Die neue Generation intelligenter Mittelspannungsschaltanlagen

Dec 23, 2023

Die ursprüngliche Vision des industriellen Internets der Dinge (IIoT) bestand darin, dass intelligente Anlagen ihren Zustand und ihre Bedingungen an zentralisierte Softwareanwendungen übermitteln, die aggregieren, Analysen durchführen, Risiken identifizieren und menschliches Handeln intelligent steuern. Ein Hauptproblem bei dieser Vision besteht darin, dass die vorhandenen Kapitalanlagen nicht „intelligent“ waren. Um Gerätezustandsdaten zu erhalten, musste man entweder neue Sensoren zur Anlage hinzufügen oder Sensordaten (sofern vorhanden) aus den installierten Automatisierungssystemen beziehen.

Daher konzentrierte sich ein Großteil der frühen Arbeiten im IIoT-Bereich auf „große Maschinen, die sich drehen“; kapitalintensive rotierende Geräte wie große Motoren, Generatoren, Turbinen, Kompressoren usw. Diese Geräte waren normalerweise bereits mit einigen Zustandsüberwachungsinstrumenten ausgestattet oder konnten relativ einfach nachgerüstet werden, wodurch diese kritischen Daten verfügbar wurden. Aber auch bei passiven oder nicht rotierenden Anlagen (z. B. elektrischen Schaltanlagen) passte das IIoT-Modell. Auch wenn solche Geräte für eine Fabrik, ein Werk, einen Flughafen oder ein Rechenzentrum absolut geschäftskritisch sein könnten, blieben sie weitgehend unüberwacht und unsichtbar.

Heutzutage verfügt eine neue Generation von Schaltanlagen über weitaus mehr Sensorfunktionen und integrierte Konnektivität, die Anwendungen auf höherer Ebene für erweiterte Steuerung, Datenaggregation und Analyse ermöglicht.

In der jüngeren Vergangenheit verfügen einige Mittelspannungsschaltanlagen über eine Sensorfunktion (hauptsächlich für Temperaturen und Ströme). Was die neuesten Produkte neu und anders macht, ist das hohe Maß an Sensorik, die direkt in die Ausrüstung integriert ist, und die Gründe für diese zusätzliche Sensorik. Die zusätzliche Sensorik ist eine Ergänzung zu den Schaltanlagensteuerungen. Die neuen Sensoren führen Messungen durch, die Indikatoren für den Zustand und die Zuverlässigkeit kritischer Komponenten und der gesamten Schaltanlage sind. Die neue Sensorik zielt speziell darauf ab, Leistungsindikatoren sowohl für mechanische als auch elektrische Eigenschaften bereitzustellen. Darüber hinaus werden diese Messungen nicht nur während der Wartung, sondern kontinuierlich und bei jedem Schaltanlagenbetrieb durchgeführt.

Die nebenstehende Tabelle enthält eine Liste einiger der in den neuesten Gerätedesigns verfügbaren Messungen. Doch einige Beispiele veranschaulichen den potenziellen Wert dieser neuen Fülle an Informationen besser.

Erstens sind in jeder elektrischen Schaltanlage die Komponenten der Auslösekette die kritischsten. Diese erfüllen die Schutzfunktion. In Mittelspannungsschaltanlagen besteht diese Kette aus einer Auslösespule, die wiederum einen Mechanismus auslöst. Der Mechanismus öffnet mechanisch die Kontakte der Vakuum-Schaltkammer, wodurch der Stromfluss unterbrochen und eventuelle Lichtbögen gelöscht werden. Selbst wenn die Auslösefunktion während der rund 40-jährigen Lebensdauer der Schaltanlage nur einmal durch einen elektrischen Fehler ausgelöst wird, ist die ordnungsgemäße Funktion in diesem Moment von entscheidender Bedeutung. Das Problem bei vorhandenen Schaltanlagen besteht darin, dass einige elektrische Messungen zwar kontinuierlich verfügbar waren, die Leistung der kritischen mechanischen Komponenten der Auslösekette jedoch nur während der planmäßigen Wartung (wenn überhaupt) gemessen wurde. Die zur Beurteilung der Gesamtleistung der Schaltanlage erforderlichen Daten waren nur durch Offline-Wartung und -Tests verfügbar.

