Difference between revisions of "Prüfverfahren in der Energietechnik"

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(Prüfverfahren in der Energietechnik)
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auf die gewählte Schliffebene begrenzt.
 
auf die gewählte Schliffebene begrenzt.
  
<xr id="fig:Microstructure of a powder metallurgical Ag CdO material"/><!--(Fig. 13.11)--> zeigt das Gefüge eines Ag/CdO-Werkstoffes nach Lichtbogenbeanspruchung.
+
<xr id="fig:Microstructure of a powder metallurgical Ag CdO material"/><!--(Fig. 13.11)--> shows the microstructure of a Ag/CdO contact material after being affected by electrical arcing. In the lower part the starting material structure is visible. In the upper part the de-mixing of the composite material through the effects of the switching arc is clearly demonstrated. This “switching structure” shows in certain areas depletion of metal oxide which increases the probability of contact welding during subsequenbt make operations. Additional analysis by X-ray probing in a scanning electron microscope (SEM) allows the micro analysis of the elements present in the contact surface region.
Im unteren Bildteil ist das Ausgangsgefüge des Kontaktwerkstoffes
 
zu erkennen. Im oberen Bildteil sind Werkstoffentmischungen zu sehen, die
 
durch Lichtbogeneinwirkung beim Schaltvorgang entstanden sind. Dieses
 
„Schaltgefüge“ weist in einigen Bereichen eine Verarmung von Metalloxid auf,
 
so dass beim Einschaltvorgang die Gefahr des Verschweißens der Kontaktstücke
 
besteht. Weitere Untersuchungen mittels Mikrosonde in Kombination mit
 
einem Raster-Elektronenmikroskop (REM) erlauben eine Analyse der an der
 
Oberfläche vorhandenen Elemente.
 
 
<figure id="fig:Microstructure of a powder metallurgical Ag CdO material">
 
<figure id="fig:Microstructure of a powder metallurgical Ag CdO material">
[[File:Microstructure of a powder metallurgical Ag CdO material.jpg|right|thumb|Figure 1: Gefüge eines gesinterten Ag/CdOWerkstoffes nach intensiver Lichtbogenbeanspruchung]]
+
[[File:Microstructure of a powder metallurgical Ag CdO material.jpg|right|thumb|Microstructure of a powder metallurgical Ag/CdO material after being affected by intense electrical arcing]]
 
</figure>
 
</figure>
  
===<!--13.4.2-->Prüfungen nach IEC/EN===
+
===<!--13.4.2-->Testing According to IEC/EN===
  
 +
====<!--13.4.2.1-->Electrical Life====
  
====<!--13.4.2.1-->Elektrische Lebensdauer====
+
The electrical life of contactors, motor switches, and auxiliary current switches used in power engineering is classified into use categories which are shown in <xr id="tab:Important Use Categories and Their Typical Applications for Contactors and Power Switches"/><!--(Tab. 13.1)-->.
  
Die elektrische Lebensdauer von in der Niederspannungs-Energietechnik
+
The making and breaking currents for tests IEC/EN 60947-4-1 are shown in <xr id="tab:Verification of Electrical Life Conditions for Make and Break Tests of Contactors and Motor Starters by Utilization Category"/><!--(Tab. 13.2)--> for the different use categories.
häufig eingesetzten Schützen, Motorschaltern und Hilfsstromschaltern wird
 
nach Gebrauchskategorien festgelegt, die in <xr id="tab:Important Use Categories and Their Typical Applications for Contactors and Power Switches"/><!--(Tab. 13.1)--> zusammengefasst sind.
 
  
Zur Prüfung der elektrischen Lebensdauer nach IEC/EN 60947-4-1 sind für die
+
The electrical life of a motor switch is influenced primarily by arc erosion which is generated during make and break arcs on the contact surface. During AC-3 testing, for which the make current is six time the nominal rated current, the arc erosion is mainly caused by the make arcs, especially if frequent contact bounces > 2 ms occur. Therefore the bounce characteristic of switching devices primarily used for “normal” use in switching on and off electrical motors is of critical importance. If make and break currents are the same, as in the ultilisation categories AC-1 and AC-4, the break erosion dominates the arc erosion so much that make erosion can be neglected.
einzelnen Gebrauchskategorien in <xr id="tab:Verification of Electrical Life Conditions for Make and Break Tests of Contactors and Motor Starters by Utilization Category"/><!--(Tab. 13.2)--> die Ein- und Ausschaltbedingungen
 
aufgeführt:
 
 
 
Die Lebensdauer eines Motorschalters wird in erster Linie vom Abbrand bestimmt,
 
der durch die Ein- und Ausschaltlichtbögen an den Kontaktstücken
 
entsteht. Bei der Prüfung nach der Gebrauchskategorie AC-3, bei
 
der der Einschaltstrom das 6-fache des Ausschaltstromes beträgt, ist für die
 
Höhe des Abbrandes weitgehend der Einschaltvorgang maßgebend, insbesondere
 
wenn häufig Prellungen > 2 ms Dauer auftreten. Die Charakteristik des
 
Prellvorganges beim Einschalten ist daher für den Abbrand der Kontaktstücke
 
in Schaltgeräten, die überwiegend im Normalbetrieb (AC-3) eingesetzt sind,
 
von außerordentlich großer Bedeutung. Wenn bei den Schaltgeräten die Einund
 
Ausschaltströme gleich groß sind, wie nach den Gebrauchskategorien
 
AC-1 und AC-4, überwiegt der Ausschaltabbrand so stark, dass der Einschaltabbrand
 
vernachlässigt werden kann.
 
