Kurze Geschichte der Vergangenheit und Gegenwart von Hochspannungs-Vakuumschaltern

Hochspannungsvakuumschaltkreise: Eine Übersicht

Einführung

Hochspannungsvakuumschaltkreise (HV VCBs) haben sich als eine praktikable Alternative zu traditionellen SF6-Gas-isolierten Schaltkreisen etabliert, insbesondere in Anwendungen, bei denen häufiges Schalten und niedrigere Wartungskosten entscheidend sind. Seit 2014 werden HV VCBs zunehmend als Alternative zu Hochspannungsgasschaltkreisen eingesetzt und bieten eine grünere und nachhaltigere Lösung, indem der Einsatz von SF6, einem starken Treibhausgas, eliminiert wird.

Vakuumschaltanlagen werden seit über drei Jahrzehnten in Verteilungssystemen umfassend eingesetzt, hauptsächlich zum Schalten von Störströmen und zur Lastumstellung verschiedener Arten. Die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit der Vakuumschaltschalter-Technologie im mittleren Spannungsbereich (bis 52 kV) waren außergewöhnlich, was zu ihrer Dominanz in Verteilungssystemen führte. Bemühungen, die Vakuumschaltschalter-Technologie auf Übertragungsspannungen auszudehnen, begannen bereits in den 1960er Jahren, mit bedeutenden Meilensteinen um 1980, als die ersten Hochspannungsvakuumschaltkreise in Japan installiert wurden. Bis 2010 waren etwa 10.000 HV VCBs in Betrieb, hauptsächlich in industriellen Anwendungen, aber auch in Versorgungsanwendungen. Die Präferenz für Vakuumschaltschalter-Technologie gegenüber SF6 wurde durch deren Fähigkeit, häufige Schaltvorgänge zu bewältigen und geringere Wartungsanforderungen, getrieben.

In den USA werden Vakuumschalter für Kondensatorbänke seit mehreren Jahrzehnten bei Spannungen bis 242 kV eingesetzt. Um 2008 zielten intensive Forschungs- und Entwicklungsprogramme in China und Europa darauf ab, HV VCBs zu entwickeln, mit dem Fokus darauf, den Einsatz von SF6 zu reduzieren oder zu eliminieren. Dies führte zur Einführung von Produkten, die bei Spannungen bis 145 kV betriebsfähig sind. In China wird erwartet, dass die schnelle Einführung von HV VCBs in kommerziellen Anwendungen fortgesetzt wird, wobei bereits Hunderte von Geräten bei Spannungen bis 126 kV in Betrieb sind. In Europa laufen Feldtests, um die Leistung typgeprüfter Geräte vor ihrem Markteintritt zu validieren.

Technologie und Design

Alle HV VCB-Produkte basieren auf der gut etablierten Mittelspannungs-Vakuumschaltschalter-Technologie, die im Laufe der Jahre verfeinert wurde. Es waren keine grundlegend neuen technischen Merkmale erforderlich, um diese Technologie auf höhere Spannungsebenen auszudehnen. Die Haupt Herausforderung besteht darin, die Geometrie des Unterbrechers so zu skalieren, dass sie die höheren Spannungsstufen bewältigen kann. So müssen beispielsweise Durchmesser und Kontaktabstandslänge erhöht werden, um Spannungen über 52 kV zu handhaben. In einigen Fällen, bei Spannungen über 126 kV, werden zwei Vakuumschaltgase in Serie verwendet, um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen.

Betriebliche Merkmale

• Handhabung normaler Ströme: Bei normalen Strömen bis 2.500 A gibt es keine signifikanten Unterschiede zwischen HV VCBs und SF6-Schaltkreisen. Das Erreichen höherer Stromstärken (über 2.500 A) bei HV VCBs ist jedoch aufgrund der Wärmeerzeugung durch die Kontaktaufbau und der begrenzten Wärmeübertragungsfähigkeit des Unterbrechers herausfordernd.

• Überwachung: Es ist einfacher, die Qualität des Unterbrechungsmediums in SF6-Schaltkreisen zu überwachen, da der Vakuumgrad in HV VCBs während des Betriebs praktisch nicht überwacht werden kann.

• Schaltoperationen: HV VCBs können verglichen mit SF6-Schaltkreisen eine größere Anzahl von Schaltoperationen ausführen, dank der besseren Standfestigkeit des Vakuumschaltsystems gegenüber Bogenentladungen. Dies macht Vakuumschaltschalter-Technologie besonders attraktiv für Anwendungen, die häufiges Schalten erfordern, wie tägliche Operationen.

