Top 5 kritische Prozesskontrollen für die Installation und Inbetriebnahme von GIS

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Vorteile und technischen Merkmale von GIS (Gas-isolierte Schaltanlagen), und erläutert einige kritische Qualitätskontrollpunkte und Prozesskontrollmaßnahmen während der Montage vor Ort. Es wird betont, dass Spannungsstandfestigkeitsprüfungen vor Ort nur teilweise die gesamte Qualität und Montagearbeit von GIS-Geräten widerspiegeln können. Nur durch die Stärkung der umfassenden Qualitätskontrolle während des gesamten Installationsprozesses – insbesondere in wichtigen Bereichen wie Installationsumgebung, Behandlung von Adsorbentien, Gasraumbehandlung und Schleifwiderstandsprüfung – kann eine sichere und reibungslose Inbetriebnahme von GIS-Geräten gewährleistet werden.

Mit der Entwicklung von Energieversorgungssystemen werden höhere Anforderungen an die mechanischen und elektrischen Leistungen der Hauptunterstationseinrichtungen gestellt. Daher werden fortschrittlichere elektrische Geräte zunehmend in Unterstationen eingesetzt. Dazu zählen insbesondere Gas-isolierte Metallgehäuse-Schaltanlagen (GIS), die aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile immer weiter verbreitet werden. Folglich ist die Montage und Inbetriebnahme von GIS vor Ort ein zentraler Aspekt des Unterstationsbaus geworden.

1. Technische Merkmale von GIS-Geräten

• Kompakte Struktur mit geringem Raumbedarf

• Hohe Betriebssicherheit und ausgezeichnete Sicherheitsleistung

• Beseitigung negativer externer Einflüsse

• Kurze Installationszeit

• Einfache Wartung und lange Inspektionsintervalle

2. Schlüsselprozesskontrollpunkte und Kontrollmaßnahmen bei der GIS-Montage

Aufgrund der hohen Integration und kompakten Konstruktion von GIS-Geräten kann jede Nachlässigkeit bei der Montage vor Ort versteckte Risiken hinterlassen, die zu Geräteausfällen oder sogar Netzausfällen führen können. Basierend auf Erfahrungen aus mehreren GIS-Unterstationsmontagen ist es unerlässlich, folgende Schlüsselaspekte während der Montage und Inbetriebnahme streng zu kontrollieren.

2.1 Kontrolle der Installationsumgebung

SF₆-Gas ist sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Verunreinigungen, daher muss die Installationsumgebung vor Ort streng kontrolliert werden. Da Gasräume während der Montage geöffnet werden müssen, sollten Arbeiten nur bei trockenem und klarem Wetter mit einer Umgebungsfeuchtigkeit unter 80 % durchgeführt werden. Sobald ein Raum geöffnet ist, sollte das Vakuumpumpen kontinuierlich fortgesetzt werden, um die Expositionsdauer zu minimieren. Bei Freiluftinstallationen sollte die Windgeschwindigkeit nicht den Beaufort-Windstärkegrad 3 überschreiten. Gegebenenfalls sollten lokale Abschirmmaßnahmen um den geöffneten Raum herum implementiert werden, und die Staubaufkommen innerhalb der Sicherheitszone müssen streng kontrolliert werden. Der Montagebereich muss sauber und ordentlich bleiben.

Das Personal darf keine Kleidung oder Handschuhe aus lockeren Fasern tragen. Das Haar muss vollständig unter einer Mütze bedeckt sein, und Mundschutzmasken sollten getragen werden. Bei hohen Temperaturen sollten Kühlmaßnahmen ergriffen werden, um durch Schweiß die Einführung von Feuchtigkeit in den Raum zu verhindern.

2.2 Umgang mit Adsorbentien in GIS-Gasräumen

Das in GIS verwendete Adsorbens ist in der Regel 4A-Molekularsieb, das nicht leitfähig, hat eine niedrige Dielektrizitätskonstante und ist staubfrei. Es zeigt eine starke Adsorptionskapazität und kann hohe Temperaturen und Bogenbelastungen aushalten. Das Adsorbens sollte in einem Vakuumtrocknungsofen bei 200–300 °C für 12 Stunden getrocknet werden. Unmittelbar nach dem Trocknen sollte es innerhalb von 15 Minuten entfernt und in den Raum installiert werden. Der Raum mit installiertem Adsorbens muss sofort mit Vakuumpumpen behandelt werden, um die Exposition an Luft zu minimieren.

Vor der Installation sollte das Adsorbens gewogen und für spätere Wartungsreferenzen protokolliert werden. Wenn das Gewicht während der Prüfung um mehr als 25 % zunimmt, deutet dies auf signifikante Feuchteabsorption hin und eine Regeneration ist erforderlich. Adsorbentien aus Bogenlöschkammern können nicht regeneriert werden.