  
  
 
<figtable id="tab:Important Use Categories and Their Typical Applications for Contactors
 
<figtable id="tab:Important Use Categories and Their Typical Applications for Contactors
 
and Power Switches">
 
and Power Switches">
<caption>'''<!--Table 13.1:-->Wichtige Gebrauchskategorien und typische Anwendungsfälle für Schütze und Hilfsstromschalter'''</caption>
+
<caption>'''<!--Table 13.1:-->Important Use Categories and Their Typical Applications for Contactors and Power Switches'''</caption>
  
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
|-
 
|-
!colspan="6" style="text-align:left"| Schütze, Motorschalter (IEC/EN 60947-4-1)
+
!colspan="6" style="text-align:left"| Contactors, Motor Starters according to IEC/N60947-4-1
 
|-  
 
|-  
!Stromart
+
!Type of current
!Gebrauchskategorie
+
!Utilisation category
!Typischer Anwendungsfall
+
!Typical application
 
|-
 
|-
|Wechselstrom
+
|Alternating current (AC)
 
|AC-1
 
|AC-1
|Nicht induktive oder schwach induktive Last. Widerstandsöfen
+
|Non-inductive or slightly inductive loads, resistance furnaces
 
|-
 
|-
 
|
 
|
 
|AC-2
 
|AC-2
|Schleifringläufermotoren: Anlassen, Ausschalten
+
|Slip ring motors: starting, switch-off
 
|-
 
|-
 
|
 
|
 
|AC-3
 
|AC-3
|Käfigläufermotoren: Anlassen, Ausschalten während des Laufes
+
|Squirrel-cage motors: starting, switch-off, switch-off during running<sup>4)</sup>
 
|-
 
|-
 
|
 
|
 
|AC-4
 
|AC-4
|Käfigläufermotoren: Anlassen, Gegenstrombremsen, Tippen, Reversieren
+
|Sqirrel-cage motors: starting, plugging, reversing, inching
 
|-
 
|-
|Gleichstrom
+
|Direct current (DC)
 
|DC-1
 
|DC-1
|Nicht induktive oder schwach induktive Last Widerstandsöfen
+
|Non-inductive or slightly inductive loads, resistance furnaces
 
|-
 
|-
 
|
 
|
 
|DC-3
 
|DC-3
|Nebenschlussmotoren: Anlassen, Gegenstrombremsen, Reversieren, Tippen, Widerstandsbremsen
+
|Shunt motors: starting, plugging, reversing, inching, dynamic braking
 
|-
 
|-
 
|
 
|
 
|DC-5
 
|DC-5
|Reihenschlussmotoren: Anlassen, Gegenstrombremsen, Reversieren, Tippen, Widerstandsbremsen
+
|Series motors: starting, plugging, reversing, inching, dynamic braking
 
|-
 
|-
!colspan="6" style="text-align:left"| Hilfstromschalter (IEC 60947-5-1)
+
!colspan="6" style="text-align:left"| Auxiliary Current Switches according to IEC/EN 160947-5-1
 
|-
 
|-
!Stromart
+
!Type of current
!Gebrauchskategorie
+
!Utilisation category
!Typischer Anwendungsfall
+
!Typical application
 
|-
 
|-
|Wechselstrom
+
|Alternating current (AC)
 
|AC-12
 
|AC-12
|Steuern von ohmscher Last und Halbleiterlast in Eingangskreisen von Optokopplern
+
|Controlling resistive semiconductor loads in feed circuits of optoelectronics
 
|-
 
|-
 
|
 
|
 
|AC-14
 
|AC-14
|Steuern von kleiner elektromagnetischer Last (max. 72VA)
+
|Controlling small electromagnetic loads (72 VA max)
 
|-
 
|-
 
|
 
|
 
|AC-15
 
|AC-15
|Steuern von elektromagnetischer Last (größer als 72VA)
+
|Controlling electromagnetic loads (> 72 VA)
 
|-
 
|-
|Gleichstrom
+
|Direct Current (DC)
 
|DC-12
 
|DC-12
|Steuern von ohmscher Last und Halbleiterlast in Eingangskreisen von Optpkopplern
+
|Controlling resistive semiconductor loads in feed circuits of optoelectronics
 
|-
 
|-
 
|
 
|
 
|DC-13
 
|DC-13
|Steuern von Elektromagneten bei Gleichspannung
+
|Controlling of electro magnets under direct current
 
|-
 
|-
 
|
 
|
 
|DC-14
 
|DC-14
|Steuern von elektromagnetischer Last bei Gleichspannung mit Sparwiderständen im Stromkreis
+
|Controlling of electromagnetic loads under direct current with power saving resistors in circuits
 
|}
 
|}
 
</figtable>
 
</figtable>
  
Die elektrische Lebensdauer in den Gebrauchskategorien AC-3, DC-3 und
+
The electrical life for the utilization categories AC-3, DC-3, and DC-5 must be at a minimum 5% of the mechanical lifetime of a switching device.
DC-5 muss mindestens 5% der mechanischen Lebensdauer betragen.
+
The conditions for make and break tests of auxiliary current switches and control circuit devices are described in IEC/EN 60947-5-1. Usually the
Die elektrische Lebensdauer von Hilfsstromschaltern ist i.d.R. von untergeordneter
+
electrical life of auxiliary switches is of lesser importance since these devices see only smaller loads. Under certain conditions however requirements for make and beak capacity can be as high as 10 times the nominal current. This results in very severe requirements on the dielectric strength and recovery voltage of the arc affected region immediately after arcing.
Bedeutung, da diese Geräte nur gering belastet werden. Es ist jedoch zu
 
beachten, dass nach den Bestimmungen bezüglich des Ein- und Ausschaltvermögens
 
unter bestimmten Bedingungen die 10-fachen Werte der Bemessungs-Betriebsdaten verlangt werden, was hohe Anforderungen an die elektrische
 
Festigkeit der Schaltstrecke unmittelbar nach der Lichtbogen beanspruchung
 
bzw. an die Wiederverfestigungsspannung der Kontaktwerkstoffe stellt.
 
