Den Lichtbogen beherrschen

Leistungsschalter lenken im Kraftwerk extrem hohe Spannungen. Eine Schlüsselfunktion obliegt dabei dem kaltgerollten Kugelgewindetrieb Typ Carry von Eichenberger.

10. April 2018

Elektrische Energie wird vom Stromerzeuger zum Verbraucher mit hohen Spannungen von bis zu 1,5 Megavolt und geringer Stromstärke transportiert. Damit will man sich Verluste und Kosten bei der Übertragung ersparen. Ein zentrales Element ist dabei der Leistungsschalter. Unabhängig von seiner Position im Netz hat er zwei Aufgaben: das tägliche Schalten von Leitungen im normalen Betrieb und die Unterbrechung der Stromversorgung im Falle einer Überlastung oder eines Kurzschlusses. Ein Leistungsschalter ist ein mechanisches Schaltgerät und muss in der Lage sein, innerhalb von Sekundenbruchteilen Leistungen von mehreren Gilgavoltampere zu »bändigen«.

Das Unterbrechen des Stromflusses führt bei jedem Schalter, zumindest kurzzeitig, zu einem Spannungsüberschlag zwischen den beiden Kontakten und es entsteht eine sich selbsterhaltende Gasentladung, die Lichtbogen genannt wird.

Lichtbögen verfügen über eine enorme Energie. Bei Temperaturen von über 50.000 Grad Celsius und einem Volumen von weniger als einem Liter können Drücke von bis zu 100 Megapascal auftreten.

Das ionisierte Gas, Plasma genannt, leitet nicht nur weiterhin Strom, sondern reduziert die Lebensdauer des Bauteils. Bei starken Strömen kann es den Schalter sogar zerstören. Leistungsschalter sind so konstruiert, dass der beim Öffnen der Schaltkontakte entstehende Lichtbogen schnell und ohne Beschädigung des Schalters gelöscht und damit der Stromfluss unterbrochen wird.

Schnelle Trennung gesucht

In einer praktischen Anwendung suchte ein Energietechnikkonzern eine absolut zuverlässige Antriebslösung, um die schweren Metallkontakte in den Leistungsschaltern blitzschnell voneinander zu trennen. Bei Eichenberger Gewinde AG wurde er fündig. Der Schweizer Gewindespezialist liefert seit Jahrzehnten Spindellösungen, die nach eigenen Angaben eine hohe Performance, Qualität und Zuverlässigkeit aufweisen und zugleich innovativ sind. Wenn es um die Konstruktion spezifisch eingebundener Antriebskomponenten geht, profitierten Kunden weltweit von fundierten Kenntnissen und einem hohen Entwicklungs- und Fertigungspotenzial.

Konkret zum Einsatz kamen die robusten, kaltgerollten Kugelgewindetriebe vom Typ Carry. Eichenberger produziert sie im kostengünstigen Gewinderollverfahren in großen Serien. Beim Gewinderollen werden die Längsfasern des Materials, anders als beim Schleifen, Fräsen oder Drehen, nicht zerschnitten, sondern umgelenkt. Es entsteht eine komprimierte, glatt rollierte, äußerst belastbare Oberfläche, die für eine lange Lebensdauer der Spindel zwingend ist.

Die gemittelte Rautiefe auf den Gewindeflanken und im Grundradius zeigt einen Wert von 1.0, die Kerbempfindlichkeit ist deutlich vermindert. Der Rollreibungskoeffizient beträgt bei Stahlkugeln 0.003 bis 0.001, bei geschmierter Gleitreibung Stahl auf Stahl 0.1 bis 0.05. Die sehr guten Gleiteigenschaften des kaltgerollten Kugelgewindetriebs sorgen für minimalen Abrieb und bieten wenig Angriffsfläche für Verschmutzung. Das geräuscharme Abrollen der Kugeln wird dadurch gewährleistet.