2.3 Vakuumpumpen von Gasräumen

Die Vakuumpumpen sollten unmittelbar nach der Kammermontage beginnen. Ein Rückflussventil muss in der Verbindungsleitung installiert werden, und eine spezielle Person muss den Prozess überwachen, um das Zurückfließen von Pumpenöl in den Raum im Falle eines Stromausfalls zu verhindern. Zuerst sollte die Vakuumpumpe gestartet werden, um den korrekten Betrieb zu überprüfen, bevor alle Rohrventile geöffnet werden. Beim Stoppen sollten die Ventile geschlossen werden, bevor die Pumpe abgeschaltet wird.

Nach Erreichen eines absoluten Drucks innerhalb des Raums von unter 133 Pa sollte die Vakuumpumpe für weitere 30 Minuten laufen, dann gestoppt und isoliert werden. Der absolute Druck (PA) wird nach 30 Minuten Stillstand aufgezeichnet. Nach einem weiteren 5-Stunden-Stillstand wird der Druck (PB) erneut gelesen. Der Raum gilt als gut versiegelt, wenn PB – PA < 67 Pa. Nur nach Bestehen dieses Dichtheitstests kann qualifiziertes SF₆-Gas in den Raum eingefüllt werden.

Während der Vakuumbearbeitung sollte vermieden werden, dass eine Seite einer Scheibenisolator (disk-type insulator) unter dem Nennbetriebsdruck steht, während die andere Seite unter hohem Vakuum steht, da dies zu mechanischen Schäden führen kann. Gegebenenfalls sollte der Druck auf der Druckseite auf unter 50 % des Nennwerts reduziert werden.

2.4 Gehäuseerdung

Aufgrund der dichten internen Anordnung von GIS ist der elektrische Abstand zwischen Leitern und zwischen Leitern und dem metallenen Gehäuse sehr klein. Im Falle eines internen Durchschlags fließen große Fehlerströme über Erdleiter in das Erdungsnetz. Darüber hinaus besteht das GIS-Gehäuse aus geschlossenem Metallmaterial, so dass asymmetrische Systemfehler aufgrund der magnetischen Induktion erhebliche Spannungen am Gehäuse induzieren können, was zu Geräteschäden oder Gefahren für das Personal führen kann.

Daher muss die Erdungsausführung hohen Standards entsprechen. Für Unterstationen, die GIS verwenden, wird empfohlen, Kupfer-Erdungsnetze zu verwenden, um den Gesamterdungswiderstand zu minimieren. Alle Verbindungen zwischen dem Gehäuse und dem Erdungsnetz müssen ebenfalls aus Kupfer bestehen. Aufgrund der Anwesenheit von Scheibenisolatoren und Gummidichtungen zwischen Gasräumen müssen Kupferverbindungsbalken zwischen den Gehäusen installiert werden. Die Querschnittsfläche dieser Verbindungsbalken sollte der des Haupterdungsnetzes entsprechen.

GIS verwendet ein Mehrpunkt-Erdungsschema. Die Anzahl und Lage der Erdungspunkte sollten den Hersteller- und Designvorgaben folgen.

2.5 Hauptkreisschleifwiderstandsprüfung

Die Hauptkreisschleifwiderstandsprüfung ist entscheidend bei der GIS-Installation. Sie überprüft nicht nur die Integrität der Kontaktverbindungen zwischen Modulen, sondern bestätigt auch die korrekte Phasenfolge der Hauptbusleiter. Für vollständig geschlossene Schaltanlagen sind korrekte Phasierung und zuverlässige Verbindungen besonders kritisch. In der Praxis kam es bereits zu Nachbesserungen aufgrund falscher Phasierung oder unzureichender Leiterverbindungen.

Hersteller geben in der Regel Standard-Kontaktwiderstandswerte für interne Verbindungen an. Der Schleifwiderstand sollte während der Montage segmentweise getestet werden, um frühzeitig schlechte Kontakte zu erkennen und zu korrigieren. Der gemessene Widerstand jedes Segments darf nicht den Summenwert der vom Hersteller angegebenen Werte für alle Verbindungen innerhalb dieses Segments überschreiten.

Nach der vollständigen Montage sollte eine vollständige Schleifwiderstandsprüfung durchgeführt werden, und das Ergebnis darf den theoretisch berechneten Wert nicht überschreiten.

Besonderer Hinweis: Eine Schleifwiderstandsprüfung dürfen nicht an Räumen durchgeführt werden, die gerade vakuumbearbeitet werden. Bei Unterdruck ist die Isolationsfestigkeit innerhalb des Raums extrem gering. Selbst bei wenigen Dutzend Volt kann es zu Oberflächenentladungen an Scheibenisolatoren kommen, die Entladeabdrücke hinterlassen, die schwache Isolationspunkte und potenzielle Fehlerquellen während des Betriebs werden. Daher müssen sorgfältige Prüfungen vor jeder Widerstandsmessung durchgeführt werden, um Tests an evakuierten Räumen zu vermeiden.

