Funktionsweise des Übertragungsschalters verstehen

Jul 01, 2023

Lernziele:

Wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, ist ein Ausfall des Stromversorgungssystems für viele Einrichtungen keine Option. Standby-Stromversorgungssysteme bestehen aus vielen Komponenten, einschließlich Übertragungsschaltern, die korrekt ausgelegt sein müssen. Bei Stromübergängen ist das Timing und die Reihenfolge der Übertragungsschalter von entscheidender Bedeutung, um einen ordnungsgemäßen Systembetrieb sicherzustellen. Beratende Ingenieure müssen Transferschaltertypen, Zeitanforderungen, Nennwerte und die Arten von Standby-Systemen verstehen, in denen Transferschalter für die Umschaltung auf Notstrom verwendet werden. Die Grundlage dieses Artikels ist NFPA 70-2014: National Electrical Code (NEC), sofern nicht anders angegeben.

Grundlegende Bedienung des Übertragungsschalters

Transferschalter sind für den Übergang der elektrischen Energie von der Primärquelle zu einer Sekundärquelle im Falle einer Unterbrechung, Wartung oder eines Ausfalls der Primärquelle verantwortlich. Die Hauptquelle besteht am häufigsten aus der Versorgungsleistung. Die Sekundärquelle besteht typischerweise aus der Backup- oder Notstromquelle. Der Arbeitsablauf läuft typischerweise wie folgt ab:

Standby-Systemtypen

Zu den Standby-Systemtypen gehören Notfallsysteme, gesetzlich vorgeschriebene Standby-Systeme, optionale Standby-Systeme, kritische Betriebsstromversorgungssysteme (COPS) und Systeme zur Unterstützung von Gesundheitseinrichtungen (siehe Abbildung 1).

Notfallsysteme (NEC-Artikel 700): Notfallsysteme werden von der NFPA definiert als „dazu bestimmt, bestimmte Bereiche und Geräte automatisch mit Beleuchtung, Strom oder beidem zu versorgen, falls die normale Versorgung ausfällt oder es zu einem Unfall mit Elementen kommt.“ eines Systems zur Bereitstellung, Verteilung und Steuerung von Strom und Beleuchtung, die für die Sicherheit des menschlichen Lebens unerlässlich sind.“ Zu diesen Systemen können Brandmelde- und Alarmsysteme, Aufzüge, Feuerlöschpumpen und Fluchtwegbeleuchtung gehören.

Transfergeräte, einschließlich Transferschalter, müssen automatisch sein, für den Notfalleinsatz gekennzeichnet und von der zuständigen Behörde (AHJ) zugelassen sein. Übertragungsgeräte müssen so ausgelegt und installiert sein, dass ein unbeabsichtigter gleichzeitiger Anschluss der primären und sekundären Stromversorgung verhindert wird. Übertragungsgeräte dürfen nur Notstromlasten versorgen. Der Strom muss innerhalb von 10 Sekunden oder weniger an die Sekundärquelle übertragen werden.

Gesetzlich vorgeschriebene Standby-Systeme (NEC-Artikel 701): Gesetzlich vorgeschriebene Standby-Systeme werden von der NFPA als „dazu bestimmt, ausgewählte Lasten (außer denen, die als Notfallsysteme eingestuft sind) im Falle eines Ausfalls der normalen Quelle automatisch mit Strom zu versorgen“ definiert. Zu diesen Systemen können Heiz- und Kühlsysteme, Kommunikationssysteme, Lüftungs- und Rauchentfernungssysteme sowie andere Prozesse gehören, die, wenn sie im Falle einer Unterbrechung der Primärquelle angehalten werden, Gefahren hervorrufen oder Rettungs- oder Brandbekämpfungseinsätze behindern könnten.

Transfergeräte, einschließlich Transferschalter, müssen automatisch sein, für den Standby-Einsatz gekennzeichnet und von der AHJ zugelassen sein. Übertragungsgeräte müssen so ausgelegt und installiert sein, dass ein unbeabsichtigter gleichzeitiger Anschluss der primären und sekundären Stromversorgung verhindert wird. Der Strom muss innerhalb von 60 Sekunden oder weniger an die Sekundärquelle übertragen werden.