Im Gegensatz dazu messen moderne Geräte die Geschwindigkeit des Auslösemechanismus bei jedem Vorgang, unabhängig davon, ob es sich um einen geplanten oder schützenden Vorgang handelt. Auf lokaler Ebene liefern diese Informationen einen Hinweis auf den Zustand des Mechanismus. Dieselben Informationen können jedoch historisiert und aggregiert werden, um aussagekräftigere Trends, Zustandsbewertung, Diagnose und vorausschauende Wartung zu ermöglichen.

Ein zweites Beispiel für eine neue Sensorik ist die Messung des Erosionsspalts der Vakuum-Schaltkammerkontakte. Im Laufe der Zeit und bei mehreren Hochstromvorgängen können diese Kontakte leicht erodieren. Angesichts der hohen Ströme und Leistungen können jedoch bereits geringe Erosionsgrade (weniger als 1 mm) erhebliche Auswirkungen haben. Jetzt können Geräte die Position und Ausrichtung des Mechanismus sowie die Erosion der Unterbrecherkontakte messen. Auch hier handelt es sich um Informationen über den Zustand des Leistungsschalters, die nur bei der Offline-Wartung herkömmlicher Schaltanlagen verfügbar wären. Die Messungen werden nach jedem Betrieb durchgeführt und liefern einen gemessenen und validierten Hinweis auf den Zustand der Schaltanlage.

Ein wichtiger Punkt bei der neuen Sensorfunktion ist, dass sie so konzipiert ist, dass sie sich auf die kritischsten Messungen konzentriert und nicht nur auf diejenigen, die einfach zu erhalten sind. Das Schaltanlagendesign sollte die Erfassung bestimmter Bereiche ermöglichen, die nachweislich die Hauptursachen für Schaltanlagenprobleme sind. Somit sind die neuen Sensordaten direkt relevant für den Zustand und die Leistung der Ausrüstung. Durch die Historisierung, Aggregation und Analyse dieser Daten lässt sich ein noch größerer Mehrwert erzielen, unabhängig davon, ob dies vom Eigentümer/Betreiber oder über einen verwalteten Service eines Geräteherstellers erfolgt.

Ein äußerst wichtiger Aspekt der Betriebssicherheit und des Komforts ist die Möglichkeit, Gerätebedienungen aus sicherer Entfernung durchzuführen. Verletzungen durch elektrische Geräte stellen ein ernstes Gesundheits- und Sicherheitsrisiko dar. Jährlich kommt es zu Tausenden von Elektrounfällen und allein in den USA zu 5 bis 10 Störlichtbögen pro Tag. Diese Vorfälle können für die Gesundheit der Arbeitnehmer verheerend und auch teuer sein. Die OSHA schätzt, dass die medizinische Versorgung bei Verletzungen durch Lichtbögen über 1 Million US-Dollar kosten kann. Dazu kommen Geräteschäden, Stromausfälle, entgangene Geschäfte und mögliche behördliche Maßnahmen. Die Möglichkeit, aus sicherer Entfernung mit elektrischen Mittelspannungsgeräten zu interagieren, mindert jedoch viele Sicherheitsrisiken, einschließlich Lichtbogenüberschlag.

Schaltanlagen sollten ein vielseitiges Human Machine Interface (HMI) unterstützen, das von vielen Standorten aus auf vielen Geräten bedient werden kann. Das HMI sollte über ein am Gehäuse montiertes Panel-Display auswertbar sein. Wo es jedoch gewünscht wird, sollte dieselbe Schnittstelle über ein drahtloses Netzwerk auf ein Handheld-Tablet oder sogar ein Mobiltelefon gespiegelt werden.

Dies ermöglicht die Durchführung von Arbeiten von einem bequemen Ort aus, der sich in sicherer Entfernung von der Anlage selbst befindet. Zu den unterstützten Vorgängen sollten Racking, Schalten und die Überwachung des Schaltanlagenstatus und -zustands gehören. Durch diese Remote-Fähigkeit können Schaltanlagen der nächsten Generation die Betriebsabläufe verbessern und sie sowohl sicherer als auch schneller machen. Alle alltäglichen Vorgänge der Ausrüstung, sei es Sichtprüfung, Dokumentation, Betrieb oder Einbau eines Leistungsschalters, können über diese digitalen Vorgänge erledigt werden.

Beim industriellen Internet der Dinge (IIoT) werden Sensordaten von vernetzten Anlagen und Maschinen genutzt, um Industrieprodukte, Fertigungsabläufe, Geschäftsprozesse und sogar Geschäftsmodelle zu verbessern und zu transformieren. IIoT, auch „Industrielles Internet“ oder Industrie 4.0 genannt, nutzt die Leistungsfähigkeit intelligenter Geräte und Echtzeitanalysen, um Werte aus Daten abzuleiten, die zuvor in Industriebetrieben verborgen waren. Die Philosophie hinter IIoT ist, dass intelligente Maschinen und Systeme besser als Menschen darin sind, Daten in Echtzeit zu erfassen und zu analysieren und wichtige Informationen zu kommunizieren, die zu effektiveren Geschäftsentscheidungen führen können.

