Relais-Phasenausfallschutztechnologie: Prinzipien, Anwendungen und Entwicklungstrends

Als Kernkomponente des elektrischen Steuerungssystems spielen Relais eine unersetzliche Rolle im Bereich des Stromschutzes. Unter diesen ist der Phasenausfallschutz eine wichtige Funktion von Relais, die in direktem Zusammenhang mit dem sicheren Betrieb von Motoren und anderen elektrischen Geräten steht. In diesem Artikel werden das Funktionsprinzip, typische Anwendungsszenarien, technische Schwierigkeiten und neueste Entwicklungstrends des Phasenausfallschutzes von Relais umfassend analysiert, um den Lesern ein tiefes Verständnis für die Bedeutung dieser Schlüsseltechnologie in der modernen Industrie zu vermitteln.

Grundprinzipien und Bedeutung des Phasenausfallschutzes

Definition von Phasenverlust

Unter Phasenverlust versteht man den Verlust oder die Trennung einer Phase in einer dreiphasigen Stromversorgung oder einen offenen Stromkreis in einer Phase einer Motorwicklung, eines Schützes, einer Sicherung, eines Leistungsschalters, einer Klemme oder einer anderen Verbindung, was zu einem asymmetrischen Betrieb des dreiphasigen Stromkreises führt. Zu den häufigsten Ursachen gehören:

• Einphasige Sicherung durchgebrannt;
• Einphasen-Schützkontakt nicht geschlossen oder durchgebrannt;
• Fehler am einphasigen Leistungsschalter;
• Einphasige Kabel- oder Klemmentrennung;
• Offener Stromkreis der einphasigen Motorwicklung;
• Einphasige Erdung oder netzseitige Trennung.

Gefahren von Phasenausfallfehlern

Unter Phasenverlust versteht man das Phänomen, dass in einem dreiphasigen Stromnetz eine Phase der Stromversorgung fehlt. Dies ist eine der Hauptursachen für das Durchbrennen von Drehstrom-Asynchronmotoren. Wenn ein Dreiphasenmotor während des Betriebs eine Phase verliert, wird eine Gegensystemstromkomponente erzeugt, die zu einem Ungleichgewicht des Dreiphasenstroms oder einem übermäßigen Strom führt, was wiederum dazu führt, dass die Motorwicklung sofort durchbrennt. Laut Statistik sind etwa 40 % der Motorfehler auf einen Phasenausfall der Stromversorgung zurückzuführen.

Grundprinzipien des Relais-Phasenausfallschutzes

Stromerkennung und Spannungserkennung

Der Phasenausfallschutz ermittelt Fehler normalerweise mit den folgenden Methoden:

• Stromerkennungsart: Überwacht, ob der Drehstrom symmetrisch ist. Nach einem Phasenausfall ist der Strom in einer Phase Null oder deutlich reduziert, während der Strom in den anderen beiden Phasen ansteigt.
• Art der Spannungserkennung: Überwacht, ob die dreiphasige Spannung symmetrisch ist. Nach einem Phasenausfall nimmt die Spannung in einer Phase ab oder verschwindet und der Sternpunkt verschiebt sich.
• Art der Erkennung von Gegensystemkomponenten: Extrahiert durch Algorithmen Gegensystemstrom oder Gegensystemspannung, zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit und Eignung für elektronische Schutzvorrichtungen aus.
• Differenzialverschiebungserkennungstyp: nutzt den Unterschied in der Biegung von Bimetallstreifen unter Hitze, um einen Differentialmechanismus in Betrieb zu setzen, der hauptsächlich in Thermorelais mit Phasenausfallschutz verwendet wird.

Unterschiede zwischen Stern- und Dreieckverbindungen

Der Relais-Phasenausfallschutz ermittelt, ob ein Phasenausfallfehler aufgetreten ist, indem er Strom- oder Spannungsanomalien im Dreiphasenstromkreis überwacht. Bei Motoren mit Sternschaltung (Y) können gewöhnliche Thermorelais einen wirksamen Schutz bieten, da der Leitungsstrom gleich dem Phasenstrom ist. Da jedoch bei Motoren mit Dreieckschaltung (Δ) der Phasenstrom nicht gleich dem Netzstrom ist, können gewöhnliche Thermorelais nicht rechtzeitig ansprechen und es müssen spezielle Phasenausfall-Schutzrelais verwendet werden.

Differential-Phasenausfall-Schutzmechanismus

Thermorelais mit Phasenausfallschutz verwenden einen Differentialmechanismus, der aus einer oberen Führungsplatte, einer unteren Führungsplatte und einem Hebel besteht. Wenn eine Phase getrennt wird, kühlt sich der Bimetallstreifen dieser Phase ab und wird zurückgesetzt, wodurch die obere Führungsplatte nach rechts gedrückt wird, während sich die Bimetallstreifen der anderen beiden Phasen unter Hitze weiter biegen und die untere Führungsplatte nach links drücken, wodurch die Schutzwirkung durch Differentialwirkung ausgelöst wird.

