Erläuterung der Zeit-Strom-Kennlinien von Strombegrenzungssicherungen

Was ist eine Zeit-Strom-Kennlinie einer strombegrenzenden Sicherung?

Die Zeit-Strom-Kennlinie einer strombegrenzenden Sicherung beschreibt, wie lange es dauert, bis eine Sicherung bei einem bestimmten Fehler- oder Überlaststrom auslöst; dies wird als Zeit-Strom-Kennlinie (TCC-Kurve) dargestellt. Der Zusammenhang ist umgekehrt proportional: Ein höherer Strom führt zu einer schnelleren Auslösung, daher verläuft die Kurve von links nach rechts abfallend. Es besteht ein umgekehrter Zusammenhang: Höhere Stromstärken führen zu einer schnelleren Auslösung, daher verläuft die Kurve von links nach rechts abfallend. Bei einer typischen strombegrenzenden Sicherung der 15,5-kV-Verteilungsklasse umfassen die veröffentlichten Kurven üblicherweise Stromwerte von etwa 100 A bis zu 50.000 A oder mehr, wobei die Auslösezeiten von mehreren Minuten bis hin zu einem Bruchteil eines Netzfrequenzzyklus reichen.

Was die X-Achse und die Y-Achse darstellen

Die horizontale Achse stellt den Strom in Ampere dar; die vertikale Achse stellt die Zeit in Sekunden dar. Ein Punkt auf der Kurve gibt einem Ingenieur Auskunft darüber, dass die Sicherung bei einem bestimmten Fehlerstrom voraussichtlich innerhalb eines bestimmten Zeitfensters auslöst – nicht jedoch zu einem exakten Zeitpunkt.

Warum TCC-Kurven eine Log-Log-Skalierung verwenden

Da sich der Betriebsstrom und die Zeit einer Sicherung innerhalb einer einzigen Kurve um mehrere Größenordnungen unterscheiden, stellen Hersteller TCC-Kurven auf logarithmisch-logarithmischen Skalen dar, wobei jede Dekade von Strom und Zeit auf den gleichen visuellen Raum ausgedehnt wird. Aus diesem Grund erscheint die Kurve als relativ gerades diagonales Band und nicht als scharfer Haken, obwohl die zugrunde liegende Physik des Schmelzprozesses in hohem Maße nichtlinear ist. Ingenieure, die eine Kurve zum ersten Mal betrachten, schätzen die Auslösegeschwindigkeit manchmal falsch ein, indem sie das logarithmisch-logarithmische Raster so lesen, als wäre es linear – daher ist es ein üblicher erster Schritt, die Skalierung des Rasters zu überprüfen, bevor man einen Koordinationsspielraum ableitet.

Eine strombegrenzende Sicherung dient dazu, hohe Fehlerströme zu unterbrechen, bevor sie zerstörerische Spitzenwerte erreichen, und so die thermische und mechanische Belastung des geschützten Transformators zu verringern. Die Anforderungen an Zeit-Strom-Prüfungen und die Konstruktionsprüfung für diese Geräte sind in IEEE C37.41 festgelegt, Standard-Konstruktionstests für Hochspannung

[Experteneinblick]

• Überprüfen Sie die Achsen-Einheiten (A vs. kA, Sekunden vs. Zyklen), bevor Sie Kurven verschiedener Hersteller miteinander vergleichen.
• Log-Log-Diagramme wirken optisch komprimiert – ein Abschnitt, der auf den ersten Blick nah beieinander zu liegen scheint, kann eine 5- bis 10-fache Differenz der Stromstärken darstellen.
• Geben Sie die konkrete Katalognummer an, nicht nur die Produktfamilie, da sich die veröffentlichte Kennlinie durch Konstruktionsänderungen verschieben kann.