• Antriebsenergie: Bei einer typischen Nennspannung von 72,5 kV beträgt die Antriebsenergie, die für einen Vakuumschaltkreis erforderlich ist, deutlich weniger - etwa 20% derjenigen, die für einen gleichwertigen SF6-Schaltkreis erforderlich ist. Die physischen Abmessungen der beiden Gerätetypen sind vergleichbar.

• Konfiguration des Unterbrechers: Über 145 kV hinweg können HV VCBs mehr als einen Unterbrecher in Serie erfordern, während SF6-Technologie erfolgreich Einbruchschaltkreise bis 550 kV seit 1994 implementiert hat, die in vielen Ländern weit verbreitet sind.

• Bogenmerkmale: Die Bogenspannung in HV VCBs ist viel geringer als in SF6-Schaltkreisen, typischerweise im Bereich von Zehnerpotenzen Volt im Vergleich zu Hunderterpotenzen Volt in SF6. Darüber hinaus ist die Dauer des Bogens während des Fehlerstellens kürzer in Vakuumschaltanlagen, mit einer Mindestbogendauer von 5-7 ms im Vergleich zu 10-15 ms für SF6-Schaltkreise. Dies führt zu einer höheren Anzahl möglicher Schaltoperationen für HV VCBs.

• Röntgenstrahlung: HV VCBs mit Nennspannungen bis 145 kV emittieren Röntgenstrahlen innerhalb des standardisierten Grenzwerts von 5 µSv/h unter normalen Betriebsbedingungen. SF6-Schaltkreise emittieren keine Röntgenstrahlen.

Elektrische Merkmale

• Unterbrechung von Fehlerströmen: HV VCBs zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, Fehlerströme mit sehr steilen Steigerungsraten der transitorischen Wiederherstellspannung (TRV) zu unterbrechen, aufgrund ihrer schnellen dielektrischen Wiederherstellung, die schneller ist als bei SF6-Schaltkreisen.

• Zerschlagstatistik: Obwohl Vakuumschaltgase theoretisch sehr hohe Zerschlagspannungen haben, besteht eine kleine Wahrscheinlichkeit für Zerschläge bei relativ moderaten Spannungen. Vakuumschaltgase können auch spontane späte Zerschläge erleben, die bis zu mehrere hundert Millisekunden nach der Stromunterbrechung auftreten. Die Folgen solcher Ereignisse sind jedoch begrenzt, da das Vakuumschaltgase sofort seine Isolation wiederherstellt. Die systemtechnischen Implikationen von späten Zerschlägen sind noch nicht vollständig verstanden.

• Schalten induktiver Lasten: In Anwendungen mit induktiven Lasten, wie dem Schalten von Parallelschwingkreisen, neigen HV VCBs dazu, eine höhere Anzahl von wiederholten Neuanzündungen an einem Netzwerkkreisstromnullpunkt zu erfahren. Dies liegt an der Fähigkeit des Vakuums, hochfrequente Ströme, die nach der Neuanzündung folgen, zu unterbrechen. Die Auswirkungen dieser Neuanzündungstransienten auf wechselwirkende Geräte, wie RC-Dämpfer und Metalloxid-Blitzableiter, werden derzeit untersucht.

• Schalten von Kondensatorbänken: Beim Schalten von Kondensatorbänken ist es entscheidend, sehr hohe Einschaltströme zu vermeiden, da diese die dielektrischen Eigenschaften des Kontaktsystems durch Vorstriche beeinträchtigen können. Diese Herausforderung gilt sowohl für HV VCBs als auch für SF6-Schaltkreise. Minderungsstrategien umfassen die Verwendung von Serienreaktoren oder kontrolliertem Schalten, obwohl es hierfür für HV VCBs begrenzte Felderfahrungen gibt.

Zukunftsprospekte und Marktwahrnehmung

Eine Umfrage unter Nutzern von Hochspannungsschaltanlagen ergab, dass das Fehlen von SF6 als primärer Vorteil der Vakuumschaltschalter-Technologie angesehen wird, vorausgesetzt, dass die externe Isolierung ebenfalls frei von SF6 ist. Allerdings bleibt der Mangel an umfangreicher Diensterfahrung auf Übertragungsspannungsebenen ein wesentlicher Hemmschuh für die weite Verbreitung von HV VCBs. Trotzdem treiben die Umweltvorteile und betrieblichen Vorteile der Vakuumschaltschalter-Technologie weiterhin Interesse und Entwicklung in diesem Bereich an.

