Die Auswahl einer Mittelspannungsschaltanlage ist keine Transaktion. Es handelt sich um eine Entwurfsentscheidung, die die elektrische Sicherheit, die Betriebsflexibilität und das Wartungsbudget einer Anlage für zwanzig bis dreißig Jahre prägt. Im Gegensatz zu Komponenten, die während einer routinemäßigen Abschaltung ausgetauscht werden können, sind Schaltanlagen strukturell aufgebaut. Sobald die Sammelschienen installiert, die Schalttafeln miteinander verschraubt und die Kabel abgeschlossen sind, wird die Änderung der Gerätekonfiguration zu einem großen Kapitalprojekt.
Doch unter dem Druck der Projekttermine beschränkt sich die Auswahl einer Schaltanlage oft auf die Überprüfung einiger Parameter in einem Datenblatt und den Preisvergleich. Bei diesem Ansatz werden die Faktoren außer Acht gelassen, die tatsächlich darüber entscheiden, ob die Ausrüstung während ihrer gesamten Lebensdauer zuverlässig funktioniert, den sich ändernden Vorschriften entspricht und sich an Änderungen im elektrischen Lastprofil der Anlage anpasst.
In diesem Artikel werden die Faktoren identifiziert, die erfahrene Ingenieure bei der Auswahl einer Mittelspannungsschaltanlage berücksichtigen – nicht nur die Parameter, die auf einem Typenschild erscheinen, sondern auch die betrieblichen, behördlichen und Lebenszyklusüberlegungen, die eine Spezifikation, die funktioniert, von einer Spezifikation, die später Probleme verursacht, unterscheiden.
Der häufigste Fehler bei der Auswahl von Schaltanlagen besteht darin, mit dem Gerätekatalog zu beginnen, ohne die Anwendung vollständig zu verstehen. Die richtige Reihenfolge beginnt mit einer klaren Definition dessen, was die Schaltanlage leisten muss, und nicht nur, was sie aushalten muss.
Eine Einspeisung, die einen Netztransformator versorgt, stellt grundsätzlich andere Anforderungen als eine Abspeisung, die einen großen Motor versorgt. Der eingehende Leistungsschalter sieht relativ wenige Betätigungen, muss sich jedoch mit dem vorgeschalteten Versorgungsschutz abstimmen. Der Motorabgang unterliegt häufigen Starts und Stopps, erfordert möglicherweise einen Überspannungsschutz und ein Schutzsystem, das zwischen Anlaufstrom und einem echten Fehler unterscheidet. Die Angabe desselben Leistungsschalters für beide Anwendungen ohne Berücksichtigung dieser Unterschiede führt zu Fehlauslösungen, übermäßigem Wartungsaufwand oder unzureichendem Schutz.
Auch die Betriebsumgebung prägt die Spezifikation. Inneninstallationen in sauberen, klimatisierten Elektroräumen ermöglichen Gerätekonstruktionen, die im Freien oder in rauen Industrieumgebungen schnell ausfallen würden. Ein für den Schaltraum eines Rechenzentrums ausgelegtes Schaltfeld mit stabiler Temperatur und niedriger Luftfeuchtigkeit entspricht nicht den gleichen Spezifikationen wie ein Schaltfeld für eine Offshore-Plattform oder eine Solaranlage in der Wüste. Kondensation, Salznebel, Staub in der Luft und extreme Temperaturschwankungen stellen Designanforderungen dar, die in der Spezifikation berücksichtigt werden müssen.
Die Stunden, die mit der Entwicklung der Anwendung verbracht werden, bevor mit der Gerätesuche begonnen wird, werden niemals verschwendet. Sie sind die günstigste Versicherung gegen einen Spezifikationsfehler, der sich über Jahrzehnte hinweg verschlimmert.
Die Wahl der Leistungsschaltertechnologie bestimmt den grundlegenden Charakter der Schaltanlage: ihr Wartungsprofil, ihre Sicherheitseigenschaften und ihren ökologischen Fußabdruck.
