Zusammenfassung: Die Entwicklung von Mittelspannungs-Vakuumleistungsschaltern hat ein rasantes Wachstum erlebt und bemerkenswerte Ergebnisse erzielt. Insbesondere 12-kV-Vakuumleistungsschalter zeichnen sich durch hohe Produktionsmengen, breite Anwendung und vielversprechende Zukunftsaussichten aus. Schlüsselwörter: Mittelspannungs-Vakuumleistungsschalter, Zukunftsaussichten. Anfang der 1970er-Jahre eroberten ölfreie Mittelspannungsschaltanlagen den Weltmarkt. Bis 1977 hatten sie sich als dominierende Technologie etabliert, während ölgefüllte, ölarme und magnetische Ausblasschalter schrittweise vom Markt verschwanden. Von 1977 bis 1988 entbrannte weltweit eine intensive Debatte über die Entwicklung von SF6- oder Vakuumschaltanlagen – den beiden Säulen ölfreier Schaltanlagen. Diese Debatte führte zu einer Win-Win-Situation: Sowohl SF6- als auch Vakuumleistungsschalter erlebten eine signifikante Weiterentwicklung. Im darauffolgenden Jahrzehnt, insbesondere im 12-kV-Bereich, profitierten Vakuumleistungsschalter von ihren klaren Vorteilen und erlebten eine Blütezeit. Aus internationaler Marktperspektive machten Mittelspannungs-Vakuumleistungsschalter Anfang der 1970er Jahre nur wenige Prozent aus, 1980 etwa 20 %, 1985 rund 46 %, 1990 etwa 55 %, 1995 rund 62 % und erreichten im Jahr 2000 70 %. Betrachtet man die Produktionsländer, konzentrieren sich Japan, die USA, Großbritannien, Russland und China auf die Entwicklung von Vakuumleistungsschaltern, während Frankreich den Fokus auf SF6-Leistungsschalter legt. Insgesamt hat die Entwicklung von Mittelspannungs-Vakuumleistungsschaltern rasant an Fahrt aufgenommen und bemerkenswerte Ergebnisse erzielt. Besonders die 12-kV-Vakuumleistungsschalter zeichnen sich durch hohe Produktionszahlen, breite Anwendungsbereiche und vielversprechende Zukunftsaussichten aus. I. Der Erfolg von Vakuumleistungsschaltern Der Erfolg von Vakuumleistungsschaltern zeigt sich unter anderem in folgenden Aspekten: (1) Der Weltmarkt wächst kontinuierlich. Vakuumleistungsschalter machten im Jahr 2000 70 % des Marktes für Mittelspannungsleistungsschalter aus. In Japan lag ihr Marktanteil 1977 bei nahezu 100 %, in den USA und Deutschland bei über 70 % und in Russland bei über 50 %. Seit 1993 werden Vakuumleistungsschalter im japanischen Energiesektor intensiv genutzt. Im Jahr 2000 betrug ihr Anteil an der Gesamtproduktion von Mittelspannungsleistungsschaltern 87,36 %, 2001 waren es bereits 91,16 %. Beispielsweise wurden 2001 93.465 12-kV-Vakuumleistungsschalter produziert. Japan hat sich damit zu einem der weltweit größten Hersteller von Mittelspannungs-Vakuumleistungsschaltern entwickelt. Japan verdient hier besondere Erwähnung. 1983 produzierte Japan 50.900 Mittelspannungs-Leistungsschalter verschiedener Typen, davon 50 % Vakuum-Leistungsschalter, während die Produktion von SF6-Leistungsschaltern zurückging. Bis 1998 stieg die Produktion auf insgesamt 72.618 Mittelspannungs-Leistungsschalter verschiedener Typen, wobei der Anteil der Vakuum-Leistungsschalter auf 71 % zunahm, während der Anteil der SF6-Leistungsschalter auf 4 % sank. Schätzungen zufolge dominieren Vakuum-Leistungsschalter den japanischen Markt mittlerweile nahezu vollständig. Japanische Unternehmen wie Toshiba, Hitachi, Mitsubishi, Fuji Electric und Meiden haben die Entwicklung von Vakuum-Leistungsschaltern intensiv vorangetrieben. Allein Toshiba produzierte 2,5 Millionen Vakuum-Leistungsschalter. Auch Siemens und ABB CalorEmag in Deutschland entwickeln Mittelspannungs-Vakuum-Leistungsschalter mit hoher Intensität. Siemens erreichte eine Produktionszahl von über einer Million Vakuum-Leistungsschaltern. (2) Ausländische Hersteller haben die Umstellung von SF6 auf Vakuum abgeschlossen. Beispielsweise produzierte BBC ursprünglich ausschließlich SF6-Mittelspannungs-Leistungsschalter. Nach