Um intelligente Geräte zu aggregieren, zu verwalten und daraus einen Mehrwert zu ziehen, erfordert das IIoT eine Art Architektur, die heterogene Geräte abstrahiert und es ermöglicht, dass Daten und Analysen mehrere Anwendungsfälle und Anwendungen und nicht nur einen bedienen. Die meisten IIoT-Architekturen bestehen aus drei Schichten:

Neben der Sensorik ist die Konnektivität eine wichtige Eigenschaft neuer Gerätedesigns. Vernetzte Produkte ermöglichen sowohl die lokale Integration als auch die Aggregation von Daten vieler Geräte in einer oder mehreren Installationen. Die aggregierten Daten speisen Analysen ein, die einen Mehrwert auf einer breiteren Ebene bieten.

Die „Edge“-Schicht ist eigentlich ein Spektrum aus Hardware und Software. In den meisten Fällen werden vernetzte Produktdaten am Edge aggregiert und verwaltet. In einigen Fällen, in denen Latenz eine Rolle spielt oder die Datenmenge zu groß ist, um sie zu transportieren (z. B. Videostreams), können Analysen und Anwendungen an einem Edge-Computing-Knoten statt in einem Rechenzentrum oder einer Cloud durchgeführt werden.

Die Anwendungs- und Analyseschicht ermöglicht die Skalierung von Datenspeicherung, Analysen und anderen groß angelegten Anwendungen auf Cloud-Ebene. Diese Ebene wird häufig in der Cloud gehostet, und selbst wenn dies nicht der Fall ist, verwendet sie häufig dieselbe Software und dieselben Tools wie Cloud Computing.

Nicht jede Elektroinstallation wird alle diese übergeordneten IIoT-Anwendungen und -Dienste wollen oder benötigen. Aber lassen Sie uns einige Beispiele dafür hervorheben, wie eine IIoT-fähige Installation Vorteile bietet und durch diese Lösungen ergänzt wird.

Neben eingebetteter Sensorik und Intelligenz können die neuen Designs zu einem deutlich geringeren Platzbedarf sowohl bei Neuinstallationen als auch bei Nachrüstungen führen. Die Platzeinsparungen bei diesen Konstruktionen können im Vergleich zu herkömmlichen Schaltanlagen um bis zu 20 bis 30 Prozent geringer ausfallen.

Bei Neuinstallationen bedeutet der reduzierte Platz für die elektrische Infrastruktur, dass mehr Gebäudefläche für die Mission selbst als für die unterstützende Infrastruktur reserviert werden kann. Bei sehr kostenintensiven Bauwerken (z. B. Offshore-Anlagen) können die Platzkosten sehr hoch sein und die in der Entwurfsphase ermittelten Platzeinsparungen sind von großem Wert, da sie die Gesamtgröße des Bauwerks verringern. Modulare Stromversorgungsanlagendesigns (wie sie beispielsweise in E-Häusern für Rechenzentren verwendet werden) profitieren auch von einem geringeren Platzbedarf für Schaltanlagen. Dies führt zu einer kleineren Stellfläche des E-House-Moduls, einer reduzierten Tragstruktur und einem einfacheren Transport zum Standort.

Bei Nachrüstungsanwendungen ist der Einbau der neuen Ausrüstung in den vorhandenen Raum von entscheidender Bedeutung, um die Kapitalkosten und betrieblichen Belästigungen durch den Bau zusätzlicher Infrastrukturflächen zu vermeiden. Durch die Gestaltung mit Geräten mit geringerem Platzbedarf kann auch in Räumen, die jetzt voll sind, freier Platz „geschaffen“ werden.

In beiden Fällen profitieren Eigentümer und Betreiber auch von der höheren Zuverlässigkeit, die eine intelligente Infrastruktur bieten kann, insbesondere eine Infrastruktur, die potenzielle Probleme im Normalbetrieb anzeigen und so Wartungsressourcen proaktiv in den Bereich mit dem größten Bedarf lenken kann.