Vakuum-Leistungsschalter sind zum Standard für Mittelspannungsanwendungen von 3,3 kV bis 40,5 kV geworden. Die Gründe sind gut dokumentiert: Der Vakuum-Schaltröhre löscht den Lichtbogen in einer versiegelten Keramikflasche, die während ihrer gesamten Lebensdauer wartungsfrei ist. Es muss kein Öl getestet, gefiltert oder ausgetauscht werden. Es gibt kein Gas, das austreten oder überwacht werden könnte. Der Unterbrecher ist unabhängig von der Quelle des Fehlerstroms, den er unterbrechen muss, und eignet sich daher gut für Netze mit hoher Verbreitung erneuerbarer Energien, in denen sich die Fehlereigenschaften von der herkömmlichen synchronen Stromerzeugung unterscheiden können.
SF₆-Leistungsschalter, die einst in Mittelspannungsanwendungen üblich waren, sind jetzt auf dem Rückzug. Die EU-F-Gas-Verordnung hat neue SF₆-Schaltanlagen bis 24 kV vom europäischen Markt verboten, und weltweit schreiten ähnliche Beschränkungen voran. Auch dort, wo die Vorschriften noch nicht in Kraft getreten sind, ist die Richtung der Politik klar. Die heutige Spezifikation von SF₆-Geräten führt zu einer künftigen Compliance-Verpflichtung und zu steigenden Betriebskosten für die Gashandhabung, Leckerkennung und eventuelle Wiederherstellung am Ende der Lebensdauer.
Die praktische Frage für Ingenieure ist nicht, ob sie sich für die Vakuumunterbrechung entscheiden sollen – diese Debatte ist weitgehend beigelegt. Die Frage ist, welches spezielle Design des Vakuum-Leistungsschalters und welcher Hersteller die Anforderungen des Projekts an mechanische Haltbarkeit, Unterbrechungskapazität und Kompatibilität mit der gewählten Schaltfeldkonfiguration am besten erfüllt.
Die Nennparameter auf einem Schaltanlagendatenblatt – Spannung, Strom, Kurzschlussausschaltvermögen – sind die Mindesteingabekriterien. Was eine robuste Spezifikation von einer marginalen Spezifikation unterscheidet, ist die Spanne zwischen dem Nennwert und dem tatsächlichen Betriebszustand.
Die Nennspannung muss über der Nennspannung des Systems liegen, wobei vorübergehende Überspannungen bei Fehlern oder Schaltereignissen berücksichtigt werden müssen. In einem 12-kV-System können transiente Spannungen auftreten, die deutlich über dem Nennwert liegen. Die Netzfrequenz- und Blitzstoßspannungsfestigkeit der Schaltanlage muss diesen Bedingungen mit Spielraum gerecht werden und nicht nur den Mindeststandard erfüllen.
Besondere Aufmerksamkeit verdient der Bemessungsdauerstrom, da dieser häufig unterbewertet wird. Die auf dem Typenschild angegebene Nennleistung geht von bestimmten Umgebungsbedingungen aus – typischerweise maximal 40 °C bei einer Höhenobergrenze von 1000 Metern. Wenn sich die Installation in einer Region befindet, in der die Umgebungstemperatur regelmäßig 40 °C übersteigt, oder in einer Höhe über 1000 Metern, wo dünnere Luft die Kühleffizienz verringert, muss der Nennstrom herabgesetzt werden. Ein 1250-A-Leistungsschalter, der in 3000 Metern Höhe installiert ist, kann möglicherweise nur 1050 A dauerhaft übertragen. Wenn die Last unter Standardbedingungen nahe an der auf dem Typenschild angegebenen Nennleistung liegt, übersteigt sie unter tatsächlichen Standortbedingungen die herabgesetzte Kapazität.
Das Kurzschlussausschaltvermögen muss mit dem berechneten Fehlerniveau am Installationsort verglichen werden, nicht mit einem Standardwert, der einer früheren Projektspezifikation entnommen wurde. Städtische Netze mit hoher Lastdichte und mehreren Transformatoranschlüssen können zu Fehlerniveaus führen, die Ingenieure überraschen, die an weniger dicht miteinander verbundene Systeme gewöhnt sind. Eine für die spezifische Anlage durchgeführte Kurzschlussstudie unter Verwendung aktueller Systemdaten und der prognostizierten zukünftigen Erzeugung ist die einzige zuverlässige Grundlage für die Spezifikation dieses Parameters.