  
  
 
<figtable id="tab:Verification of Electrical Life Conditions for Make and Break Tests of Contactors and Motor Starters by Utilization Category">
 
<figtable id="tab:Verification of Electrical Life Conditions for Make and Break Tests of Contactors and Motor Starters by Utilization Category">
<caption>'''<!--Table 13.2:-->Nachweis der elektrischen Lebensdauer. Bedingungen für das Ein- und Ausschalten von Schützen und Motorschaltern nach Gebrauchskategorien'''</caption>
+
<caption>'''<!--Table 13.2:-->Verification of Electrical Life Conditions for Make and Break Tests of Contactors and Motor Starters by Utilization Category'''</caption>
  
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
|-
 
|-
!Gebrauchskategorie
+
!Ultilisation Category
!Nennbetriebsstrom
+
!Current
!colspan="3" style="text-align:center"| Einschalten
+
!colspan="3" style="text-align:center"| Make operation
!colspan="3" style="text-align:center"| Ausschalten
+
!colspan="3" style="text-align:center"| Break Operation
 
|-
 
|-
 
!
 
!
Line 236: Line 207:
 
|-
 
|-
 
|DC-1
 
|DC-1
|Alle Werte
+
|All values
 
|1
 
|1
 
|1
 
|1
Line 245: Line 216:
 
|-
 
|-
 
|DC-3
 
|DC-3
|Alle Werte
+
|All values
 
|2.5
 
|2.5
 
|1
 
|1
Line 254: Line 225:
 
|-
 
|-
 
|DC-5
 
|DC-5
|Alle Werte
+
|All values
 
|2.5
 
|2.5
 
|1
 
|1
Line 264: Line 235:
 
</figtable>
 
</figtable>
  
I<sub>e</sub> = Bemessungs-Betriebsstrom<br />  
+
I<sub>e</sub> = Rated operational current<br />  
I = Einschaltstrom<br />
+
I = Make (ON) current<br />
I<sub>c</sub> = Ausschaltstrom<br />
+
I<sub>c</sub> = Break (OFF) current<br />
 
 
U<sub>e</sub> = Bemessungs-Betriebsspannung <br />
 
U = Angelegte Spannung<br />
 
U<sub>r</sub> = Wiederkehrende Spannung
 
  
<figure id="fig:AC3 contact arc erosion of two differently produced Ag SnO2 contact materials">
+
U<sub>e</sub> = Rated operational voltage <br />
[[File:AC3 contact arc erosion of two differently produced Ag SnO2 contact materials.jpg|right|thumb|Figure 2: AC-3-Kontaktabband zweier unterschiedlich
+
U = Voltage<br />
hergestellter Ag/SnO2-Werkstoffe in einem 37
+
U<sub>r</sub> = Recovery voltage
kW-Schütz;
 
1 Ag/SnO2 88/12, konventionell
 
pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoff mit
 
MoO3-Zusatz, stranggepresst;
 
2 Ag/SnO2 88/12, Pulverherstellung nach dem
 
Reaktionssprühverfahren mit CuO- und Bi2O3-
 
Zusätzen, stranggepresst]]
 
</figure>
 
  
====<!--13.4.2.2-->Erwärmung (Übertemperatur)====
+
[[File:AC3 contact arc erosion of two differently produced Ag SnO2 contact materials.jpg|right|thumb|AC-3 contact arc erosion of two differently produced Ag/SnO<sub>2</sub>  contact materials in a 37 kW contactor <b>1</b> Ag/SnO<sub>2</sub>  88/12, produced by conventional powder metallurgy with MoO<sub>3</sub>  additive, extruded <b>2</b> Ag/SnO<sub>2</sub>  88/12, powder manufacturing by the reaction-spray process with CuO and Bi<sub>2</sub> O<sub>3</sub> additives, extruded]]
  
Die Prüfung der Übertemperatur wird nur für Schaltgeräte im Neuzustand
+
====<!--13.4.2.2-->Temperature Rise====
vorgeschrieben. Während des Betriebes dürfen im Verlaufe der gesamten
 
Lebensdauer keine Schäden infolge zu hoher Temperatur im Gerät und an den
 
Anschlüssen auftreten.
 
  
 +
Testing for temperature rise is required only for switching devices in the new stage. During use however over the entire life of the device no damages due to temperature rise are allowed in the device or at ist terminal points.
 
<figure id="fig:Maximum movable bridge temperature rise for different contact materials">
 
<figure id="fig:Maximum movable bridge temperature rise for different contact materials">
[[File:Maximum movable bridge temperature rise for different contact materials.jpg|right|thumb|Figure 3: Maximale Brückenübertemperatur für versch. Silber-Metalloxid-Werkstoffe in einem 132 kWSchütz nach AC4-Betrieb: I = 300 A (Dauerstrom):<br />
+
[[File:Maximum movable bridge temperature rise for different contact materials.jpg|right|thumb|Maximum movable bridge temperature rise for different contact materials in a 132 kW contactor after high load (AC-4) switching
1 Ag/CdO 88/12 gesintert und stranggepresst<br />
+
<b>1</b> Ag/CdO 88/12 sintered
2 Ag/SnO27.5In2O32.5 innerlich oxidiert<br />
+
and extruded
3 Ag/SnO2 88/12 gesintert und stranggepresst<br />
+
<b>2</b> Ag/SnO27.5In2O32.5
4 Ag/SnO2 11.5 WO3 0.5 gesintert und stranggepresst<br />
+
internally oxidized
5 Ag/SnO2 11.6 MO4 0.4 gesintert und stranggepresst]]
+
<b>3</b> Ag/SnO2 88/12
 +
sintered and extruded
 +
<b>4</b> Ag/SnO2 11.5 WO3 0.5 sintered and extruded
 +
<b>5</b> Ag/SnO2 11.6 MO4 0.4
 +
sintered and extruded]]
 