Optionale Standby-Systeme (NEC-Artikel 702): Optionale Standby-Systeme werden von der NFPA definiert als „dazu bestimmt, öffentliche oder private Einrichtungen oder Grundstücke mit Strom zu versorgen, bei denen die Lebenssicherheit nicht von der Leistung des Systems abhängt.“ Zu diesen Systemen können Datenverarbeitungs- und Kommunikationssysteme sowie unternehmenskritische Systeme gehören, die von der AHJ nicht gesetzlich vorgeschrieben sind.

Übertragungsgeräte, einschließlich Übertragungsschalter, für optionale Standby-Systeme unterliegen nicht den gleichen Anforderungen wie Notfall- und gesetzlich vorgeschriebene Systemübertragungsgeräte. Übertragungsgeräte müssen jedoch so ausgelegt und installiert sein, dass ein unbeabsichtigter gleichzeitiger Anschluss der primären und sekundären Stromversorgung verhindert wird. Es gibt keine Code-Anforderungen dafür, dass Strom innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens an die Sekundärquelle übertragen werden muss.

Kritische Betriebsstromversorgungssysteme (COPS) (NEC-Artikel 708): Unterbrechungen oder Ausfälle in bestimmten kritischen Betriebsbereichen können sich negativ auf die nationale Sicherheit, die Wirtschaft, die öffentliche Gesundheit oder die Sicherheit auswirken. Die Anforderung zur Einhaltung von NEC-Artikel 708 wird von jeder zuständigen Regierungsbehörde oder von einer Einrichtung gestellt, die Unterlagen bereitstellt, die die Notwendigkeit eines solchen Systems belegen. Zu diesen Systemen können Stromversorgungssysteme, HVAC, Feueralarm, Sicherheit und Kommunikation in diesen Bereichen gehören. NFPA 1600-2013: Standard on Disaster/Emergency Management and Business Continuity Programs enthält weitere Informationen zu diesem Thema.

Transfergeräte, einschließlich Transferschalter, müssen automatisch arbeiten und für den Standby-Einsatz gekennzeichnet sein. Übertragungsgeräte müssen so ausgelegt und installiert sein, dass ein unbeabsichtigter gleichzeitiger Anschluss der primären und sekundären Stromversorgung verhindert wird.

Transferschaltertypen

Zu den Transferschaltertypen gehören „Offen“, „Geschlossen“, „Schnell geschlossen“, „Soft Close“ und „Bypass/Isolierung“.

Übertragungsschalter mit offenem Übergang: Die Übertragung mit offenem Übergang wird allgemein als „Unterbrechen vor dem Herstellen“ beschrieben. Das bedeutet, dass der Transferschalter die Verbindung zur Primärquelle trennt, bevor er die Verbindung zur Sekundärquelle herstellt (siehe Abbildung 2). Während dieses Übergangs kommt es zu einem kurzzeitigen Stromausfall. Darüber hinaus ermöglicht der offene Übergang konstruktionsbedingt keine gleichzeitige Parallelisierung der beiden Quellen. Transferschalter mit offenem Übergang sind der am häufigsten verwendete Typ. Sie sind günstiger als andere Optionen.

Umschalter mit geschlossenem Übergang: Der Transfer mit geschlossenem Übergang wird üblicherweise als „Schaltvorgang vor Unterbrechung“ beschrieben. Dies bedeutet, dass der Transferschalter eine Verbindung zur sekundären Quelle herstellt, während er mit der primären Quelle verbunden ist (siehe Abbildung 3). Wenn die Verbindung zur sekundären Quelle hergestellt ist, wird die primäre Quelle getrennt. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Versorgung des elektrischen Systems, da die beiden Quellen parallel geschaltet sind. Parallel geschaltete (oder miteinander verbundene) Quellen müssen dem NEC-Artikel 705 „Interconnected Electric Power Production Sources“ entsprechen, der grundlegende Sicherheitsanforderungen im Zusammenhang mit dem Parallelbetrieb von Generatoren und normalen/primären Quellen (üblicherweise der Versorgungsdienst) behandelt.

Schalter mit geschlossenem Übergang übertragen, wenn beide Quellen in Phase, Spannung und Frequenz synchronisiert sind. Die Länge des Synchronisationszeitraums, wenn beide Quellen parallel geschaltet werden, wird normalerweise durch die Verbindungsvereinbarung und die Anforderungen des Versorgungsunternehmens begrenzt.