Ebenso wichtig für die selektive Koordinierung ist die Kurzzeitstromfestigkeit – der Strom, den der Leistungsschalter in geschlossener Stellung für eine bestimmte Dauer führen muss, während ein nachgeschaltetes Gerät den Fehler beseitigt. Wenn ein Einspeiseschalter einen Fehler überbrücken soll, während ein vorgeschalteter Schalter auslöst, muss seine Kurzzeitleistung dieser Anforderung entsprechen. Das Übersehen dieses Parameters führt zu kaskadierenden Auslösungen und unnötigen Ausfallverlängerungen.
Das Medium, das für die dielektrische Isolierung zwischen den Phasen und zur Erde sorgt, ist zu einer Entscheidung geworden, deren regulatorische, umweltbezogene und betriebliche Dimensionen weit über die elektrische Leistung hinausgehen.
Luftisolierte Schaltanlagen sind nach wie vor die einfachste und am weitesten verbreitete Technologie. Es verwendet Umgebungsluft als Isoliermedium, wobei der physische Abstand zwischen den Phasen für die Durchschlagsfestigkeit sorgt. Die Luftisolierung ist allgemein bekannt, erfordert keine besondere Handhabung und stellt keine Umweltbelastung dar. Der Kompromiss liegt in der Größe: Luftisolierte Paneele sind größer als gasisolierte Äquivalente, was bei Anwendungen, bei denen der Platz begrenzt oder teuer ist, von Bedeutung ist.
SF₆-gasisolierte Schaltanlagen, die jahrzehntelang kompakte Mittelspannungsanlagen dominierten, werden nun per Verordnung abgeschafft. Für neue Projekte in europäischen und anderen regulierten Märkten ist SF₆ für Geräte bis 24 kV keine Option. Auch für höhere Spannungsklassen ist die Richtung der Politik klar. Ingenieure sollten SF₆-freie Alternativen angeben, es sei denn, es gilt eine bestimmte Ausnahme, die überprüft wurde.
Trockenluft- und Stickstoffisolierung haben sich als primärer Ersatz für SF₆ in gasisolierten Geräten herausgestellt. Beide Gase haben kein Treibhauspotenzial. Beide sind ungiftig und erfordern keine besondere Behandlung am Ende ihrer Lebensdauer. Der versiegelte Edelstahltank, der in modernen Trockenluft- oder N₂-isolierten Schaltanlagen verwendet wird, wird im Werk gefüllt und lebenslang versiegelt – keine Drucküberwachung, kein Nachfüllen und keine gasbezogene Wartung während der gesamten Lebensdauer der Ausrüstung.
Eine feste Isolierung mit Epoxidharzverkapselung stromführender Teile bietet einen weiteren SF₆-freien Weg. Es verzichtet vollständig auf Gas, was es für raue Umgebungen und Installationen mit begrenztem Platzangebot attraktiv macht. Der Nachteil besteht darin, dass feststoffisolierte Designs weniger flexibel sind, wenn eine Neukonfiguration erforderlich ist.
Für Ingenieure, die heute Schaltanlagen spezifizieren, wird die Entscheidung über das Isoliermedium immer einfacher: Wählen Sie eine SF₆-freie Technologie, stellen Sie sicher, dass der Hersteller die Typprüfung gemäß den geltenden IEC-Normen durchgeführt hat, und bestätigen Sie, dass das Dokumentationspaket die Behauptungen zur Einhaltung der Umweltverträglichkeit unterstützt.
Die Wahl zwischen fester und ausfahrbarer Bauweise ist im Wesentlichen eine Entscheidung darüber, wie die Wartung während der Lebensdauer des Geräts durchgeführt wird.