der Zusammenarbeit mit ASEA zur Gründung von ABB übernahm das Unternehmen CalorEmag und spezialisierte sich auf die Produktion von Vakuumleistungsschaltern. Dadurch übertraf die Produktion von Vakuumleistungsschaltern bei ABB die von SF6-Leistungsschaltern, und das Unternehmen erlangte Bekanntheit für seinen Vakuumleistungsschalter vom Typ VD4. Kürzlich entwickelte ABB zudem den Vakuumleistungsschalter vom Typ VM1 mit Permanentmagnetmechanismus. Auch Alstom produzierte ursprünglich nur SF6-Leistungsschalter. Nach der Übernahme des Sachsenwerk-Werks von AEG in Deutschland gründete das Unternehmen die AlstomSachsenwerk GmbH, die sich auf die Produktion von Vakuumleistungsschaltern wie dem Typ HVX spezialisierte. Nach der Fusion von Schneider mit MG nutzte Schneider nicht nur die SF6-Leistungsschaltertechnologie von MG, sondern auch die Gelegenheit, eigene Vakuumleistungsschalter zu entwickeln. Zu diesem Zeitpunkt hatten alle großen Unternehmen weltweit, die zuvor ausschließlich SF6-Leistungsschalter produziert hatten, wie ABB, Alstom und Schneider, ihre Produktumstellung abgeschlossen. (3) Aus ausstellungstechnischer Sicht ist die Hannover Messe in Deutschland die weltweit größte Industriemesse und gilt als Schaufenster für neue Produkte. Auf der Hannover Messe 2000 wurden ausschließlich Vakuumleistungsschalter für Mittelspannung ausgestellt. So erweiterte beispielsweise die ABBCalorEmagMitteilung GmbH die Produktpalette der VM1-Vakuumleistungsschalter mit Permanentmagnetantrieb um die Modelle 12 kV 3150 A 50 kA, 17,5 kV 3150 A 31,5 kA und 24 kV 2000 A 25 kA. Parallel dazu wurden auch Synchronleistungsschalter mit Permanentmagnetantrieb präsentiert. Die Vakuumleistungsschalter der HVX-Serie von Alstom Sachsenwerk GmbH umfassen Nennspannungen von 12/15/17,5 kV, Nennströme von 630–2500 A und Nennkurzschlussausschaltströme von 12 kV bis 100 kA und von 24 kV bis 80 kA. Diese Produkte sind wahlweise mit Feder- oder Permanentmagnetbetätigung erhältlich. Siemens hat das Anwendungsgebiet seiner modularen Vakuumleistungsschalter der NXACT-Serie erweitert und bietet nun auch Varianten mit 12 kV und 31,5 kA sowie 24 kV und 25 kA an. Die Vakuumleistungsschalter von Siemens sind mit Federbetätigung ausgestattet. (4) Aus Sicht anerkannter Prüfstellen dominieren 12-kV-Vakuumleistungsschalter. Die KEMA-Prüfstelle in den Niederlanden ist eine weltweit anerkannte, neutrale und anerkannte Prüfstelle. Im Zeitraum von 1991 bis 1996 wurden an dieser Prüfstelle 450 Zertifizierungsprüfungen an Produkten im Spannungsbereich von 3,6 bis 145 kV durchgeführt. Davon entfielen 57 % auf Vakuumschalter und 14 % auf Luft- und Ölschalter. Im 12-kV-Bereich dominieren Vakuumleistungsschalter mit rund 110 Prüfzyklen gegenüber nur etwa 10 bei SF6-Leistungsschaltern. Die KEMA-Prüfstelle veröffentlichte zudem Daten zu Prüfzertifikaten für Lichtbogenlöschkammern aus den Jahren 1985 bis 1997. Diese zeigen ein Verhältnis von 10:1 zwischen Vakuum- und SF6-Lichtbogenlöschkammern. Dies verdeutlicht den klaren Vorteil von Vakuum-Lichtbogenlöschkammern in Verbindung mit Vakuumleistungsschaltern. Die jüngsten Entwicklungen bei Vakuumleistungsschaltern zeigen sich in folgenden Aspekten: 1. Spezielle Vakuumleistungsschalter stehen vor völlig anderen Schaltaufgaben, was zur Entwicklung neuer, spezieller Leistungsschalter geführt hat. Beispiele hierfür sind Vakuumleistungsschalter mit besonders hoher Kapazität zum Schutz von Generatoren (Kurzschlussausschaltstrom bis zu 63–80 kA und darüber), Standard-Vakuumleistungsschalter (Kurzschlussausschaltstrom 25–50 kA), wirtschaftliche Vakuumleistungsschalter (16–25 kA), Vakuumleistungsschalter für häufige Schaltzyklen (z. B. 50.000–60.000 Schaltzyklen) und Vakuumleistungsschalter für extrem häufige Schaltzyklen (z. B. 100.000–150.000 Schaltzyklen). Die Leistungsschalter der Siemens-Serie 3AH sind beispielsweise je nach Anwendungsbereich in fünf Modelle unterteilt: 3AH1 und 3AH3 sind Standardmodelle mit 10.000 Schaltzyklen; 3AHHZ ist ein Modell für häufige Schaltzyklen mit 60.000 Schaltzyklen; 3AH4 ist ein Modell für extrem häufige Schaltzyklen mit 120.000 Schaltzyklen; und 3AH5 ist ein kostengünstiges Modell. 