Potenzielle Nutzer von Hochspannungsvakuumschaltkreisen (HV VCBs) heben häufig Bedenken hinsichtlich der Erzeugung von Überspannungen aufgrund des Stromabschnitts und der Möglichkeit der Röntgenstrahlungsemissionen während der Schaltoperationen hervor. Diese Fragen sind entscheidend für die sichere und zuverlässige Funktion von HV VCBs, insbesondere, da sie zunehmend für Übertragungsspannungsanwendungen in Betracht gezogen werden.

Röntgenstrahlungsemission

Für Einbruchgeräte bleiben die Röntgenstrahlungsemissionen von HV VCBs mit Nennspannungen bis einschließlich 145 kV unter normalen Betriebsbedingungen deutlich unter dem standardisierten Grenzwert von 5 µSv/h. Mehrbruchgeräte zeigen sogar noch geringere Röntgenstrahlungsemissionen. Dies ist eine wichtige Erwägung für die Einhaltung von Vorschriften und Sicherheit, da es sicherstellt, dass HV VCBs ohne signifikante Strahlungsrisiken für Personen oder die Umwelt eingesetzt werden können.

Pilotprojekte

Ein großer Teil der Befragten äußerte ein starkes Interesse an der Initiierung von Pilotprojekten, um praktische Erfahrungen mit HV VCB-Technologie zu sammeln. Solche Projekte würden es Versorgungsunternehmen und Systembetreibern ermöglichen, die Leistung, Zuverlässigkeit und betrieblichen Merkmale von HV VCBs unter realen Bedingungen zu bewerten. Fest erdete Netze werden für diese Pilotprojekte empfohlen, da die Netzbedingungen in Mittelspannungssystemen nicht immer vergleichbar mit denen in Übertragungsspannungssystemen sind, insbesondere in Bezug auf Erdungsbedingungen. Dieser Ansatz hilft dabei, sicherzustellen, dass die gewonnenen Erfahrungen relevant und anwendbar für Übertragungsebene sind.

Standardisierung

Der aktuelle IEC-Schaltkreisstandard, IEC 62271-100, legt einen starken Fokus auf SF6-Schaltschalter-Technologie, was möglicherweise die einzigartigen Merkmale und Herausforderungen der Vakuumschaltschalter-Technologie nicht vollständig abdeckt. Zum Beispiel könnten Prüfaufgaben, die für SF6 herausfordernd sind, wie Kurzleitungsfehlertest, für Vakuumschaltschalter-Technologie nicht so kritisch sein. Andererseits könnte die Anwendung stetiger Wiederherstellspannung in synthetischen Tests, die für SF6 weniger relevant sind, für die Demonstration des Fehlens später Zerschläge in Vakuumschaltschaltern wichtiger sein. Mit zunehmender Akzeptanz von HV VCBs könnte es notwendig sein, bestehende Standards zu überarbeiten oder zu ergänzen, um die Vakuumschaltschalter-Technologie besser abzudecken.

Technische Implikationen eines SF6-freien Designs

Wenn SF6 als externes Isolationsmedium fehlt, müssen andere technische Implikationen berücksichtigt werden. Beispielsweise könnten alternative Isoliermethoden höhere Drücke, erhöhte Gewichte, größere Fußabdrücke oder andere Designüberlegungen erfordern, um eine ausreichende Isolierleistung sicherzustellen. Hersteller erforschen aktiv diese Alternativen, um lebensfähige Ersatzlösungen für SF6 zu entwickeln, aber bis eine neue Technologie gefunden wird, die alle Spannungsebenen abdeckt, wird SF6 für bestimmte Übertragungsnetzanwendungen wahrscheinlich weiterhin unerlässlich sein.

Herstellerengagement

Hersteller sind engagiert, industriell verwendbare Alternativen zur SF6-Technologie zu entwickeln und anzubieten. Obwohl SF6 aufgrund seiner ausgezeichneten dielektrischen Eigenschaften lange Zeit das dominierende Isoliergas für Hochspannungsanwendungen war, haben die Umweltbedenken, insbesondere sein hohes globales Erwärmungspotential, die Suche nach grüneren Lösungen angetrieben. HV VCBs stellen eine solche Lösung dar, die eine nachhaltige Alternative für Anwendungen bietet, bei denen häufiges Schalten und geringere Wartung erforderlich sind. Der Übergang weg von SF6 wird jedoch schrittweise erfolgen, da Hersteller weiterhin innovieren und neue Technologien verfeinern, um den vielfältigen Bedürfnissen der Energiewirtschaft gerecht zu werden.