Intelligente Geräte sind eine äußerst wichtige Designinnovation. Gerätekonstruktionen, deren Leistung weit über den Erwartungen liegt, sind jedoch ein weiterer Schlüssel zu Qualität und Zuverlässigkeit. Die allgemein akzeptierten ANSI-Anforderungen sehen vor, dass Mittelspannungsschaltanlagen für 10.000 Schaltvorgänge ohne Last ausgelegt sein müssen. Modernste Geräte mit integrierter Überwachung können diese Anforderung weit übertreffen und sind für bis zu 30.000 Betätigungen bei voller Nennlast ausgelegt. Dies ist ein stichhaltiger Beweis dafür, dass das elektromechanische System während seiner gesamten Lebensdauer zuverlässig arbeitet. Endbenutzer sollten nach Beweisen dafür suchen, dass neue Geräte so konzipiert sind, dass sie über die gesetzlichen Anforderungen hinausgehen.

Solche Designkriterien mögen unrealistisch erscheinen. Keine elektrische Infrastruktur sollte auch nur annähernd so viele Unterbrechungen erleiden, selbst über eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten. Aber die Tatsache, dass ein Design in der Lage ist, einen höheren Standard zu erfüllen, ist ein Beweis für die Robustheit und Qualität des Designs und ein Beweis dafür, dass es auch bei den weniger strengen Anforderungen einer normalen Gerätelebensdauer überlegene Dienste leisten wird.

Zwei aktuelle Produkte von Schneider Electric veranschaulichen all diese Trends. Einer davon ist EvoPacT, ein Mittelspannungs-Vakuum-Leistungsschalter mit integrierter Sensorik. Das zweite ist SureSeT, eine neue Linie von Mittelspannungsschaltgeräten, die die Sensorik und Konnektivität von EvoPacT erweitert. Beide sind Beispiele für die neue Generation solcher Geräte – sie verfügen über weitaus mehr Sensorik und Konnektivität und bieten ein neues Maß an Zuverlässigkeit und Mehrwert für Eigentümer und Betreiber.

EcoStruxure ist die interoperable IIoT-Architektur und -Plattform von Schneider Electric, die sich von der Industrie über Rechenzentren, Infrastruktur, Gebäude und sogar Privathäuser erstreckt. EcoStruxure ist in drei Hauptschichten unterteilt; 1) Vernetzte Produkte, 2) Edge Control, 3) Anwendungen, Analysen und Dienste.

EvoPacT- und SureSet-Schaltanlagen sind Teil der EcoStruxure Connected Products-Schicht. Während diese Schicht einen erheblichen Mehrwert bietet, müssen Anlageneigentümer und -betreiber auch verstehen, wie die oberen Schichten des EcoStruxure Power-Stacks den Wert intelligenter Geräte weiter steigern und wie sie den Betrieb und die Wartung weiter verändern können. Höherwertige EcoStruxure-Produkte und -Dienstleistungen ermöglichen eine weitere Verbesserung und Umgestaltung der elektrischen Infrastruktur und der von ihr unterstützten kritischen Abläufe.

Der Trend bei kritischen Infrastrukturgeräten besteht eindeutig darin, „unsichtbare“ Geräte durch modernere Geräte zu ersetzen, die ihren eigenen Zustand messen und melden können und die gleichen Informationen auch für Analyseanwendungen zur Verfügung stellen, die vorausschauende Wartung, Hochverfügbarkeit und andere Arten unterstützen der Optimierung.

Die Kombination des selbstsensierenden EvoPacT-Leistungsschalters von Schneider Electric in der SureSet-Reihe von MV-Schaltanlagen, die wiederum mit den ExoStruxure Power-Anwendungen verknüpft ist, ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie sich die IIoT-Vision nun weiter auf kritische Geräte ausdehnt, die früher nicht möglich waren im laufenden Betrieb untersucht.

Die übergeordneten Softwareprodukte von Schneider Electric wie EcoStruxure Asset Advisor sind Beispiele für die Nutzung von Gerätezustandsdaten und die Bereitstellung von Empfehlungen zum Anlagenzustand oder sogar zur Energieeffizienz durch Analysen und/oder künstliche Intelligenz. Durch den Einsatz menschlicher Experten können Endbenutzer sowohl von Analysen als auch von der besten menschlichen Expertise bei der Erkennung von Problemen profitieren. Dies bewegt sie in Richtung vorausschauende Wartung.

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Schlüsselwörter: IIoT, Gerätezustand, EvoPacT, metallverkleidete Schaltanlagen, Mittelspannung, Sensorik, SureSet, Schneider Electric, ARC Advisory Group.