreten kann, können leicht dazu führen, dass der Leistungsschalter nicht wie erforderlich öffnet. Das einzige Mal, wenn die Auslöseverriegelung ihre Position ändert, ist, wenn der Leistungsschalter ausgelöst wird.
Beachten Sie, dass die Auslöseverriegelung in der offenen und geschlossenen Position stationär ist, sich jedoch in der Auslöseposition unterscheidet. Eine Fehlfunktion der Auslöseverriegelung ist eine der Hauptursachen dafür, dass MCCBs nicht gemäß den OEM-Spezifikationen arbeiten. Moderne MCBs mit großem Rahmen enthalten häufig rote mechanische Auslöseknöpfe. Die Auslöseknopf betätigt die Auslöseverriegelung direkt. Die Auslöseverriegelung (gelber Pfeil in Abbildung 6) bewegt sich nicht, wenn der Leistungsschalter von der offenen in die geschlossene Position geschaltet wird. Es bewegt sich jedoch, wenn der Leistungsschalter ausgelöst wird. Siehe Abbildung 7.
Abbildung 7. Ein moderner, großformatiger MCCB-Betriebsmechanismus mit der Bezeichnung Diagramm
Alterung und Prüfung von Leistungsschaltern
Eine Studie wurde von der Nuclear Regulatory Commission (NRC) in NUREG / CR-5762, Wyle 60101, Comprehensive Aging Assessment of Circuit Breakers and Relays (März 1992) durchgeführt und behandelt das Thema Fehler in MCCBs, die drei bis fünf Jahre ohne Wartung in Betrieb waren.
In diesem Bericht wurden verschiedene Probleme mit den 11 untersuchten Leistungsschaltern festgestellt. Von den 11 Leistungsschaltern hatten 5 Langzeitverzögerungsfehler und 4 hatten sofortige Auslöseprobleme.
Einige Leistungsschalter hatten mehrpolige Ausfälle und einige hatten sowohl sofortige als auch langfristige Verzögerungsprobleme. Obwohl die Anzahl der Umfragen begrenzt war, ist sie typisch für Probleme, die während der Tests vor Ort aufgetreten sind.
Das NRC empfahl alle drei Jahre eine primäre Einspritzprüfung der Leistungsschalter und, falls sie nicht getestet werden konnten, den Betrieb des „Push-to-Test“ – oder „Twist-to-Test“ -Mechanismus jedes Jahr. Wenn ein Leistungsschalter nicht über solche Testfunktionen verfügt, empfahl der NRC, den Kippschalter (Griff) mehrmals oder zweimal im Jahr zu betätigen, um die Funktionalität aufrechtzuerhalten.
MCCB-Klemmenanschlüsse
Die sichere Installation von MCCBs und isolierten Leistungsschaltern (ICCBs) hängt von ordnungsgemäßen Abschlüssen ab. Wenn die Abschlüsse nicht ordnungsgemäß abgeschlossen sind, können sie Brände auslösen und Geräte beschädigen. Viele große ICCBs sind entweder direkt mit dem Bus verschraubt oder ausziehbar. Siehe Abbildung 8. Probleme mit diesen Arten von Verbindungen sind ziemlich selten.
MCCBs werden häufig mit Litzenkabeln oder -drähten verbunden, was zu Problemen führen kann, da sie aufgrund von Hitzezyklen dazu neigen, sich im Laufe der Zeit zu lösen. Bei den Klemmenanschlüssen von handelsüblichen thermisch-magnetischen Dreiphasen-Industrieleistungsschaltern werden die Leiter in die Klemmfahnen eingepasst und vorschriftsmäßig angezogen. Die Anschlussfahne kann nur für einen bestimmten Bereich von Drahtgrößen und Drahtarten verwendet werden. Wenn der Leiter zu klein ist, hat er nicht die Oberfläche innerhalb der Nase, um die erwartete Strommenge zu tragen.
Abbildung 8. ICCB-Abschlussdiagramm
Wenn ein kleiner Leiter an eine Anschlussfahne angeschlossen wird, die für einen viel größeren Leiter verwendet werden soll, besteht nur ein Punkt-zu-Punkt-Kontakt zwischen dem Leiter und der Anschlussfahne. Diese Art der Verbindung verursacht eine Überhitzung an der Verbindung und führt, wenn sie nicht korrigiert wird, dazu, dass der Leiter geglüht wird. Siehe Abbildung 9.
Abbildung 9.
Wenn ein Leiter geglüht wird, führt er aufgrund der erhöhten Impedanz nicht die richtige Strommenge. Die erhöhte Impedanz bewirkt eine weitere Erwärmung, wodurch der Leiter eine hohe Impedanz aufweist. Oft wird die Isolierung um einen geglühten Leiter aufgrund der erzeugten Wärme vollständig abgebrannt. Ein getemperter Leiter muss ersetzt werden, oder der getemperte Teil muss abgeschnitten werden und ein neues Stück des Leiters muss herein verstärkt werden.
Das andere Problem in Bezug auf Klemmenlaschen ist das unsachgemäße Anziehen. Wenn sich das Kabel in der Klemmenöse löst, erwärmt sich die Verbindung aufgrund der erhöhten Impedanz. Diese zusätzliche Erwärmung kann auch dazu führen, dass der Leiter geglüht wird. Wenn sich die Klemmenansatzschraube löst, tritt häufig ein Lichtbogen in den Gewinden der Klemmschraube auf. In der Regel kann dies von außen nicht gesehen werden, so dass der Techniker die Stellschraube nachziehen und glauben kann, dass das Problem gelöst ist. Die Lichtbögen innerhalb der Gewinde verhindern jedoch typischerweise, dass die Stellschraube weiter angezogen wird als dort, wo die Lichtbögen stattgefunden haben. Unabhängig davon, wie viel Kraft auf die Stellschraube ausgeübt wird, wird sie niemals vollständig gegen den Leiter angezogen, und die Überhitzung setzt sich fort. Siehe Abbildung 10.
Abbildung 10. MCCB-Torquing