</figure>
 
</figure>
 +
For the assessment of contact materials a temperature rise test is frequently performed after a specified number of switching operations accompanied by arcing <xr id="fig:Maximum movable bridge temperature rise for different contact materials"/><!--(Fig. 13.13)-->. The most important characteristic is the measured temeperature rise of the movable bridge contacts. If a certain upper limit of temperature is reached, adjacent plastic components may be irreversibly damaged.
  
Für eine Bewertung von Kontaktwerkstoffen wird häufig eine Erwärmungsprüfung
+
====<!--13.4.2.3-->Analysis of the Switching Sequence====
nach einer bestimmten Anzahl von Schaltspielen unter
 
Lichtbogenbeanspruchung durchgeführt (<xr id="fig:Maximum movable bridge temperature rise for different contact materials"/><!--(Fig. 13.13)-->). Besonders kritisch zu
 
bewerten ist dabei das Übertemperaturverhalten der Brückenkontaktstücke.
 
Bei Überschreiten eines gerätespezifischen oberen Grenzwertes der Temperatur
 
können bei benachbarten Kunststoffen irreversible Schäden auftreten.
 
 
 
====<!--13.4.2.3-->Analyse der Schaltvorgänge====
 
 
 
In Schaltgeräten, bei denen der Antriebsmagnet mit Wechselstrom erregt wird,
 
können die Kontaktstücke zu einem bestimmten Winkel, bezogen auf den Spannungs-
 
Nulldurchgang einer Netzphase, synchron schließen und öffnen. Von ähnlicher
 
Bedeutung ist, mit welcher Phasenfolge, d.h. Reihenfolge der drei Phasen eines
 
Gerätes, das Schließen und Öffnen der Kontaktstücke abläuft. Der dabei auftretende
 
Schließ- und Öffnungsverzug gibt an, mit welchem zeitlichen Abstand nach der
 
ersten Phase die beiden anderen folgen.
 
 
 
Entsprechende Untersuchungen haben
 
gezeigt, dass die Überlagerung der Effekte Synchronismus, Phasenfolge und
 
Schaltverzug bei einer ungünstigen Konstellation zu einer extremen Beanspruchung der Kontaktstücke, besonders bei einer der drei Phasen führen kann. Die
 
Folgen sind Frühausfälle dieser Phase und somit des kompletten Schaltgerätes,
 
die unabhängig vom Kontaktwerkstoff bereits bei 30% der Nennlebensdauer
 
auftreten können. Aufgrund der teilweise starken Streuung der mechanischen
 
Kennwerte der Schalt-geräte innerhalb einer Fertigungscharge ist die Lebensdauerprüfung
 
in einem einzelnen Schaltgerät nicht aussagekräftig. Erst die
 
statistische Auswertung einer großen Zahl von Prüflingen könnte zu einem verwertbaren
 
Ergebnis führen. Diese Vorgehensweise ist aber sehr aufwendig.
 
Wird jedoch nach einem speziellen Messverfahren jede einzelne Schaltung bezüglich
 
des Prellvorgangs, der Ein- und Ausschalt-synchronismen, der damit
 
verbundenen Phasenfolgen und Schaltverzüge, der Lichtbogenlaufeigenschaften
 
und vor allem der Energie, die während der Ein- und Ausschaltvorgänge an
 
die Kontaktstücke abgegeben wird, analysiert, so kann schon die Prüfung in
 
einem einzelnen Schaltgerät zur Bewertung eines Kontaktwerkstoffes führen.
 
 
 
====<!--13.4.2.4-->Schaltvermögen====
 
  
Das sichere Beherrschen hoher Kurzschlusströme ist die Hauptaufgabe von
+
In switching devices, which are actuated by AC actuator magnets, the contact parts can close and open synchronously at a specific phase angle relative to the voltage-zero of the supply voltage. Of similar importance is the sequence of closing and opening of the contacts with regards to the three phases. The closing and opening delays define at which time delay after the first phase (or pole) the other phases close and open.
Niederspannungs-Leistungsschaltern. Das Kurzschlussschaltvermögen von
 
Leistungsschaltern wird nach den in IEC/EN 60947-2 festgelegten Prüfungen
 
bestimmt (<xr id="tab:Testing for the Short Circuit Breaking Capacity of Low Voltage Power Switches According to IECEN 60947-2 (Shortened Summary)"/><!--(Tab. 13.3)-->). Bei der Prüfung des Kurzschlussschaltvermögens wird nach IEC/EN 60947-2
 
zwischen dem Bemessungs-Grenzkurzschlussausschaltvermögen I<sub>CU</sub> und dem kleineren oder max. gleich hohen Bemessungs-Betriebskurzschlussausschaltvermögen I<sub>CS</sub> unterschieden.
 