Schnelle Transferschalter mit geschlossenem Übergang: Schnelle Transferschalter mit geschlossenem Übergang verwenden eine kurzzeitige Parallelschaltung von Quellen (typischerweise weniger als 100 ms) unter Verwendung eines Steuerungssystems, das dem Transferschaltersystem mit offenem Übergang ähnelt. Einige schnelle Übertragungsschalter mit geschlossenem Übergang nutzen die passive Synchronisierung, um die Phasenbeziehung zwischen den beiden aktiven Quellen (im Falle einer Parallelschaltung) zu erkennen und die Verbindung der Quellen zu ermöglichen, wenn sie synchronisiert sind. Dies gilt als passiv, da es keine direkte Kontrolle über die Generatorfrequenz gibt und die Quellen für einen so kurzen Zeitraum parallel geschaltet sind. Obwohl die Absicht darin besteht, die Quellen über einen längeren Zeitraum nicht parallel zu schalten, benötigen Versorgungsdienstleister häufig einen Rückleistungsrelaisschutz, um ihre Systeme vor einem dauerhaften Parallelbetrieb zu schützen. Schnelle Schalter mit geschlossenem Übergang sind teurer als Schalter mit offenem Übergang, aber kostengünstiger als weiche Schalter mit geschlossenem Übergang.

Weiche Transferschalter mit geschlossenem Übergang: Weiche Transferschalter mit geschlossenem Übergang verwenden einen automatischen Synchronisator, um dem Generator die Synchronisierung mit dem Versorgungsnetz und die Übertragung der Lasten zu ermöglichen. Die Übertragungszeit kann zwischen Sekunden und mehreren Minuten variieren, normalerweise abhängig von den Anforderungen des Energieversorgers. Während dieses Prozesses besteht ein dauerhafter Parallelbetrieb zwischen den beiden Quellen. Daher werden Spannungs- und Frequenzstörungen aufgrund der allmählichen Lastübertragung zwischen den Quellen typischerweise reduziert. Ähnlich wie bei schnellen Schaltern mit geschlossenen Übergängen benötigen Versorgungsdienstleister üblicherweise ein höheres Maß an Relaisschutz und Genehmigungen, um diese Art von System zu implementieren.

Bypass-/Isolations-Transferschalter: Wie der Name schon sagt, können die oben aufgeführten Transfersysteme mit Bypass- oder Isolationsfunktionen ausgestattet werden, um die primären Transferschalterkomponenten zu umgehen, ohne die Stromversorgung der Anlage zu unterbrechen. Die sekundäre Schaltkomponente bietet inhärente Redundanz und erhöht die Zuverlässigkeit. Dies ermöglicht die Wartung des Übertragungsschalters, ohne dass die Ausrüstung heruntergefahren werden muss. Bypass-/Isolationsfunktionen werden typischerweise für äußerst kritische Geräte oder Dauerlasten spezifiziert, bei denen ein Stromausfall die Leistung der Anlage oder des Betriebs beeinträchtigt.

Allerdings verursachen Bypass-/Isolationsfunktionen in der Regel erhebliche Kosten für das System und verursachen zusätzlichen Platzbedarf für die Unterbringung der zusätzlichen Ausrüstung.

Parallelschaltung von Schaltanlagen

Parallelschaltanlagen werden typischerweise verwendet, um mehrere Stromquellen (üblicherweise zwei oder mehr Generatoren) zu kombinieren und an einen gemeinsamen Bus anzuschließen, um die Gesamtkapazität der Quellen zu nutzen (siehe Abbildung 4). Die Stromquellen müssen synchronisiert werden, wobei Frequenz, Spannung, Phasenwinkel und Phasendrehung innerhalb vorgeschriebener Grenzen liegen und die Quellen parallel geschaltet werden können. Parallel geschaltete Schaltanlagen können motorisierte Leistungsschalter und speicherprogrammierbare Steuerungen verwenden, um Verteilungslasten zu betreiben und zu priorisieren, und daher erfordert diese Konfiguration möglicherweise keine eigenständigen Transferschalter zum Transferieren von Lasten. Einige AHJs erfordern jedoch möglicherweise separate Transferschalter für Lasten, die in den NEC-Artikeln 700 und 701 vorgeschrieben sind, um eine vollständige Trennung der Systeme zu gewährleisten. Für akzeptable und genehmigte Systemkonfigurationen sollte die AHJ konsultiert werden. Lastwartung und -prioritäten können festgelegt werden, um sicherzustellen, dass höchste Prioritäten, wie z. B. Notfall-, gesetzlich vorgeschriebene und optionale Standby-Lasten, innerhalb bestimmter Zeitrahmen mit Standby-/Notstrom versorgt werden, um die Übertragungsanforderungen zu erfüllen.