2. Vakuumleistungsschalter mit niedriger Überspannung Es ist bekannt, dass Vakuumleistungsschalter aufgrund von Stromabsenkung Überspannungen verursachen können, insbesondere beim Abschalten kleiner induktiver Lasten wie Motoren. Um Überspannungen zu begrenzen, sind Vakuumleistungsschalter üblicherweise mit Überspannungsableitern wie SiC®-RC-Schaltungen und ZnO-Überspannungsableitern ausgestattet. Dies führt zu einer großen und komplexen Struktur des Leistungsschalters, und die Überspannungsbegrenzung ist mitunter nicht optimal. Mehrere japanische Unternehmen haben einen anderen Ansatz gewählt und Vakuumleistungsschalter mit niedriger Überspannung entwickelt. Diese benötigen keine Überspannungsableiter, sondern verwenden neu entwickelte Kontaktmaterialien, um die Überspannung auf ein Zehntel des herkömmlichen Wertes zu begrenzen. Toshiba verwendet AgWC, Hitachi Co-Ag-Se, Mitsubishi Cu-Cr-Bi-α und Fuji CuCr + Hochdampfmaterial. Diese Unternehmen erreichen im Allgemeinen 20 kA bei 7,2 kV, wobei nur Toshiba 40 kA bei 7,2 kV erreicht. 3. Multifunktionale Vakuumleistungsschalter Wie bekannt, verfügen Vakuumleistungsschalter bisher nur über zwei Schaltstellungen (Schließen und Öffnen). Mittlerweile sind multifunktionale Vakuumleistungsschalter auf dem Markt, die über mehrere Funktionen wie Schließen, Öffnen, Trennen und Erden verfügen. Siemens, Alstom und Hitachi bieten solche Produkte an. Der neueste modulare Vakuumleistungsschalter NXACT von Siemens vereint mehrere Funktionen: Schließen, Öffnen, Trennen, Erden und Verriegeln. Der Vakuumleistungsschalter von Alstom für VISAX-Schaltanlagen arbeitet mit drei Schaltstellungen (Schließen, Öffnen, Trennen). Der in Zusammenarbeit mit der Tokyo Electric Power Company entwickelte 24-kV-Vakuumleistungsschalter von Hitachi verfügt über vier Schaltstellungen (Schließen, Öffnen, Trennen, Erden). Um die Produkte multifunktionaler zu gestalten, verfolgen bestehende Produkte zwei Ansätze: Zum einen bewegt oder dreht sich die Phasensäule des Vakuumleistungsschalters nach dem Schaltvorgang und stellt so die Trennung und Erdung her; Die andere Möglichkeit besteht darin, dass sich die Kontakte im Vakuumschalter drehen, um Isolation und Erdung zu erreichen. Das NXAct-Modell von Siemens nutzt die Phasenspaltenbewegung nach dem Schaltvorgang, während Alstom die Phasenspaltenrotation und Hitachi die Kontaktrotation im Schalter zur Isolation und Erdung verwendet. 4. Synchrone Leistungsschalter. Synchrone Leistungsschalter, auch phasessenselektive oder gesteuerte Vakuumschalter genannt, arbeiten nach dem Prinzip, den Vakuumschalter zum günstigsten Spannungs- oder Stromzeitpunkt zu öffnen oder zu schließen. Im Vergleich zu herkömmlichen Vakuumschaltern bieten synchrone Leistungsschalter folgende Vorteile: 1. Reduzierte transiente Überspannungsbelastung des Stromnetzes; 2. Verbesserte Versorgungsqualität; 3. Längere Lebensdauer und höhere Leistung des Leistungsschalters; 4. Vereinfachte Netzplanung und damit geringere Systemkosten. ABB hat synchrone Vakuumschalter mit digitaler Elektronik und magnetischen Betätigungsmechanismen entwickelt – ein vielversprechender Anfang. 