  
Bei der Festlegung von I<sub>CU</sub> muss gewährleistet sein, dass Kurzschlussströme bis zur Höhe der Bemessungsgrenze sicher ausgeschaltet werden. Danach
+
Relevant experiments have shown that combined effects of synchronism, phase sequence and switching delay can, under severe adverse conditions,
muss es möglich sein, einmal auf den nicht beseitigten Kurzschluss zu schalten
+
lead to extreme damage, especially on at least one of the phases or poles. They are the cause of early failure of this phase and therefore the complete switching device and can happen as early as after only 30% of the normally expected lifetime. Because of variations in the mechanical characteristics of switching devices from manufacturing processes life testing cannot be performed on one device alone. Only statistical analysis of tests from multiple device samples can be used as reliable results. Such a procedure is however time consuming and costly. If however every single switching operation during a test is monitored for bounce behavior, on- and off-switching synchronization and related phase sequencing and phase delays, the arc moving behavior, and especially arc energy which is transferred during make and break arcing to the contact pieces, and then these data are properly analyzed, is it possible to assess a specific contact material from a test in only one device alone. Only statistical analysis of tests from multiple device samples can be used as reliable results. Such a procedure is however time consuming and costly. If however every single switching operation during a test is monitored for bounce behavior, on- and offswitching synchronization and related phase sequencing and phase delays, the arc moving behavior, and especially arc energy which is transferred during make and break arcing to the contact pieces, and then these data are properly analyzed, is it possible to assess a specific contact material from a test in only one device.
und diesen Strom sicher auszuschalten. Der Schalter muss danach nicht mehr
 
für den weiteren Betrieb geeignet sein. Ein nach I<sub>CS</sub> bemessener Schalter muss die Anlage noch schützen können und kann mit Einschränkungen weiter
 
verwendet werden.
 
  
Um die Kurzschlussströme sicher zu beherrschen, werden hohe Anforderungen
+
====<!--13.4.2.4-->Switching Capacity====
an die Verschweißresistenz der eingesetzten Kontaktpaarung gestellt. Beim
 
Einschalten auf einen Kurzschluss wird die Kontaktkraft durch die Wirkung
 
elektrodynamischer Kräfte reduziert. Oberhalb eines gerätespezifischen Stromwertes
 
kommt es zu einem Abheben der Kontaktstücke. Dabei entsteht ein
 
Lichtbogen, an dessen Fußpunkten das Kontaktmaterial aufschmilzt. Beim
 
nachfolgenden Schließen der Kontaktstücke können Verschweißungen
 
auftreten, so dass der Schalter nicht mehr in der Lage ist, den Kurzschlussstrom
 
auszuschalten und somit seine Sicherheitsfunktion verliert.
 
<br style="clear:both;"/>
 
  
 +
The main requirement for low voltage power switches is the withstanding of high short circuit currents. The short circuit switching capacity of power switches is determined in tests according to IEC/EN 60947-2 <xr id="tab:Testing for the Short Circuit Breaking Capacity of Low Voltage Power Switches According to IECEN 60947-2 (Shortened Summary)"/><!--(Tab. 13.3)-->. These test differentiate between the maximum short circuit current switching capacity (ultimate current limit) I<sub>CU</sub> and the operational (or service) short circuit current capacity I<sub>CS</sub> .
  
 +
When specifying I<sub>CU</sub> it must be guaranteed that short circuit current up to the maximum limit value can be interrupted safely. After its occurrence it must be possible to switch on one additional time onto the not yet eliminated short circuit and again interrupt this short circuit current again safely. The switch does not have to be functional any more after this second interruption. A switch specified for I<sub>CS</sub> must still be capable to protect the circuit and be further usable within certain limitations.
  
 +
To safely withstand short circuit currents high requirements are imposed on the weld resistance of the materials used for the mating contacts. During short circuit switching the contact force between the contacts pairing is reduced by electromagnetic forces. Above a certain device specific current value the contacts will separate. This generates an electrical arc with contact material melting at its root points. During the next closing of the contacts this can cause contact welding, prohibiting the opening of the contacts during a subsequent short circuit and therefore eliminating the safety function of the switching device.
  
  
 
<figtable id="tab:Testing for the Short Circuit Breaking Capacity of Low Voltage Power Switches According to IECEN 60947-2 (Shortened Summary)">
 
<figtable id="tab:Testing for the Short Circuit Breaking Capacity of Low Voltage Power Switches According to IECEN 60947-2 (Shortened Summary)">
<caption>'''<!--Table 13.3:-->Prüfung des Kurzschlussschaltvermögens von Niederspannungs-Leistungsschaltern nach IEC/EN 60947-2 (gekürzte Darstellung)'''</caption>
+
<caption>'''<!--Table 13.3:-->Testing for the Short Circuit Breaking Capacity of Low Voltage Power Switches According to IEC/EN 60947-2 (Shortened Summary)'''</caption>
  
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
|-
 
|-
!Prüfmerkmale
+
!Test characteristics
!Bemessungsgrenzkurzschluss- ausschaltvermögen I<sub>CU</sub>
+
!Rated ultimate short circuit breaking capacity I<sub>CU</sub>
!Bemessungsgrenzkurzschluss- ausschaltvermögen I<sub>CS</sub>
+
!Service short circuit breaking capacity I<sub>CS</sub>
 
|-
 
|-
|Prüfbedingungen
+
|Test conditions
|Ue<br />abhängig von der Höhe des Prüfstromes I in kA, z.B.
+
|Ue<br />cosn depends on value of current I in kA, i.e
  
 
{| class="innertable" style=" border: none"
 
{| class="innertable" style=" border: none"
Line 389: Line 304:
 
|-
 
|-
 
|}
 
|}
|Ue<br />abhängig von der Höhe des Prüfstromes I in kA, z.B.
+
|Ue<br />cosn depends on value of current I in kA, i.e
  