Feste Schaltanlagen verfügen über Leistungsschalter und Schalter, die fest im Schaltschrank montiert sind. Das Design ist einfacher, die Anschaffungskosten sind geringer und es sind weniger mechanische Komponenten erforderlich, die ausfallen könnten. Der Nachteil besteht darin, dass bei jeder Wartung des Schaltgeräts der gesamte Busabschnitt stromlos geschaltet werden muss. Für Anlagen, in denen Ausfallfenster verfügbar sind und die Kosten für Ausfallzeiten überschaubar sind, können ortsfeste Schaltanlagen eine geeignete Wahl sein.
Bei einer ausfahrbaren Schaltanlage ist der Leistungsschalter auf einem Wagen montiert, der in den Schaltschrank hinein- und herausgefahren werden kann. Wenn sich der Leistungsschalter in der verbundenen Position befindet, ist er vollständig mit dem Primär- und Sekundärkreis verbunden. Es kann in eine Testposition herausgefahren werden, in der der Primärkreis getrennt ist, die Sekundärkreise jedoch zum Testen angeschlossen bleiben. Zur Wartung oder zum Austausch kann es vollständig in eine isolierte Position zurückgezogen werden. Diese Konfiguration ermöglicht die Wartung oder den Austausch eines Leistungsschalters, ohne die Sammelschiene abzuschalten, was in Anlagen von entscheidender Bedeutung ist, in denen Ausfallzeiten extrem teuer sind oder in denen ein kontinuierlicher Betrieb vertraglich vorgeschrieben ist.
Die ausfahrbare Konfiguration stellt zusätzliche mechanische Anforderungen. Der LKW muss genau mit der Platte ausgerichtet sein. Die Hauptkontakte müssen mit gleichmäßigem Anpressdruck einrasten. Die mechanischen Verriegelungen, die Fehlbedienungen verhindern – das Einfahren eines geschlossenen Leistungsschalters oder das Schließen eines Leistungsschalters in einer Zwischenposition – müssen über Tausende von Betätigungen hinweg zuverlässig funktionieren. Hierbei handelt es sich nicht um Merkmale, die anhand eines Fotos überprüft werden können. Sie erfordern Fertigungspräzision, die auf Erfahrung und Disziplin bei der Qualitätskontrolle beruht.
Für kritische Anwendungen – Rechenzentren, kontinuierlich arbeitende Industrieanlagen, Krankenhäuser – ist die ausfahrbare Konfiguration trotz der höheren Anschaffungskosten in der Regel die richtige Wahl. Die Möglichkeit, einen Leistungsschalter zu warten oder auszutauschen, ohne den Bus abzuschalten, macht sich bereits beim ersten Einsatz bezahlt.
Ein Leistungsschalter ohne Schutzrelais ist ein Schalter ohne Intelligenz. Die Auswahl der Schutz-, Steuerungs- und Kommunikationssysteme ist ebenso wichtig wie die Auswahl des Leistungsschalters selbst.
Moderne numerische Schutzrelais bieten Funktionen, die weit über den grundlegenden Überstrom- und Erdschlussschutz hinausgehen. Sie können zwischen verschiedenen Fehlertypen unterscheiden, Wellenformaufzeichnungen für die Analyse nach dem Ereignis speichern und über IEC 61850, Modbus oder andere Protokolle mit vorgelagerten SCADA- oder Energiemanagementsystemen kommunizieren. Für einen Ingenieur ist die Spezifikation eines Relais mit den richtigen Schutzfunktionen für die Anwendung – Motorschutz, Transformatordifferenzial, Einspeisemanagement – eine Aufgabe, die sowohl Kenntnisse über die zu schützende Ausrüstung als auch über die Konfigurationsoptionen des Relais erfordert.
Die Kommunikationsschnittstelle wird immer wichtiger. Ein Schaltfeld, das seinen eigenen Status melden kann – Leistungsschalterposition, Schutzereignisse, Gerätezustand – reduziert die Notwendigkeit einer physischen Inspektion und ermöglicht eine zustandsbasierte Wartung. Für einen Energieversorger mit Hunderten von Umspannwerken oder einen Rechenzentrumsbetreiber, der mehrere Einrichtungen verwaltet, führt diese Funktion zu einer direkten Reduzierung der Betriebskosten.