In der Anwendung mit dem Leistungsschalter ist absolute Vorsicht geboten, denn ein Hochspannungskurzschluss hat bereits nach 5 Millisekunden seinen maximalen Wert erreicht. Eine Unterbrechung der Stromversorgung im Falle eines Kurzschlusses wird zum Glück selten gefordert. Wenn dieser Fall aber unerwartet auftritt, ist die hohe Zuverlässigkeit der mechanischen Antriebselemente unabdingbar. Außerdem stellte der Auftraggeber höchste Ansprüche an Axialkraft und Geometrie und nannte tribologische Aspekte wie Reibung, Verschleiß und Schmierung als wichtige Voraussetzungen.

Carry bereitet den mechanischen Ein- und Ausschaltvorgang beim Leistungsschalter durch Schraubenfedern vor. Zwei massive Schubstangen sind beidseitig fest mit der maßgefertigten Mutter, auch als Mitnehmer bezeichnet, verbunden. Diese beiden Hebel setzen die riesigen, unter Federdruck stehenden Schlaganker in Bewegung, die den Metallkontakt extrem schnell trennen. Eine wichtige kundenspezifische Anforderung an den Kugelgewindetrieb lag in einem eingebauten Kundeninterface in der Mutter.

Aufgrund der Gesamtheit der Forderungen hat Eichenberger für den weltweiten Einsatz verschiedene Dimensionen des Kugelgewindetriebs Carry bestehend aus der kaltgerollten Gewindespindel und der speziellen Mitnehmer-Mutter entwickelt.

Die knifflige Aufgabe, das Äußere des Mutterkörpers den speziellen Schnittstellenanforderungen und den klimatischen Bedingungen gut anzupassen, stellte sich als besonders anspruchsvoll heraus.

Laut Hersteller gewährleistet der Kugelgewindetrieb Typ Carry zudem hohe Funktionssicherheit, eine enorme Leistungskraft mit einem Wirkungsgrad über 90 Prozent und Robustheit. Der belastungsstarke Carry trotzt widrigen Wetterbedingungen und starken Temperaturunterschieden und arbeitet wartungsfrei. mk

Hintergrund

Wenn Zuverlässigkeit und Kundennutzen kein Zufall sind

Die Flexibilität von mechanisch-dynamischen Funktionselementen trägt erheblich zum Erfolg von Projekten in der Antriebstechnik bei. Maßgeblich dabei ist die Erkenntnis, dass Qualität und Zuverlässigkeit in ein Produkt »hineinentwickelt« werden müssen. Die Hightech-Prüfsysteme der Eichenberger Gewinde AG sind daher in vielen Phasen der Produktentstehung unentbehrlich. Nur wenn Spindeln, Muttern, Kugeln und Schmierung perfekt zusammenspielen, kann höchsten Ansprüchen Rechnung getragen werden. Aufgrund der engen Toleranzen bei Drehmoment, Axialspiel und Rundlauf wird eine 100-Prozent-Kontrolle auf einem speziellen Prüfstand durchgeführt. Auf Wunsch werden bei Eichenberger unkompliziert Datenbezüge mittels einer dauerhaften Laserbeschriftung als Datamatrixcode auf den Kugel- oder Gleitgewindetrieb gebracht.

Auf einen Blick

Dienstleister in der Entwicklung

Die Eichenberger Gewinde AG hat sich mit seinen maßgeschneiderten gerollten Gewindetrieben etabliert. Ziele sind das Rollen von Gewinden und die Fertigung von Gewindetrieben. Dabei setzen die Schweizer moderne Produktionsmethoden ein und stoßen in immer neue Dimensionen vor. Die Herausforderung für den Konstrukteur im Hochpreisland Schweiz besteht darin, sehr hohen technischen Wert in einem marktgerechten, wettbewerbsfähigen Produkt zu entwickeln. Es braucht nicht nur technologisches Wissen, Forschung und Entwicklung, sondern das zusätzliche Beherrschen effizienter Fertigungsverfahren bringt den Wettbewerbsvorteil. Wenn der Erfinder des Produkts zugleich dessen wirtschaftlichster Hersteller ist, lässt sich auch am Standort Schweiz etwas bewegen. Eichenberger setzt auf einen bedarfsorientierten, konstruktiven Austausch mit seinen Partnern.

Erschienen in Ausgabe: Nr. 03/2018