Wie strombegrenzende Sicherungen den Fehlerstrom unterbrechen, bevor die Kennlinie vollständig zum Tragen kommt

Bei sehr hohen Fehlerströmen verdampft das Sicherungselement so schnell, dass es den Stromkreis unterbricht, bevor der Fehlerstrom seinen natürlichen Spitzenwert erreicht – dies ist der Mechanismus, der eine strombegrenzende Sicherung von einer herkömmlichen Auswurf-Sicherung unterscheidet, die auf einen natürlichen Stromnullpunkt wartet.

Vom Schmelzen bis zum Aufbau der Lichtbogenspannung

Wenn der Fehlerstrom den Strombegrenzungsschwellenwert überschreitet, schmilzt das Sicherungselement – das häufig mit mehreren Kerben mit verringertem Querschnitt versehen ist – fast gleichzeitig an jeder Kerbe, wodurch kleine Lichtbögen entstehen, die zu einer einzigen Lichtbogensäule verschmelzen. Der Widerstand des Lichtbogens steigt stark an, wenn er mit dem lichtbogenlöschenden Sandfüllstoff in Wechselwirkung tritt, wodurch eine Lichtbogenspannung entsteht, die ein Vielfaches der normalen Phasenspannung des Systems erreichen kann. Diese erhöhte Lichtbogenspannung drückt den Strom deutlich früher als erwartet gegen Null.

Für eine Sicherung in einem System mit einem voraussichtlichen Fehlerstrom I_p von 40.000 A. Ein symmetrisches, gut ausgelegtes Strombegrenzungselement kann den Durchlassstrom I unterdrücken._lt auf etwa 8.000–12.000 A (Spitzenwert), abhängig von der Nennunterbrechungsleistung und dem Punkt auf der Wellenform. Die Unterbrechung ist in der Regel in ≤ 8–10 Millisekunden abgeschlossen, also innerhalb der ersten Halbwelle eines 50/60-Hz-Systems.

Warum dies unterhalb des steilsten Abschnitts der Kurve von Bedeutung ist

Unterhalb der Strombegrenzungsschwelle – bei einer Sicherung der Verteilungsklasse oft im niedrigen Tausenderbereich von Ampere – löst dieselbe Sicherung eher wie eine herkömmliche Auslösevorrichtung aus, und zwar auf der Grundlage eines normalen Nullstroms. Eine Sicherung, die ausschließlich anhand der auf dem Typenschild angegebenen Nennstromstärke ausgewählt wird, ohne zu prüfen, wo der strombegrenzende Bereich auf ihrer Kennlinie beginnt, liefert bei moderaten Fehlerpegeln möglicherweise nicht die schnelle Auslösung, von der Ingenieure ausgehen.

Ablesen der Bereiche für die minimale Schmelzzeit und die gesamte Reinigungszeit

Die meisten veröffentlichten TCC-Kurven zeigen zwei Linien – die minimale Schmelze und die vollständige Klärung – und der Abstand zwischen diesen beiden Linien ist für jede Koordinationsstudie von zentraler Bedeutung.

Mindestschmelzzeitbereich

Diese Linie markiert den frühesten Zeitpunkt, zu dem das Sicherungselement bei einem bestimmten Strom zu schmelzen beginnen könnte, wobei Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden. Anhand dieser Linie lässt sich sicherstellen, dass eine Sicherung bei einem normalen Transformator-Einschaltstrom nicht ungewollt auslöst – bei einem 500–1000-kVA-Verteiltransformator kann der Einschaltstrom in den ersten Zyklen das 8- bis 12-fache des Volllaststroms erreichen.

Gesamtzeitfenster für die Abrechnung

Diese Linie markiert den spätesten Zeitpunkt, zu dem die Sicherung den Stromkreis garantiert vollständig unterbrochen hat, einschließlich der Lichtbogenzeit. Diese Linie wird für Koordinationsprüfungen in vor- und nachgelagerten Bereichen herangezogen, da sie das Worst-Case-Szenario darstellt.