Hilfsenergie zum Schutz und zur Steuerung muss sorgfältig abgewogen werden. Die meisten modernen Schutzrelais und Auslösespulen werden mit Gleichstrom betrieben, typischerweise 110 V oder 220 V Gleichstrom, der von einem Stationsbatteriesystem gespeist wird. Die Batterie, das Ladegerät und das Gleichstromverteilerfeld sind integraler Bestandteil des Schutzsystems. Wenn die Stationsbatterie ausfällt, verlieren die Schutzrelais ihre Leistung und die Leistungsschalter lösen bei einem Fehler nicht aus. Dabei handelt es sich nicht um ein hypothetisches Szenario – es hat tatsächlich zu Vorfällen geführt, bei denen ein Fehler nicht behoben werden konnte, weil das Schutzsystem nicht funktionierte.
Die Anordnung der Sammelschienen innerhalb der Schaltanlage bestimmt, wie der Strom durch die Anlage fließt und wie sich die Anlage bei Ausfall einer Komponente verhält.
Eine einzelne Sammelschiene ist die einfachste und kostengünstigste Konfiguration. Alle eingehenden und ausgehenden Abzweige werden an einen gemeinsamen Bus angeschlossen. Wenn der Bus ausfällt oder der einzelne Eingangstransformator ausfällt, verlieren alle angeschlossenen Lasten Strom. Diese Konfiguration eignet sich dort, wo die Folgen eines Totalausfalls tolerierbar sind.
Eine geteilte Sammelschiene fügt einen Sammelschienen-Koppler-Leistungsschalter hinzu, der den Bus in zwei unabhängig mit Strom versorgte Abschnitte aufteilen kann. Fällt ein Transformator oder Sammelschienenabschnitt aus, schließt der Koppler und der funktionsfähige Transformator versorgt beide Abschnitte. Beim Transfer kommt es zu einer kurzen Unterbrechung der Lasten. Dies ist die häufigste Konfiguration für Installationen mittlerer Komplexität.
Bei einer Haupt-Kuppel-Hauptkonfiguration werden zwei unabhängige Sammelschienenabschnitte verwendet, von denen jeder über einen eigenen Haupteingangsschalter und Transformator sowie einen normalerweise offenen Kuppelschalter dazwischen verfügt. Automatische Übertragungssysteme können den Kuppelschalter innerhalb von Sekunden nach Erkennung eines Versorgungsausfalls auf einer Seite schließen. Diese Konfiguration bietet eine höhere Zuverlässigkeit und ist Standard für kritische Einrichtungen.
Eine Ringhaupteinheitskonfiguration verbindet mehrere Schaltanlagenfelder in einem geschlossenen Kreislauf. Der Strom kann in beide Richtungen um den Ring herum fließen. Ein Kabelfehler zwischen zwei beliebigen Panels kann isoliert werden, ohne die Versorgung einer Last zu unterbrechen. Diese Konfiguration ist der Standard für städtische Verteilungsnetze, Universitätsgelände und Windpark-Kollektorsysteme.
Die Sammelschienenkonfiguration sollte auf der Grundlage der Zuverlässigkeitsanforderungen der Anlage ausgewählt werden und nicht auf der Grundlage einer Standardspezifikation, die aus einem früheren Projekt übernommen wurde. Eine Zuverlässigkeitsanalyse, die die Kosten von Ausfallzeiten, die Wahrscheinlichkeit eines Komponentenausfalls und die für Reparatur oder Austausch erforderliche Zeit berücksichtigt, bietet eine rationale Grundlage für diese Entscheidung.