2.6 Spannungsstandfestigkeitsprüfung

Die ausgezeichneten Isolationseigenschaften von SF₆-Gas ermöglichen es, GIS kompakt zu gestalten. GIS verwendet erdigte Aluminiumlegierungsgehäuse, und unter Betriebsdruck ist der Abstand zwischen internen Leitern oder zwischen Leitern und dem erdigten Gehäuse sehr klein. Aufgrund der hohen Fabrikvorverarbeitung werden kritische Komponenten vormontiert geliefert. Allerdings können Komponentenverschiebungen während des Transports oder die Einführung kleiner Verunreinigungen während der Montage vor Ort die innere elektrische Feldverteilung verzerren. Im Gegensatz zu porzellanisolierten Geräten können selbst kleine Bürsten oder Partikel in GIS-Unterbrechern zu ungewöhnlichen Entladungen oder Durchschlägen führen.

Daher dient die Spannungsstandfestigkeitsprüfung vor Ort als letzte Barriere, um die Leistung und die Montagequalität von GIS zu überprüfen.

Laut Annahmeverfahren beträgt die Prüfspannung vor Ort 80 % der Fabrikprüfspannung. So beträgt beispielsweise für eine 110-kV-GIS die Hauptkreisspannungsstandfestigkeitsprüfspannung 80 % der Fabrikprüfspannung: 230 kV × 80 % = 184 kV, angewendet für 1 Minute. Die Prüfung sollte mindestens 24 Stunden nach der vollständigen Gasfüllung durchgeführt werden. Blitzableiter und Spannungswandler sollten nicht in die Prüfung einbezogen werden. Hochspannungs-Ausgangskabel sollten zusammen mit der GIS geprüft werden, nachdem sie angeschlossen wurden. Vor der Prüfung sollte der Isolationswiderstand gemessen und als zufriedenstellend bestätigt werden.

Prüfverfahren: Spannung mit einer Rate von 3 kV/s auf die Nennbetriebsspannung (63,5 kV) erhöhen, 1–3 Minuten halten, um den Gerätestatus zu beobachten, dann auf 184 kV erhöhen und 1 Minute halten. Dieses Verfahren wiederholen für jede Phase.

GIS, die die Spannungsstandfestigkeitsprüfung bestehen, können in Betrieb genommen werden. Allerdings kann diese Prüfung nicht alle potenziellen Defekte erkennen. Im Betrieb muss GIS nicht nur Netzspannung, sondern auch Blitz- und Schaltüberspannungen standhalten. Die Durchschlagfeldstärke von SF₆-Gas variiert je nach Spannungstyp. Für koaxiale zylindrische Elektroden kann die 50%-Durchschlagspannung von SF₆ empirisch ausgedrückt werden als:

U₅₀ = (AP + B)μd

Wobei:
P — Raumdruck
d — elektrischer Abstand (mm)
μ — Nutzungsfaktor des elektrischen Feldes
A, B — Konstanten, die vom Spannungswellenform abhängen

Daher variiert die Durchschlagspannung je nach Spannungstyp und Polarität. Verschiedene interne Defekte zeigen unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber verschiedenen Spannungswellenformen. Netzwechselspannung ist empfindlich gegenüber Isolationsdurchschlägen, die durch Feuchtigkeit, Verunreinigungen oder Metallpartikel in SF₆ verursacht werden, aber weniger empfindlich gegenüber Oberflächenkratzern oder schlechten Leiteroberflächenzuständen.

Daher können Netzwechselspannungsprüfungen nicht alle internen Defekte erkennen. Die Verbesserung der Prozesskontrollen während der Montage und die Verbesserung der gesamten Montagequalität bleiben die wichtigsten Maßnahmen, um eine sichere GIS-Betriebsfähigkeit zu gewährleisten.

3. Fazit

In diesem Artikel werden die wesentlichen Prozess- und Qualitätskontrollpunkte bei der Montage und Inbetriebnahme von GIS-Geräten vor Ort analysiert. Es wird gezeigt, dass Spannungsstandfestigkeitsprüfungen vor Ort nur teilweise die gesamte Qualität und Montagearbeit der installierten GIS widerspiegeln können. Wichtiger noch, es wird hervorgehoben, dass nur durch strenge Kontrolle jedes Installationsprozesses – sicherstellen, dass alle Vorschriften und Arbeitsanweisungen eingehalten werden – GIS-Geräte von Anfang an sicher und zuverlässig in Betrieb genommen werden können.

Es wird gehofft, dass diese Zusammenfassung als nützlicher Referenz für Kollegen in der Energiesektorkonstruktion dienen kann.