Die Toleranzspanne zwischen ihnen

Unterhalb von einigen hundert Ampere kann der Zeitraum zwischen minimaler Schmelze und vollständiger Entladung mehrere Sekunden betragen, was die tatsächliche Variabilität nahe der Betriebsschwelle widerspiegelt. Oberhalb von einigen Tausend Ampere verengt sich das Band stark – oft auf wenige Millisekunden –, da die durch die Lichtbogenspannung bestimmte Löschzeit dominiert. Wenn man nur die Gesamtlöschzeitlinie betrachtet, ohne zu prüfen, wo die Bänder zusammenlaufen, besteht die Gefahr, dass die verfügbare Reserve bei moderaten Fehlerpegeln überschätzt wird.

Informationen zur entsprechenden Koordinationslogik finden Sie im Leitfaden von ZeeyiElec unter Koordination von Bay-O-Net-Sicherungen und strombegrenzenden Sicherungen, und für die Basisspezifikationen gilt die Produktserie mit Strombegrenzungssicherungen.

Verwendung von TCC-Kurven zur Abstimmung mit vor- und nachgeschalteten Geräten

Durch die Koordination wird sichergestellt, dass die Schutzeinrichtungen in der richtigen Reihenfolge auslösen – die dem Fehler am nächsten gelegene Einrichtung löst zuerst aus, während die vorgeschalteten Einrichtungen geschlossen bleiben. TCC-Kurven sind das wichtigste Instrument für diese Überprüfung.

Überlagerung von Kurven für in Reihe geschaltete Geräte

Ingenieure tragen die TCC-Kurven beider Geräte auf identischen Achsen über den gesamten zu erwartenden Fehlerstrombereich auf. Die Gesamtabschaltkurve des nachgeschalteten Geräts sollte durchgehend unterhalb der Mindestschmelzkurve des vorgeschalteten Geräts bleiben; sollten sich die Kurven bei einem beliebigen Stromwert zu stark annähern, könnten beide Geräte bei demselben Fehler ansprechen.

Margin-Anforderungen zwischen benachbarten Schutzstufen

In der Praxis wird im Allgemeinen ein Mindestzeitabstand von etwa 0,1–0,2 Sekunden zwischen der Gesamt-Auslösekurve eines nachgeschalteten Geräts und der Mindestschmelzkurve eines vorgeschalteten Geräts bei dem maximal zu erwartenden Fehlerstrom angestrebt – dabei handelt es sich eher um eine weit verbreitete technische Richtlinie der Energieversorger als um eine feste numerische Vorgabe in IEEE C37.48 selbst.

[Experteneinblick]

• Die Kurven sind auf den tatsächlich am Anschlusspunkt verfügbaren maximalen Fehlerstrom abzustimmen, nicht nur auf die Nennunterbrechungsleistung
• Ein Spielraum von 0,1 bis 0,2 Sekunden dient als anfängliche Richtlinie – bitte überprüfen Sie dies anhand der geltenden Schutzvorschriften für Versorgungsnetze.
• Überprüfen Sie die Koordination nach jeder Änderung der Einstellungen eines Wiedereinschalters oder Relais erneut, da die Sicherungskurven zwar feststehen, die vorgelagerten Einstellungen jedoch häufig variieren.

Die Entscheidungen zur Koordinierung bauen auf den Grundlagen der Auswahl auf, die in ZeeyiElec behandelt werden. Auswahlhilfe für Transformatorenzubehör und die Transformatorenzubehör Produktreihe.