Die Typprüfung nach IEC 62271-200 ist die Mindestanforderung für Mittelspannungsschaltanlagen auf internationalen Märkten. Aber „bauartgeprüft“ ist ein Begriff, der häufig verwendet wird. Die Frage, die Ingenieure stellen sollten, lautet nicht: „Wurde dieses Gerät typgeprüft?“, sondern: „Können Sie jetzt die vollständigen Typtestberichte eines unabhängigen, von der IEC akkreditierten Labors vorlegen?“
Ein Hersteller, der das vollständige Testprogramm abgeschlossen hat, wird die Zertifikate ohne zu zögern weitergeben. Ein Hersteller, der Ausdrücke wie „Entwurf nach IEC-Standards verifiziert“ oder „Testberichte in Bearbeitung“ verwendet, gibt damit an, dass die entsprechenden Unterlagen noch nicht vorhanden sind. Bei Projekten, bei denen die Ausrüstung von einem Berater oder einem Versorgungsingenieur überprüft wird, ist diese Unterscheidung wichtig.
Über die Typprüfung hinaus ist die der Schaltanlage beiliegende Dokumentation Bestandteil des Produkts. Routineprüfberichte vom Werk für jedes Panel. Eine Konformitätserklärung zu den geltenden Vorschriften. Eine Referenzliste der Installationen. Bei europäischen Projekten Dokumentation zum Nachweis der Einhaltung der EU-F-Gas-Verordnung, wenn die Ausrüstung SF₆-frei ist. Diese Dokumente sollten in der Angebotsphase verfügbar sein, nicht erst nach der Auftragserteilung. Ein Lieferant, der sie im Anfragestadium nicht bereitstellen kann, wird sie wahrscheinlich später nicht zeitnah liefern.
Schaltanlagen sind keine Ware. Die technischen Fähigkeiten des Herstellers, seine Qualitätskontrolldisziplin und sein langfristiges Engagement für die Produktlinie wirken sich direkt auf die Leistung des Geräts und die Verfügbarkeit von Support während seiner Lebensdauer aus.
Fertigungsqualität zeigt sich in Details, die in einer Broschüre nicht sichtbar sind. Die Konsistenz von Polgussteilen aus Epoxidharz. Die Ausrichtung von ausfahrbaren LKW-Mechanismen. Die Verlegung und Kennzeichnung der Steuerleitungen im Niederspannungsraum. Hierbei handelt es sich um prozessabhängige Ergebnisse, die die Produktionskultur des Herstellers widerspiegeln, nicht nur seine Designfähigkeiten.
Langfristiger Support ist wichtig, da Schaltanlagen jahrzehntelang im Einsatz bleiben. Verfügbarkeit von Ersatzteilen, technischer Support für die Konfiguration von Schutzrelais und die Möglichkeit, zusätzliche Panels zu liefern, die zur bestehenden Installation passen – das sind Überlegungen, die Jahre nach der Erstbestellung wichtig werden.
Ein Werksbesuch verrät einem Ingenieur mehr über einen Hersteller als alle Dokumente. Bei einem Rundgang durch die Produktionslinie werden die Werkzeuge, die Testverfahren, die Qualitätskontrollkontrollpunkte und der allgemeine Organisationsgrad sichtbar, die die Konsistenz der gelieferten Ausrüstung bestimmen. Wenn eine Werksbesichtigung nicht möglich ist, bietet die Anfrage nach detaillierten Fotos der Produktionslinie, der Testeinrichtungen und der kürzlich abgeschlossenen Aufträge hilfreiche Einblicke.
Die Auswahl einer Mittelspannungsschaltanlage erfordert einen Blick über das Datenblatt hinaus auf den Anwendungskontext, die Betriebsumgebung, den rechtlichen Rahmen und die Leistungsfähigkeit des Herstellers. Die Parameter auf dem Typenschild sind der Ausgangspunkt, nicht die Ziellinie.
Ein Ingenieur, der die Anwendungsanforderungen definiert, die Fehlerstufen überprüft, eine Isolationstechnologie ausgewählt hat, die den aktuellen und vorhersehbaren Vorschriften entspricht, die Konfiguration ausgewählt hat, die die Wartungsphilosophie der Anlage unterstützt, die für die Installation geeigneten Schutz- und Kommunikationssysteme spezifiziert und einen Hersteller mit nachgewiesener Produktionsfähigkeit und Dokumentationsbereitschaft qualifiziert hat – dieser Ingenieur hat die Arbeit geleistet, die verhindert, dass Probleme fünf, zehn oder zwanzig Jahre nach der Inbetriebnahme auftreten.
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