5. Intelligente Vakuumschalter. Die Intelligenz von Vakuumschaltern basiert auf modernen Sensor- und digitalen Steuerungstechnologien. Ausländische Hersteller statten ihre Produkte mit intelligenten Systemen aus – eine Notwendigkeit für die Automatisierung der Stromverteilung sowie für die Steuerungs- und Schutzanforderungen des Leistungsschalters selbst. Beispiele hierfür sind das programmierbare digitale Steuergerät DCX von Alstom, das Steuer- und Schutzgerät REF542 von ABB und das digitale Schutzgerät der zweiten Generation von Siemens. Vakuumleistungsschalter haben sich rasant weiterentwickelt. Dafür gibt es viele Gründe, zwei sind jedoch grundlegend: Fortschritte in der Vakuumschaltertechnologie und in der Technologie der Betätigungsmechanismen. Der Vakuumschalter ist das Herzstück des Vakuumleistungsschalters. Fortschritte bei Vakuumschaltern zeigen sich beispielsweise im Wechsel des Kontaktmaterials von CuBi zu CuCr, wodurch das Schaltvermögen verbessert und der Abschaltstrom reduziert wird, sowie in der Verlagerung des Magnetfelds von quer zu längs, was das Schaltvermögen weiter verbessert und den Kontaktverschleiß verringert. Im Hinblick auf die Fertigungsprozesse hat die Einführung eines einstufigen Dichtungsverfahrens die Leistung und Zuverlässigkeit des Schalters deutlich verbessert. Der Betätigungsmechanismus gilt als das Nervenzentrum des Vakuumleistungsschalters. Ursprünglich wurden elektromagnetische Mechanismen verwendet, später kamen Federmechanismen zum Einsatz, und heute werden Permanentmagnetmechanismen verwendet. Federmechanismen sind komplex und bestehen aus zahlreichen Teilen (bis zu 200), was eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erfordert. Zudem stimmen ihre Ausgangskennlinien nicht mit den Lastkennlinien von Vakuumleistungsschaltern überein, weshalb die Kurvenform und die Gestängekonstruktion sorgfältig ausgelegt werden müssen. Permanentmagnetmechanismen hingegen zeichnen sich durch eine besonders einfache mechanische Struktur mit weniger Teilen als alle anderen Mechanismen aus. Die Anzahl der beweglichen Teile kann auf ein einziges reduziert werden, was zu einer außergewöhnlich hohen mechanischen Zuverlässigkeit führt. Darüber hinaus sind die Ausgangskennlinien von Permanentmagnetmechanismen optimal auf die Lastkennlinien von Vakuumleistungsschaltern abgestimmt. Permanentmagnetmechanismen nutzen Permanentmagnetverriegelungen, Kondensatoren (oder eine Gleichstromversorgung) zur Energiespeicherung und eine elektronische Steuerung. Sie eignen sich besonders für häufige Schaltzyklen von 60.000 bis 150.000 Zyklen. Weltweit war TAVIDIDA ELECTRICAG (TEL) 1974 Vorreiter bei der Entwicklung von Vakuumleistungsschaltern mit Permanentmagnetmechanismus. 1989 kam ein wartungsfreier Vakuumleistungsschalter mit Permanentmagnetmechanismus auf den Markt, der 1993 die Typprüfung bei der KEMA-Prüfstelle in den Niederlanden bestand. 1994 erhielt der Vakuumleistungsschalter vom Typ ISM mit Permanentmagnetmechanismus ein russisches Patent (Patentnummer N.020631). Seitdem haben Unternehmen wie ABB, Josly, Cooper und Whipp & Bourne eigene Vakuumleistungsschalter mit Permanentmagnetmechanismus entwickelt. ABB beispielsweise entwickelte 1997 erfolgreich den Vakuumleistungsschalter vom Typ VM1 mit Permanentmagnetmechanismus. Vakuumleistungsschalter mit Permanentmagnetmechanismus werden nicht nur für Innen-, sondern auch für Außen-Leistungsschalter und Wiedereinschalter eingesetzt, wie beispielsweise der Wiedereinschalter vom Typ OSM von TEL und der Außen-Wiedereinschalter vom Typ GVR von Whipp & Bourne. Ende der 1990er-Jahre wurden in meinem Land Vakuumleistungsschalter mit Permanentmagnetmechanismen eingeführt. Zahlreiche chinesische Unternehmen entwickelten solche Mechanismen, von denen einige bis zu 100.000 Schaltzyklen getestet wurden. Beispiele für Vakuumleistungsschalter mit Permanentmagnetmechanismen sind die Typen VSM und VSIA, ZN23-40.5, ZN65, ZWD-12 und ZND-40.5. Kurz gesagt, Vakuumleistungsschalter haben sich im Mittelspannungsbereich sehr bewährt, und wir wünschen ihnen eine weiterhin erfolgreiche Zukunft.