Praxisbeispiele, bei denen eine Fehlinterpretation einer TCC-Kurve zu Koordinationsfehlern führt

Fall 1: Durch die Umgebungstemperatur ausgelöschte Koordinationsreserve

Ein Energieversorgungsunternehmen installierte 25-kV-Strombegrenzungssicherungen in einem bodenmontierten Gehäuse, in dem die Gehäusetemperaturen im Sommer 55–60 °C erreichten – deutlich über den Referenzwerten von 25 °C bzw. 40 °C, die für die veröffentlichte TCC-Kurve zugrunde gelegt wurden. Die Sicherungen waren auf einen vorgeschalteten Wiedereinschalter abgestimmt worden, wobei bei maximalem Fehlerstrom eine nominelle Sicherheitsmarge von 0,15 Sekunden angenommen wurde. Im Betrieb verschob die erhöhte Umgebungstemperatur die tatsächliche Mindestschmelzkurve schneller als von der Referenzkurve vorhergesagt, wodurch sich die tatsächliche Sicherheitsmarge verringerte. Bei einem nachfolgenden Fehler lösten sowohl die Sicherung als auch der Wiedereinschalter bei demselben Ereignis aus. Als Hauptursache wurde festgestellt, dass die Kurve unter Referenzbedingungen ausgelegt worden war, ohne einen standortspezifischen Umgebungs-Derating-Faktor anzuwenden.

Fall 2: Falscher Messwert bei einer nachgelagerten Überprüfung

Ein Außendiensttechniker stützte sich bei der Überprüfung der Sicherheitsreserve gegenüber einer nachgeschalteten Bay-O-Net-Sicherung auf die Mindestschmelzkurve der Sicherung anstelle der Gesamtabschaltkurve. Da die Mindestschmelzlinie zeitlich früher einsetzt, zeigte die Untersuchung eine Trennung an, die bei Berücksichtigung der vollständigen Auslösezeit tatsächlich nicht vorlag. Inbetriebnahmetests an der Grenze des Betriebsbereichs beider Geräte führten zu einem nahezu gleichzeitigen Auslösen, was eine erneute Untersuchung unter Verwendung des korrekten Bereichs vor der Einschaltung erforderlich machte.

Beide Fälle lassen dieselbe Lehre zu: Eine TCC-Kurve, die ohne Überprüfung der Umgebungsbedingungen und des für die jeweilige Prüfung geeigneten Messbereichs für bare Münze genommen wird, kann zu einer Koordinationsstudie führen, die auf dem Papier zwar stichhaltig erscheint, unter realen Störungsbedingungen jedoch nicht Bestand hat.

So finden Sie die richtigen Daten zur Strombegrenzungs-Sicherungskurve für Ihr Projekt

Wenn Sie die korrekten TCC-Kurvendaten im Vorfeld anfordern, vermeiden Sie, dass eine Koordinationsstudie wiederholt werden muss, nachdem die Sicherungen bereits bestellt wurden. Fragen Sie zumindest nach der Spannungsklasse, der Nenn-Dauerstromstärke und der Umgebungstemperatur, auf die sich die Kurve bezieht – eine bei 25 °C Umgebungstemperatur erstellte Kurve verhält sich anders als eine bei 40 °C.

Fordern Sie nach Möglichkeit tabellarisch aufbereitete Kurvenpunkte anstelle einer reinen grafischen Darstellung an, da digitale Daten direkt in die Koordinationssoftware importiert werden können. Bei Sicherungen im Bereich von 15 kV bis 40,5 kV sollten Sie sich vergewissern, ob die Mindestschmelz- und Gesamtunterbrechungsbereiche separat angegeben sind – eine einzige gemittelte Kurve reicht für eine ordnungsgemäße Sicherheitsabstandsprüfung nicht aus.

ZeeyiElec stellt neben den technischen Datenblättern auch technische Kennlinien für Strombegrenzungssicherungen und zugehörige Schutzvorrichtungen bereit und unterstützt damit Ingenieure in beiden Bereichen seines Transformatorenzubehör und Kabelzubehör Produktlinien bei der Erstellung von Angebotsanfragen oder der Festlegung von Schutzmaßnahmen vor der Freigabe der Bestellung.

Häufig gestellte Fragen

Was ist eine TCC-Kurve im Bereich des Sicherungsschutzes?