Auch nicht unbedingt erforderliche Lasten können mit Prioritätsschritten versehen werden, falls auf dem Backup-System zusätzliche Kapazität verfügbar ist, nachdem die oben genannten höheren Prioritäten berücksichtigt wurden. Parallel geschaltete Schaltanlagen können in der Regel so programmiert werden, dass sie viele anspruchsvolle Funktionen bereitstellen, wie z. B. Lastabwurf, Generatorentlastung, sanfte Netzumschaltungen, hochrangige Messung und Lasterhaltungsfunktionen. Allerdings können diese Funktionen die Kosten erheblich erhöhen und erfordern in der Regel einen höheren Grad an technischem Betriebspersonal, um sie über die gesamte Lebensdauer aufrechtzuerhalten.

Betrieb des Übertragungsschalters

Der Transferschalterbetrieb erfolgt basierend auf den Initiierungs- und Transferprozessen. Der Initiierungsprozess identifiziert, ob die Übertragung stattfinden muss. Dieses Ereignis kann in einem Verlust oder einer inkonsistenten Spannung der Primärquelle bestehen. Bei der Übertragung handelt es sich um den Prozess der Lastverlagerung von der sekundären oder alternativen Quelle und umgekehrt.

Automatisch: Im automatischen Modus verwaltet der Transferschalter-Controller den gesamten Prozess und die Einleitung beginnt, wenn der Controller einen Verlust der Primärquelle erkennt. Der Controller überwacht die Quellenspannung und sendet einen Befehl an die Generatoren zum Betrieb, wenn die Spannung für einen vorgeschriebenen Zeitraum unter einen voreingestellten Grenzwert fällt. Der Controller überwacht auch die Spannung und Frequenz der Sekundärquelle. Wenn diese Werte innerhalb akzeptabler Grenzen liegen, überträgt der Schalter die Last von der Primärquelle auf die Sekundärquelle. Wenn die Primärquelle für eine vorgeschriebene Zeit wiederhergestellt wurde, um die Stabilität sicherzustellen, kann der Schalter die Last automatisch zurück zur Primärquelle übertragen. Die meisten kritischen und lebenswichtigen Sicherheitslasten erfordern einen automatischen Betrieb gemäß der NEC-Definition.

Nichtautomatisch: Im nichtautomatischen Modus wird der Transferschalter manuell von einem Bediener aktiviert und dann betätigt ein internes Gerät innerhalb der Schaltausrüstung den Transferschalter durch elektrische Betätigung. Der Bediener hat die Möglichkeit zu bestimmen, wann der Lasttransfer eingeleitet werden soll, der eigentliche Transfervorgang wird jedoch elektrisch betätigt.

Manuell: Im manuellen Modus wird der gesamte Prozess manuell von einem Bediener durchgeführt. Typischerweise wird für die Lastübertragung kein Controller, keine Spannungserfassungsausrüstung oder kein elektrischer Mechanismus verwendet. Handschalter sind die grundlegendsten Arten von Transferschaltern und werden häufig in unkritischen Einrichtungen oder Anwendungen eingesetzt.

Konstruktion des Übertragungsschalters, Leistungsanforderungen

Codes und Standards wie UL 1008-8: Transferschalterausrüstung, UL 1008A-1: Standard für Mittelspannungs-Transferschalter und NFPA 110-2016: Standard für Not- und Standby-Stromversorgungssysteme legen Anforderungen an die Konstruktion und Leistung von Transferschaltern fest.

