Kugelgewindetrieb für Zuverlässigkeit im Hochspannungsbereich

Die elektrische Energie wird vom Stromerzeuger, zum Beispiel vom Kraftwerk, zum Stromnutzer transportiert. Um Verluste 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 1.150 kV zum Einsatz.

Unabhängig von seiner Position im Netz 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. Ein Leistungsschalter muss in der Lage sein, innerhalb von Sekundenbruchteilen Leistungen von mehreren GVA zu bändigen. Das Unterbrechen des Stromflusses führt bei jedem Schalter, zumindest kurzzeitig, zu einem Spannungsüberschlag zwischen den beiden Kontakten und es bildet sich eine sich selbsterhaltende Gasentladung, die Lichtbogen genannt wird. Lichtbögen haben eine enorme Energie. Bei Temperaturen von über 50.000 °C und einem Volumen von weniger als einem Liter, können Drücke von bis zu 100 MPa auftreten. 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 so konstruiert, dass der beim Öffnen der Schaltkontakte entstehende Lichtbogen schnell und ohne Beschädigung des Schalters gelöscht und damit der Stromfluss unterbrochen wird.

Ein Technologieunternehmen suchte die absolut zuverlässige Antriebslösung um die schweren Metallkontakte in den Leistungsschaltern blitzschnell voneinander zu trennen. Bei Eichenberger Gewinde wurde der Energietechnikkonzern fündig. Der Schweizer Gewindespezialist liefert seit Jahrzehnten Spindellösungen. Wenn es um die Konstruktion spezifisch eingebundener Antriebskomponenten geht, profitieren die Kunden weltweit von den fundierten Kenntnissen und dem Entwicklungs- und Fertigungspotenzial Eichenbergers.

Der Energietechnikhersteller setzte auf die robusten kalt gewalzten Kugelgewindetriebe aus Burg in der Schweiz, die im kostengünstigen Gewinderollverfahren in großen Serien hergestellt werden. 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, welche für eine lange Lebensdauer der Spindel zwingend ist.

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 Gleiteigenschaften des kaltgerollten Kugelgewindetriebs sorgen für minimalen Abrieb und bieten wenig Angriffsfläche für Verschmutzung. Das geräuscharme Abrollen der Kugeln wird dadurch zum Kinderspiel.

Ein Hochspannungs-Kurzschluss hat bereits nach fünf 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 absolute Zuverlässigkeit der mechanischen Antriebselemente unabdingbar. Der Kugelgewindetrieb vom Typ Carry gewährleistet höchste Funktionssicherheit mit enormer Leistungskraft (Wirkungsgrad > 0,9) und Robustheit. Carry 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 Kugelgewindetrieb zuverlässig seinen Auftrag, unter wartungsfreiem Einsatz.

Die kundenspezifischen Anforderungen an den Kugelgewindetrieb mit eingebautem Kunden-Interface in der Mutter präsentierten sich gehaltvoll und vielfältig. In Bezug auf Axialkraft und Geometrie wurden höchste Ansprüche genannt. Die tribologischen Aspekte wie Reibung, Verschleiß und Schmierung wurden als wichtige Voraussetzungen aufgeführt, die es zu erfüllen galt. 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. jl