 
{| class="innertable" style=" border: none"
 
{| class="innertable" style=" border: none"
Line 406: Line 321:
 
|}
 
|}
 
|-
 
|-
|Prüffolge
+
|Testing sequence
 
|O - t - CO
 
|O - t - CO
 
|O - t - CO - CO
 
|O - t - CO - CO
 
|-
 
|-
|anschließende Isolationsprüfung
+
|Subsequent isolation test
|2 x U<sub>e</sub>, mindestens mit 1.000 V
+
|2 x U<sub>e</sub>, with min. 1.000 V
|2 x U<sub>e</sub>, mindestens mit 1.000 V
+
|2 x U<sub>e</sub>, with min. 1.000 V
 
|-
 
|-
|anschließende Erwärmungsprüfung
+
|Subsequent temperature rise test
 
|
 
|
|Die Übertemperaturen dürfen die Grenzübertemperaturen nicht übersteigen
+
|Temperature not exceed temperature rise limit
 
|}
 
|}
 
</figtable>
 
</figtable>
  
U<sub>e</sub> = Bemessungsbetriebsspannung<br />
+
U<sub>e</sub> = Rated operational voltage<br />
U = Prüfstrom<br />
+
U = Current<br />
O = Ausschalten<br />
+
O = Switch off<br />
 
T = Pause<br />
 
T = Pause<br />
CO = Ein- und Ausschalten
+
CO = Switch on and off
  
===<!--13.4.3-->Prüfungen nach UL und CSA===
+
===<!--13.4.3-->Testing According to UL and CSA===
  
Die nordamerikanischen Normen nach UL (USA) und CSA (Kanada) unterscheiden
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The test standards for North America according to UL (USA) and CSA (Canada) differ in part substantially from those of the IEC and harmonized European EN standards. In the US and Canada the standards differentiate between switchgear for power distribution, for example low voltage circuit breakers and power switches covered by UL 489 (UL = Underwriters Laboratories) and CSAC22.2 No. 5-02 (CSA = Canadian Standard Association) and those for industrial switching devices, for example contactors covered by UL 508 and CSA-C22.2 No. 14 respectively. For industrial controls contactors and other switching devices are often classified in the USA according to NEMA (National Electrical Manufacturers Association) current rating. North American standards emphasize the prevention of fires and therefore have high limit requirements on temperature rise. They also require larger air and creep gaps than those of IEC, which leads to significant differences in the design of the switches and their contact systems.
sich teilweise erheblich von den IEC-Normen und den harmonisierten
 
Europa-Normen (EN). In den USA und Kanada wird zwischen Geräten für die
 
Energieverteilung z.B. Niederspannungs-Leistungsschalter nach UL 489
 
(UL=Underwriters Laboratories) bzw. CSA-C22.2 No. 5-02 (CSA= Canadian
 
Standard Association) und Industrieschaltgeräten z.B. Schützen nach UL 508
 
bzw. CSA-C22.2 No. 14 unterschieden. Nordamerikanische Normen legen
 
einen besonderen Schwerpunkt auf die Vermeidung von Bränden. Daraus ergeben
 
sich besondere Anforderungen an das Erwärmungsverhalten. Außerdem
 
sehen nordamerikanische Normen größere Luft- und Kriechstrecken vor als die
 
IEC- Normen. Beides hat erheblichen Einfluss auf die Bauweise der Schaltgeräte
 
und die Bemessung des Kontaktsystems.
 
  
 
==Referenzen==
 
==Referenzen==

Revision as of 21:25, 22 September 2014

Prüfverfahren in der Energietechnik

Die Prüfung von elektrischen Kontakten der Energietechnik dient einerseits der laufenden Qualitätskontrolle und andererseits der Neu- und Weiterentwicklung von Kontaktwerkstoffen. Um ein optimales Kontakt- und Schaltverhalten zu erreichen, müssen Kontaktwerkstoffe und Schaltgeräte mit ihren Eigenschaften im Rahmen elektrischer Prüfungen aufeinander abgestimmt werden. Der Erfolg dieser Abstimmung wird durch Schaltprüfungen nachgewiesen.

Die Bewertung eines Kontaktwerkstoffes erfolgt durch Untersuchungen mit Hilfe werkstoffkundlicher Prüfmethoden sowie durch Schaltversuche in Modellschaltern und Serien-Schaltgeräten. Die physikalischen Eigenschaften, wie Schmelz- und Siedetemperatur, elektrische Leitfähigkeit usw., sind maßgebend für die Auswahl des Basiswerkstoffes und einzelner Komponenten, können aber keine Aussage zum Kontakt- und Schaltverhalten geben. Werkstoffkundliche Prüfmethoden eignen sich in erster Linie zur Aufdeckung von Material- und Bearbeitungsfehlern. Das eigentliche Kontakt- und Schaltverhalten eines Werkstoffes kann nur durch elektrische Schaltversuche mit einem Modellschalter oder vorzugsweise mit einem Serien-Schaltgerät erfasst werden.

Modellschalter bieten dabei die Möglichkeit, einen Kontaktwerkstoff schon innerhalb kurzer Zeit z.B. bezüglich des Ein- und Ausschaltverhaltens zu beurteilen und grob zu klassifizieren. Da Modellschalter von idealisierten Versuchsbedingungen ausgehen, können sie keinesfalls die Prüfung im serienmäßigen Schaltgerät ersetzen.

Die Prüfung von Kontaktwerkstoffen in serienmäßigen Schaltgeräten sollte möglichst nach DIN EN - bzw. IEC-Bestimmungen und -Regeln erfolgen. Für jede Geräteart bestehen spezielle Prüf-Normen, die sich für die Beurteilung eines Gerätes jeweils unterteilen lassen nach:

  • Einschaltvermögen,
  • Ausschaltvermögen,
  • elektrische Lebensdauer,
  • Übertemperatur.