UL 1008: UL 1008 ist der in den USA am häufigsten angewandte und angenommene Standard für die Konstruktion und Prüfung von Transferschaltern. Dieser Standard gilt für automatische, manuelle oder nichtautomatische Transferschalter mit geschlossenem Übergang, Hybrid-, Feuerlöschpumpen-Transferschalter, Bypass-/Trennschalter und mehr Andere. Diese Norm befasst sich jedoch nicht speziell mit Schaltern mit einer Nennspannung von mehr als 600 V.

UL 1008 enthält Anforderungen, die sich mit der Konstruktion und Leistung der Transferschalterausrüstung befassen. Zu den Konstruktionsanforderungen der Norm gehören unter anderem die Gehäuseausrüstung, die Feld- und interne Verkabelung der Komponenten sowie die Installation der Ausrüstung.

Zu den Leistungs- und Testanforderungen gehören unter anderem Widerstands- und Schließleistungstests, Überspannungs-/Unterspannungs-, Überlast-, Temperatur- und Dauertests. Diese Tests und Konstruktionsanforderungen zeigen, dass die Transferschalterausrüstung zuverlässig und zuverlässig sein sollte, wenn der Transfervorgang erforderlich ist.

UL 1008A: Ebenso enthält UL 1008A Anforderungen für automatische, nichtautomatische und manuelle Transferschalter mit Betrieb über 750 V und bis zu 46 kV. Die Anforderungen der Norm umfassen den Transferschalter und die zugehörigen Steuergeräte und Relais.

NFPA 110: NFPA 110 wird in den Vereinigten Staaten häufig angewendet und übernommen. Kapitel 6 der Norm enthält Anforderungen für Übertragungsschaltergeräte. Anforderungen in der Norm in Bezug auf Funktionen des automatischen Transferschalters (ATS) legen fest, dass ihre Fähigkeiten Folgendes umfassen müssen:

In Kapitel 6 wird außerdem gefordert, dass „der Übertragungsschalter in der Lage sein muss, dem verfügbaren Fehlerstrom am Installationsort standzuhalten.“ Darüber hinaus „muss der Transferschalter über einen Dauerstrom- und Unterbrechungsstromwert für alle zu bedienenden Lastklassen verfügen.“ Die elektrische Nennleistung des Transferschalters muss für die gesamte angeschlossene Last angemessen dimensioniert sein.

NFPA 110 enthält Anforderungen an die Quellenüberwachung, wie z. B. Unterspannungserfassungsgeräte, um alle nicht geerdeten Leitungen der Primärquelle zu überwachen, Spannungs- und Frequenzerfassungsgeräte, um eine nicht geerdete Leitung zu überwachen und sicherzustellen, dass die Übertragung zur Sekundärquelle verhindert wird, bis Spannung anliegt und Häufigkeit liegen innerhalb vorgegebener Grenzen.

Es sind Zeitverzögerungsgeräte vorgesehen, um den Übertragungsvorgang zu verzögern, um störende Start- und Lastübertragungen aufgrund vorübergehender Leistungseinbrüche oder kurzzeitiger Störungen der Primärquelle zu vermeiden. Es muss eine einstellbare Zeitverzögerungsvorrichtung vorhanden sein, um den Lastübertragungsprozess zu verzögern, um einen übermäßigen Spannungsabfall im System zu vermeiden, wenn der Ausfall der Ausrüstung zu Verletzungen oder dem Verlust von Menschenleben führen könnte. Darüber hinaus muss ein weiteres einstellbares Zeitverzögerungsgerät (mit automatischer Umgehung) vorhanden sein, um den Übergang von der Sekundärquelle (normalerweise die Notstromversorgung) zur Primärquelle zu verzögern und eine erneute Stabilisierung der Primärquelle zu ermöglichen.

An der Macht bleiben

Das Verständnis der Konstruktion und der Leistungsanforderungen von Transferschaltern sowie die Auswahl der richtigen Transferschaltertypen und des gewünschten Betriebs für die jeweiligen Standby-Systeme tragen dazu bei, sicherzustellen, dass kritische Systeme und Geräte bei Bedarf zuverlässig mit Notstrom versorgt werden.

Ryan Ishino ist stellvertretender Direktor für Elektrotechnik im Orange County-Büro von JBA Consulting Engineers in Irvine, Kalifornien. Er verfügt über Erfahrung in mehreren Marktsektoren, darunter Gastgewerbe, Handel, Gesundheitswesen, Bildung und zentrale Anlagenplanung.

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