Hochspannungs-SF6-Schaltgerät im Vergleich zum Hochspannungsvakuumschaltgerät: Warum wird SF6 über 725 kV hauptsächlich verwendet

Bei höheren Spannungsebenen (in der Regel 72,5 kV und darüber, insbesondere bei 110 kV, 220 kV und UHV-Ebenen) dominieren SF6-Schaltgeräte (Schwefelhexafluorid), während Vakuumschaltgeräte (VCBs) seltener verwendet werden. Dies ist hauptsächlich durch die physikalischen Isolierungseigenschaften und Bögenlöscheinrichtungen von Vakuum im Vergleich zu SF6-Gas unter sehr hohen Spannungen bestimmt.

Die Kerngründe können wie folgt zusammengefasst werden:

1. Einschaltwiderstandsgrenze eines Einzelabstands und "Isolierungssättigungseffekt"

• Einschränkung von Vakuumschaltgeräten: Im Vakuum ist die Isolierstärke extrem hoch, wenn der Kontaktabstand klein ist. Wenn jedoch der Kontaktabstand erhöht wird, um höhere Spannungen zu ertragen, steigt die Durchschlagspannung nicht mehr linear, was zu einem "Sättigungseffekt" führt. Wenn der Abstand zu groß wird, induziert das mikroskopische hohe elektrische Feld an der Kontaktoberfläche Feldemission, was direkt zum Durchschlag und potenziell zur Erzeugung schädlicher Röntgenstrahlen führt. Daher bleibt die kommerzielle praktische Grenze für einen einzelnen Vakuumschalter in der Regel bei etwa 72,5 kV bis 145 kV.

• Vorteil von SF6: SF6-Gas hat eine starke Elektronegativität, fängt freie Elektronen im Bogen schnell ein, um schwere negative Ionen zu bilden, was es ermöglicht, dass der Bogenabstand seine Isolierstärke sehr schnell nach dem Stromnullpunkt wiederherstellt. Mit zunehmendem Gasdruck steigt die Spannungsfestigkeit von SF6 fast linear. Moderne SF6-Schaltgeräte können leicht eine Einschaltwiderstandsgrenze eines Einzelabstands von 252 kV oder sogar 550 kV erreichen.

Rockwill RHD Serie 170kV Dead-Tank SF6 Schaltgerät

2. Mechanische Komplexität und Betriebssicherheit

Um Vakuumschaltgeräte bei 220 kV oder höheren Spannungen anzuwenden, müssen mehrere Vakuumschalter in Reihe geschaltet werden. Dazu sind nicht nur parallele Grading-Kondensatoren erforderlich, um zu verhindern, dass ein einziger Abstand übermäßig Spannung aufnimmt, sondern auch ein äußerst präzises mechanisches Übertragungsmechanismus, um die "absolute Synchronisation" des Öffnens und Schließens aller in Reihe geschalteten Abstände sicherzustellen. Mehr mechanische Komponenten führen zu einem höheren Risiko von Blockierungen oder asynchronem Betrieb.

Im Gegensatz dazu erfordern SF6-Schaltgeräte bei 220 kV oder sogar 500 kV oft nur ein Einzel- oder Doppelabstanddesign, was den Übertragungsmechanismus erheblich vereinfacht und die Gesamtbetriebssicherheit deutlich verbessert.

3. Bedrohung durch Chopping-Überspannungen

Vakuumschaltgeräte löschen Bögen zu "aggressiv". Beim Unterbrechen kleiner induktiver Ströme (z.B. für leere Transformatoren oder Reaktoren) wird der Bogen oft gezwungen, vor dem natürlichen Erreichen des Stromnullpunkts auszugehen. Dieses Phänomen wird als Stromunterbrechung bezeichnet. Chopping kann in Hochspannungsnetzen extrem hohe Schaltüberspannungen induzieren, die eine ernsthafte Bedrohung für die Systemisolierung darstellen.

Rockwill RVD Serie 72,5kV Dead-Tank Vakuumschaltgerät

SF6-Schaltgeräte haben eine relativ weichere Bögenlöscheinrichtung, die den Bogen in der Regel genau am Stromnullpunkt löst, was zu sehr niedrigen Chopping-Werten führt und die Schaltüberspannungen in Hochspannungssystemen effektiv unterdrückt.

4. Wärmeableitung und Temperaturanstiegskontrolle

Hochspannungssysteme tragen oft sehr hohe Nennströme. Im Inneren eines Vakuumschalters gibt es im Vakuumumfeld fast keine Konvektion, so dass Wärme nur über die Kontaktleiter abgeführt werden kann, was die Temperatursteuerung bei hohen Strömen sehr schwierig macht.

SF6-Gas hat ein hohes Molekulargewicht und eine hohe thermische Leitfähigkeit. Seine starke Konvektion kühlt die wärmeerzeugenden Kontakte sehr effektiv und kann dauerhafte hohe Ströme von mehreren tausend Ampere leicht bewältigen.

5. Gesamtwirtschaftlichkeit und Größe

Bei mittleren und niedrigen Spannungen (10 kV – 35 kV) sind Einzelabstand-Vakuumschaltgeräte einfach, wartungsfrei und kostengünstig, was ihnen einen absoluten Vorteil gibt.

Bei hohen Spannungen jedoch, bedingt durch die Notwendigkeit, mehrere in Reihe geschaltete Abstände zu verwenden, werden Hochspannungsvakuumschaltgeräte groß und teuer. SF6-Schaltgeräte mit ihren einfacheren Einzel- oder Doppelabstandkonfigurationen haben in Bezug auf die Größenkontrolle und die Herstellungskosten überwältigende Vorteile.

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Herausgegeben von：Garca