Die nachfolgenden Ausführungen beschränken sich auf werkstoffkundliche Prüfungen sowie die Prüfung der für Schaltgeräte besonders wichtigen Kenngrößen elektrische Lebensdauer, Übertemperatur und Schaltvermögen.

Werkstoffkundliche Prüfungen

Hauptmerkmal für die Beurteilung von Kontaktwerkstoffen der Energietechnik ist die mikroskopische Gefügeuntersuchung anhand eines metallographischen Schliffs. Sie gibt einen Einblick in die innere Struktur des Werkstoffes. Auf diese Weise werden Gefügecharakteristiken, wie Korngröße, Oxidverteilung und auch Gefügeinhomogenitäten, Korngrenzenanreicherungen, Risse, Materialtrennungen oder fehlerhafte Lötverbindungen erkennbar. Allerdings ist die Betrachtung auf die gewählte Schliffebene begrenzt.

Figure 1 shows the microstructure of a Ag/CdO contact material after being affected by electrical arcing. In the lower part the starting material structure is visible. In the upper part the de-mixing of the composite material through the effects of the switching arc is clearly demonstrated. This “switching structure” shows in certain areas depletion of metal oxide which increases the probability of contact welding during subsequenbt make operations. Additional analysis by X-ray probing in a scanning electron microscope (SEM) allows the micro analysis of the elements present in the contact surface region.

Microstructure of a powder metallurgical Ag/CdO material after being affected by intense electrical arcing

Testing According to IEC/EN

Electrical Life

The electrical life of contactors, motor switches, and auxiliary current switches used in power engineering is classified into use categories which are shown in Table 1.

The making and breaking currents for tests IEC/EN 60947-4-1 are shown in Table 2 for the different use categories.

The electrical life of a motor switch is influenced primarily by arc erosion which is generated during make and break arcs on the contact surface. During AC-3 testing, for which the make current is six time the nominal rated current, the arc erosion is mainly caused by the make arcs, especially if frequent contact bounces > 2 ms occur. Therefore the bounce characteristic of switching devices primarily used for “normal” use in switching on and off electrical motors is of critical importance. If make and break currents are the same, as in the ultilisation categories AC-1 and AC-4, the break erosion dominates the arc erosion so much that make erosion can be neglected.


Table 1: Important Use Categories and Their Typical Applications for Contactors and Power Switches
Contactors, Motor Starters according to IEC/N60947-4-1
Type of current Utilisation category Typical application
Alternating current (AC) AC-1 Non-inductive or slightly inductive loads, resistance furnaces
AC-2 Slip ring motors: starting, switch-off
AC-3 Squirrel-cage motors: starting, switch-off, switch-off during running4)
AC-4 Sqirrel-cage motors: starting, plugging, reversing, inching
Direct current (DC) DC-1 Non-inductive or slightly inductive loads, resistance furnaces
DC-3 Shunt motors: starting, plugging, reversing, inching, dynamic braking
DC-5 Series motors: starting, plugging, reversing, inching, dynamic braking
Auxiliary Current Switches according to IEC/EN 160947-5-1
Type of current Utilisation category Typical application
Alternating current (AC) AC-12 Controlling resistive semiconductor loads in feed circuits of optoelectronics
AC-14 Controlling small electromagnetic loads (72 VA max)
AC-15 Controlling electromagnetic loads (> 72 VA)
Direct Current (DC) DC-12 Controlling resistive semiconductor loads in feed circuits of optoelectronics
DC-13 Controlling of electro magnets under direct current
DC-14 Controlling of electromagnetic loads under direct current with power saving resistors in circuits

The electrical life for the utilization categories AC-3, DC-3, and DC-5 must be at a minimum 5% of the mechanical lifetime of a switching device. The conditions for make and break tests of auxiliary current switches and control circuit devices are described in IEC/EN 60947-5-1. Usually the electrical life of auxiliary switches is of lesser importance since these devices see only smaller loads. Under certain conditions however requirements for make and beak capacity can be as high as 10 times the nominal current. This results in very severe requirements on the dielectric strength and recovery voltage of the arc affected region immediately after arcing.


Table 2: Verification of Electrical Life Conditions for Make and Break Tests of Contactors and Motor Starters by Utilization Category
Ultilisation Category Current Make operation Break Operation
Ie/A I/Ie U/Ue cos φ Ic/Ie Ur/Ue cos φ
AC-1 Alle Werte 1 1 0.95 1 1 0.95
AC-2 Alle Werte 2.5 1 0.65 2.5 1 0.65
AC-3 Ie ≤ 17
Ie > 17
6
6
1
1
0.65
0.35
1
1
0.17
0.17
0.65
0.35
AC-4 Ie ≤ 17
Ie > 17
6
6
1
1
0.65
0.35
6
6
1
1
0.65
0.35
Ie/A I/Ie U/Ue L/R [ms] Ic/Ie Ur/Ue L/R [ms]
DC-1 All values 1 1 1 1 1 1
DC-3 All values 2.5 1 2 2.5 1 2
DC-5 All values 2.5 1 7.5 2.5 1 7.5

Ie = Rated operational current
I = Make (ON) current
Ic = Break (OFF) current

Ue = Rated operational voltage
U = Voltage
Ur = Recovery voltage

AC-3 contact arc erosion of two differently produced Ag/SnO2 contact materials in a 37 kW contactor 1 Ag/SnO2 88/12, produced by conventional powder metallurgy with MoO3 additive, extruded 2 Ag/SnO2 88/12, powder manufacturing by the reaction-spray process with CuO and Bi2 O3 additives, extruded

Temperature Rise

Testing for temperature rise is required only for switching devices in the new stage. During use however over the entire life of the device no damages due to temperature rise are allowed in the device or at ist terminal points.