Technische Implementierungsschemata für den Phasenausfallschutz

Thermorelais-Phasenausfallschutz

Herkömmliche Thermorelais schieben den Aktuator durch die Bimetallstreifen unter Hitze, ihre Schutzwirkung bei Dreieckschaltungsmotoren ist jedoch begrenzt.

Differential-Thermorelais lösen dieses Problem durch einen besonderen konstruktiven Aufbau. Wenn ein Phasenausfall auftritt, kühlt sich der Bimetallstreifen auf der Phasenausfallseite ab und stellt sich zurück, während sich die anderen beiden Phasen unter Hitze weiter verbiegen und so den Schutz durch Differentialwirkung auslösen.

Spannungsüberwachung, Phasenausfallschutz

Es kommen drei Niederspannungsrelais mit einstellbarer Abfallspannung zum Einsatz; Ihre Spulen sind in Sternschaltung geschaltet und der gemeinsame Knoten ist mit der Neutralleitung verbunden.

Der Nachteil ist die unzureichende Empfindlichkeit. Wenn der Motor eine Phase verliert, kann immer noch eine relativ hohe Spannung aufrechterhalten werden, was zu einem verzögerten Schutz führt.

Elektronisches Gesamtschutzrelais

Es integriert einen Mikroprozessor und fortschrittliche Sensortechnologie, kann mehrere Parameter wie Strom und Spannung gleichzeitig überwachen und bietet einen umfassenden Schutz.

Solid-State-Relais-Technologie (SSR).

Halbleiterrelais (SSRs) nutzen Halbleiterbauelemente, um kontaktloses Schalten zu realisieren und bieten die Vorteile einer schnellen Reaktion, einer langen Lebensdauer, keine Lichtbögen und eine hohe Schaltfrequenz. Sie selbst werden hauptsächlich zum Ein- und Ausschalten und nicht zur Phasenausfallerkennung verwendet. In Hochspannungs-Gleichstrom- oder Hochfrequenz-Wechselstromanwendungen können Halbleiterrelais als Schnellabschaltelemente in Kombination mit elektronischen Erkennungsmodulen eingesetzt werden.

In Hochvoltsystemen von New-Energy-Fahrzeugen werden Hochvoltrelais und Halbleiterschalter zum Schalten von Batteriemanagement-, Vorlade-, Lade- und Motorsteuerkreisen eingesetzt. Es ist zu beachten, dass es in Hochspannungs-Gleichstromsystemen keinen herkömmlichen „Phasenverlust“ gibt, bei dreiphasigen Antriebsmotoren und Wechselrichterausgängen jedoch dennoch Phasenausfallfehler auftreten können, die spezielle Diagnose- und Schutzstrategien erfordern.

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Herausforderungen und Lösungen in der Praxis

Schutzschwierigkeit für Motoren mit Dreieckschaltung

Zu den Lösungen gehören die Verwendung spezieller Phasenausfall-Schutzrelais, umfassender Motorschutzvorrichtungen oder die Entwicklung von Hilfsschutzschaltungen.

Nicht übereinstimmende Ausfallspannung des Schützes

Der Abfallspannungsbereich gewöhnlicher Schütze liegt zwischen 0,2Us und 0,7Us, was dazu führen kann, dass der Phasenausfallschutz versagt.

Eine praktikablere Lösung besteht darin, eine Schutzstrategie zu übernehmen, die hauptsächlich auf dem aktuellen Schutz basiert.

Risiko eines Relaisausfalls

Zu den vorbeugenden Maßnahmen gehören die Auswahl zuverlässiger Qualitätsprodukte, regelmäßige Tests und Wartung, redundantes Design und der Einsatz intelligenter Relais mit Selbstdiagnosefunktionen.

Phasenausfallfehler in Photovoltaikanlagen

Über Relais kann die Photovoltaikanlage im Falle einer Netzstörung vom Netz getrennt und so ein schneller Schutz erreicht werden.

Auswahlhilfe für den Phasenausfallschutz von Relais

Auswahl nach Lasttyp

Ohmsche Lasten, induktive Lasten und kapazitive Lasten stellen unterschiedliche Anforderungen an die Relaiseigenschaften.

Passende Spannungs- und Stromwerte

Stellen Sie sicher, dass die Relaisleistung höher ist als die maximalen Betriebsparameter des Systems.

Überlegungen zur Umweltanpassung

Umweltfaktoren wie hohe Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit und Vibrationen beeinflussen die Relaisauswahl.

Funktionale Anforderungsanalyse

Unterschiedliche Anforderungen wie Grundschutz, intelligente Überwachung oder Fernsteuerung bestimmen den Produkttyp.

Typische Anwendungsszenarien des Relais-Phasenausfallschutzes

Industrieller Motorschutz

Phasenausfallschutz für wichtige Geräte wie Wasserpumpen, Lüfter und Kompressoren.

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