Eine Zeit-Strom-Kennlinie (TCC) stellt dar, wie lange es dauert, bis eine Sicherung bei einem bestimmten Fehlerstrom durchbrennt und den Stromkreis unterbricht. Sie wird in der Regel auf logarithmischen Achsen dargestellt, die einen Bereich von Millisekunden bis zu Stunden abdecken. Ingenieure nutzen sie, um die Auslösegeschwindigkeit des Schutzes und die Koordination mit anderen Geräten im selben Stromkreis zu überprüfen.

Was ist der Unterschied zwischen der Mindestschmelzzeit und der Gesamtablaufzeit?

Die minimale Schmelzzeit ist der Zeitpunkt, zu dem das Sicherungselement bei einem bestimmten Strom zu schmelzen beginnt, während die gesamte Ausschaltzeit das Schmelzen sowie die Lichtbogenbildung umfasst, bis der Stromkreis vollständig unterbrochen ist. Der Abstand zwischen den beiden Bereichen ist bei niedrigeren Strömen im Allgemeinen größer und verengt sich mit steigendem Fehlerstrom stark.

Wie schnell unterbricht eine strombegrenzende Sicherung einen Fehler?

Bei Fehlern mit hoher Stromstärke kann eine strombegrenzende Sicherung innerhalb eines Bruchteils eines Netzfrequenzzyklus auslösen, noch bevor der Fehlerstrom seinen natürlichen Spitzenwert erreicht. Bei geringeren Überstrompegeln kann die Abschaltung mehrere Sekunden bis Minuten dauern, weshalb die Form der Kurve wichtiger ist als ein einzelner Geschwindigkeitswert.

Warum enden die Kennlinien von Strombegrenzungssicherungen bei einem bestimmten Stromwert?

Hersteller veröffentlichen TCC-Daten in der Regel nur innerhalb des verifizierten Unterbrechungsbereichs der Sicherung, da das Verhalten unterhalb der minimalen Strombegrenzungsschwelle dem herkömmlichen Schmelzverhalten einer Ausstoßsicherung entspricht. Eine Extrapolation über den veröffentlichten Bereich hinaus birgt das Risiko ungenauer Annahmen hinsichtlich der Koordinierung.

Können zwei strombegrenzende Sicherungen allein anhand von TCC-Kurven aufeinander abgestimmt werden?

TCC-Kurven bilden den Ausgangspunkt für die Koordinierung, doch Ingenieure müssen auch die Werte für die Durchlassenergie (I²t) überprüfen, da sich zwei Kurven, die in einem Log-Log-Diagramm getrennt erscheinen, bei einem Fehler energetisch gesehen dennoch überschneiden können. Die Überlagerung der Kurven allein ist eine nützliche erste Überprüfung, stellt jedoch keine vollständige Koordinierungsanalyse dar.

Welche Angaben benötige ich, um bei einem Hersteller die TCC-Kurve einer Sicherung anzufordern?

Erfragen Sie zumindest die Spannungsklasse, die Nennstromstärke, die zugrunde gelegte Umgebungstemperatur sowie die Angabe, ob die Kurve den durchschnittlichen Schmelzprozess widerspiegelt oder Fertigungstoleranzbänder enthält. Digital tabellierte Kurvendaten sind für Koordinationssoftware in der Regel nützlicher als eine reine grafische Darstellung.

Wie wirkt sich die Umgebungstemperatur auf die TCC-Kurve einer Sicherung aus?

Veröffentlichte TCC-Kurven beziehen sich in der Regel auf eine Standard-Umgebungstemperatur, und ein Dauerbetrieb oberhalb dieser Referenztemperatur kann dazu führen, dass sich die Kurve bei einem bestimmten Stromwert in Richtung eines schnelleren Schmelzverhaltens verschiebt. Bei Installationen in geschlossenen Räumen oder bei hohen Umgebungstemperaturen sollten standortspezifische Leistungsreduzierungsfaktoren mit dem Hersteller abgeklärt werden.