Maximum movable bridge temperature rise for different contact materials in a 132 kW contactor after high load (AC-4) switching 1 Ag/CdO 88/12 sintered and extruded 2 Ag/SnO27.5In2O32.5 internally oxidized 3 Ag/SnO2 88/12 sintered and extruded 4 Ag/SnO2 11.5 WO3 0.5 sintered and extruded 5 Ag/SnO2 11.6 MO4 0.4 sintered and extruded

For the assessment of contact materials a temperature rise test is frequently performed after a specified number of switching operations accompanied by arcing Figure 2. The most important characteristic is the measured temeperature rise of the movable bridge contacts. If a certain upper limit of temperature is reached, adjacent plastic components may be irreversibly damaged.

Analysis of the Switching Sequence

In switching devices, which are actuated by AC actuator magnets, the contact parts can close and open synchronously at a specific phase angle relative to the voltage-zero of the supply voltage. Of similar importance is the sequence of closing and opening of the contacts with regards to the three phases. The closing and opening delays define at which time delay after the first phase (or pole) the other phases close and open.

Relevant experiments have shown that combined effects of synchronism, phase sequence and switching delay can, under severe adverse conditions, lead to extreme damage, especially on at least one of the phases or poles. They are the cause of early failure of this phase and therefore the complete switching device and can happen as early as after only 30% of the normally expected lifetime. Because of variations in the mechanical characteristics of switching devices from manufacturing processes life testing cannot be performed on one device alone. Only statistical analysis of tests from multiple device samples can be used as reliable results. Such a procedure is however time consuming and costly. If however every single switching operation during a test is monitored for bounce behavior, on- and off-switching synchronization and related phase sequencing and phase delays, the arc moving behavior, and especially arc energy which is transferred during make and break arcing to the contact pieces, and then these data are properly analyzed, is it possible to assess a specific contact material from a test in only one device alone. Only statistical analysis of tests from multiple device samples can be used as reliable results. Such a procedure is however time consuming and costly. If however every single switching operation during a test is monitored for bounce behavior, on- and offswitching synchronization and related phase sequencing and phase delays, the arc moving behavior, and especially arc energy which is transferred during make and break arcing to the contact pieces, and then these data are properly analyzed, is it possible to assess a specific contact material from a test in only one device.

Switching Capacity

The main requirement for low voltage power switches is the withstanding of high short circuit currents. The short circuit switching capacity of power switches is determined in tests according to IEC/EN 60947-2 Table 3. These test differentiate between the maximum short circuit current switching capacity (ultimate current limit) ICU and the operational (or service) short circuit current capacity ICS .

When specifying ICU it must be guaranteed that short circuit current up to the maximum limit value can be interrupted safely. After its occurrence it must be possible to switch on one additional time onto the not yet eliminated short circuit and again interrupt this short circuit current again safely. The switch does not have to be functional any more after this second interruption. A switch specified for ICS must still be capable to protect the circuit and be further usable within certain limitations.

To safely withstand short circuit currents high requirements are imposed on the weld resistance of the materials used for the mating contacts. During short circuit switching the contact force between the contacts pairing is reduced by electromagnetic forces. Above a certain device specific current value the contacts will separate. This generates an electrical arc with contact material melting at its root points. During the next closing of the contacts this can cause contact welding, prohibiting the opening of the contacts during a subsequent short circuit and therefore eliminating the safety function of the switching device.


Table 3: Testing for the Short Circuit Breaking Capacity of Low Voltage Power Switches According to IEC/EN 60947-2 (Shortened Summary)
Test characteristics Rated ultimate short circuit breaking capacity ICU Service short circuit breaking capacity ICS
Test conditions Ue
cosn depends on value of current I in kA, i.e
6 < l ≤ 10 cosφ 0.5
10 < l ≤ 20 cosφ 0.3
20 < l ≤ 50 cosφ 0.25
50 < l cosφ 0.2
Ue
cosn depends on value of current I in kA, i.e
6 < l ≤ 10 cosφ 0.5
10 < l ≤ 20 cosφ 0.3
20 < l ≤ 50 cosφ 0.25
50 < l cosφ 0.2
Testing sequence O - t - CO O - t - CO - CO
Subsequent isolation test 2 x Ue, with min. 1.000 V 2 x Ue, with min. 1.000 V
Subsequent temperature rise test Temperature not exceed temperature rise limit

Ue = Rated operational voltage
U = Current
O = Switch off
T = Pause
CO = Switch on and off

Testing According to UL and CSA

The test standards for North America according to UL (USA) and CSA (Canada) differ in part substantially from those of the IEC and harmonized European EN standards. In the US and Canada the standards differentiate between switchgear for power distribution, for example low voltage circuit breakers and power switches covered by UL 489 (UL = Underwriters Laboratories) and CSAC22.2 No. 5-02 (CSA = Canadian Standard Association) and those for industrial switching devices, for example contactors covered by UL 508 and CSA-C22.2 No. 14 respectively. For industrial controls contactors and other switching devices are often classified in the USA according to NEMA (National Electrical Manufacturers Association) current rating. North American standards emphasize the prevention of fires and therefore have high limit requirements on temperature rise. They also require larger air and creep gaps than those of IEC, which leads to significant differences in the design of the switches and their contact systems.

Referenzen

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