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Kugelgewindetrieb Sicherheit im Hochspannungsbereich mit kaltgerolltem Kugelgewindetrieb

Redakteur: Jan Vollmuth

Für den sicheren Betrieb der Stromnetze sind Leistungsschalter wichtig: Sie schalten etwa die gesamte Leistung eines Kraftwerks ein- oder aus und lenken Spannungen bis 1500 kV. Eine verantwortungsvolle Rolle spielt dabei kaltgerollte Kugelgewindetriebe der Eichenberger Gewinde AG.

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Für den sicheren Betrieb des Stromnetzes sind Leistungsschalter von entscheidender Bedeutung. Eine Schlüsselfunktion der Leistungschalter übernimmt der kaltgerollte Kugelgewindetrieb Typ Carry von Eichenberger.
Für den sicheren Betrieb des Stromnetzes sind Leistungsschalter von entscheidender Bedeutung. Eine Schlüsselfunktion der Leistungschalter übernimmt der kaltgerollte Kugelgewindetrieb Typ Carry von Eichenberger.
(Bild: Eichenberger)

Elektrische Energie wird vom Stromerzeuger, zum Beispiel vom Kraftwerk, zum Stromnutzer transportiert. Um Verluste und damit Kosten bei der Elektrizitäts-Übertragung zu sparen, will man möglichst geringe Stromstärken erzielen. Um trotzdem viel Leistung übertragen zu können, wird mit hohen Spannungen gearbeitet. Hier kommen Hoch- und Höchstspannungen bis zu 1150 kV zum Einsatz.

Reaktion in Bruchteilen von Sekunden

Unabhängig von seiner Position im Stromnetz hat ein Leistungsschalter zwei Aufgaben: Das tägliche Schalten von Leitungen im normalen Betrieb und die Unterbrechung der Stromversorgung im Falle einer Überlastung oder eines Kurzschlusses. Das mechanische Schaltgerät und muss innerhalb von Sekundenbruchteilen Leistungen von mehreren GVA „bändigen“ können. Das Unterbrechen des Stromflusses führt bei jedem Schalter, zumindest kurzzeitig, zu einem Spannungsüberschlag zwischen den beiden Kontakten und es bildet sich ein Lichtbogen mit Temperaturen über 50.000 °C und Drücken bis 100 MPa. Das ionisierte Gas (Plasma) leitet nicht nur weiterhin Strom, sondern reduziert die Lebensdauer des Bauteils. Bei starken Strömen kann es den Schalter sogar zerstören. Leistungsschalter sind daher so konstruiert, dass der beim Öffnen der Schaltkontakte entstehende Lichtbogen schnell und ohne Beschädigung des Schalters gelöscht und damit der Stromfluss unterbrochen wird.

Um die schweren Metallkontakte in den Leistungsschaltern möglichst schnell voneinander zu trennen, suchte ein Energietechnikkonzern eine zuverlässige Antriebslösung und wurde bei der Eichenberger Gewinde AG aus dem Schweizerischen Burg fündig. Die robusten kalt gewalzten Kugelgewindetriebe des Gewindespezialisten werden im kostengünstigen Gewinderollverfahren in großen Serien hergestellt. Dabei 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, welche für eine lange Lebensdauer der Spindel zwingend ist.

Geringer Rollreibungskoeffizient

Die Rauheitswerte um Rz 1.0 auf den Gewindeflanken und im Grundradius sowie eine deutlich verminderte Kerbempfindlichkeit bringen ebenfalls einen großen Vorteil. Der Rollreibungskoeffizient beträgt bei Stahlkugeln 0,003 bis 0,001 gegenüber von Gleitreibung Stahl auf Stahl (geschmiert) 0,1 bis 0,05. Die besonderen Gleiteigenschaften des kaltgerollten Kugelgewindetriebs sorgen für minimalen Abrieb und bieten wenig Angriffsfläche für Verschmutzung. Dies ermöglicht das geräuscharme Abrollen der Kugeln.

Ein Hochspannungs-Kurzschluss hat bereits nach 5 ms seinen maximalen Wert erreicht. Eine Unterbrechung der Stromversorgung im Falle eines Kurzschlusses wird in der Praxis zum Glück selten gefordert. Doch kommt es zu einem solchen Kurzschluss, ist die absolute Zuverlässigkeit der mechanischen Antriebselemente unbedingt erforderlich. Hier punktet der Kugelgewindetrieb vom Typ Carry mit hoher Funktionssicherheit, Leistungskraft (Wirkungsgrad > 0,9) und Robustheit.

Zwei Hebel setzen Schlaganker in Gang

Der Kugelgewindetrieb bereitet den mechanischen Ein- und Ausschaltvorgang beim Leistungsschalter mit Hilfe von 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. Trotz widrigsten Wetterbedingungen und starken Temperaturunterschieden erfüllt der kaltgerollte, belastungsstarke Carry laut Eichenberger absolut zuverlässig seinen Auftrag, unter wartungsfreiem Einsatz.

Die Anforderungen an den Kugelgewindetrieb mit eingebautem Kunden-Interface in der Mutter waren speziell in Bezug auf Axialkraft und Geometrie sehr hoch. Ebenso wichtig waren tribologische Aspekte wie Reibung, Verschleiß und Schmierung. Die knifflige Aufgabe, das Äußere des Mutternkörpers den speziellen Schnittstellenanforderungen und den kinematischen Bedingungen anzupassen, stellte sich als besonders anspruchsvoll heraus. Aufgrund der Gesamtheit der Forderungen wurden für den weltweiten Einsatz verschiedenste Dimensionen des Kugelgewindetriebs Carry bestehend aus der kaltgerollten Gewindespindel und der spezifischen Mitnehmer-Mutter entwickelt. (jv)

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