LTB vs. DTB vs. GIS: Vergleich von Hochspannungsschaltgeräten

Die grundlegende Bedeutung eines Hochspannungsschalters ist, einfach ausgedrückt, dass er unter normalen Bedingungen verwendet wird, um Schaltkreise, Leitungen oder bestimmte Lasten - wie die an Transformatoren oder Kondensatorenbänke angeschlossenen - zu trennen (unterbrechen, abschalten) und zu schließen (schließen, wiederzuschließen). Wenn ein Fehler im Stromnetz auftritt, aktivieren Schutzrelais den Schalter, um entweder die Laststrom- oder Kurzschlussströme zu unterbrechen, wodurch der sichere Betrieb des Stromnetzes gewährleistet wird. 

Ein Hochspannungsschalter ist eine Art von Hochspannungs-Schaltgerät - auch häufig als "Hochspannungsschalter" bezeichnet - und gehört zu den wichtigsten Geräten in einer Umspannanlage. Aufgrund der strengen Sicherheitsanforderungen an Hochspannungsumspannanlagen können jedoch in der Regel keine Personen die Anlage betreten, um sich diesen Geräten zu nähern oder sie physisch zu berühren. Im Alltag sieht man in der Regel nur aus der Ferne Hochspannungsübertragungsleitungen und hat selten Gelegenheit, solche Schalter zu beobachten oder zu berühren.

Wie sieht also ein Hochspannungsschalter tatsächlich aus? Heute werden wir kurz über die gängigen Klassifizierungen und Strukturtypen von Schaltern sprechen. Anders als bei den Niederspannungsschaltern, mit denen wir im täglichen Leben konfrontiert sind, die in der Regel nur Luft als Bögenlöschmedium verwenden, verlangen Hochspannungsschalter extrem hohe Leistung in Bezug auf Isolation und Bögenunterbrechung und erfordern daher spezielle Bögenlöschmedien, um elektrische Sicherheit, Isolationsintegrität und effektive Bögenunterdrückung sicherzustellen. (Für weitere Details zu Isoliermedien siehe bitte unsere kommenden Artikel.)

Es gibt zwei Hauptklassifizierungsmethoden für Hochspannungsschalter:

1. Klassifizierung nach dem Bögenlöschmedium:

(1) Ölschalter: Weiter unterteilt in Massenöl- und Mindestöl-Typen. In beiden Fällen öffnen und schließen die Kontakte im Öl, wobei Transformatoröl als Bögenlöschmedium verwendet wird. Wegen ihrer begrenzten Leistungsfähigkeit wurden diese Typen weitgehend ausgemustert.

(2) SF₆- oder umweltfreundliche Gasschalter: Verwenden Schwefelhexafluorid (SF₆) oder andere umweltfreundliche Gase sowohl als Isolier- als auch als Bögenlöschmittel.

(3) Vakuumschalter: Die Kontakte öffnen und schließen im Vakuum, wobei die Bögenunterdrückung unter Vakuumbedingungen erfolgt.

(4) Feststoff-Bögenlöschschalter: Verwenden feste Bögenlöschmaterialien, die bei hohen Temperaturen zerfallen und dabei Gas erzeugen, um die Bögen zu löschen.

(5) Druckluft-Schalter: Verwenden Hochdruckkomprimierte Luft, um die Bögen auszublasen.

(6) Magnetblow-Schalter: Verwenden ein Magnetfeld in Luft, um die Bögen in einen Bögenkanal zu treiben, wo sie gedehnt, abgekühlt und gelöscht werden.

Heutzutage verwenden Hochspannungsschalter hauptsächlich Gase - wie SF₆ oder umweltfreundliche Alternativen - sowohl als Isolier- als auch als Bögenlöschmittel. Im mittleren Spannungsbereich dominieren Vakuumschalter den Markt. Die Vakuumentechnologie wurde sogar bis zu Spannungsebenen von 66 kV und 110 kV ausgedehnt, wo Vakuumschalter bereits entwickelt und eingesetzt wurden.

2. Klassifizierung nach Installationsort:

Innentyp und Außentyp.

Darüber hinaus können Hochspannungsschalter basierend auf der Isolierungsmethode gegenüber Erde in drei Strukturtypen unterteilt werden:

1) Live-Tank-Schalter (LTB):
Auch einfach als LTB bezeichnet. Definitionsgemäß handelt es sich dabei um einen Schalter, dessen Unterbrecherkammer in einem Gehäuse untergebracht ist, das gegen Erde isoliert ist. Strukturell zeichnet er sich durch ein Pfostenisolator-Design aus. Der Unterbrecher befindet sich bei hohem Potential, ist in einer Porzellan- oder Verbundisolatorhülle untergebracht und durch Stützisolatoren gegen Erde isoliert.

Wesentliche Vorteile: Durch die Reihenschaltung mehrerer Unterbrecher und die Erhöhung der Höhe der Stützisolatoren können höhere Spannungsniveaus erreicht werden. Es ist auch relativ kostengünstig.

Auf Basis von LTB gebautes Gerät bildet Luftisolierte Schaltanlagen (AIS), und Umspannanlagen, die mit AIS errichtet werden, werden als AIS-Umspannanlagen bezeichnet. Diese bieten niedrige Investitionskosten und einfache Wartung, benötigen jedoch große Flächen und häufige Wartung. Sie eignen sich gut für ländliche oder bergige Gebiete, wo Platz reichlich vorhanden ist, die Umweltbedingungen günstig sind und Budgets begrenzt sind.

2) Dead-Tank-Schalter (DTB):
Auch abgekürzt als DTB. Definiert als Schalter, bei dem die Unterbrecherkammer in einem geerdeten Metalltank untergebracht ist. Der leitfähige Weg wird durch Isolierstutzen geführt.

Der wesentliche Unterschied zwischen LTB und DTB liegt in der Erdung: beim DTB ist der Tank auf Erdpotential.

Vorteile umfassen die Möglichkeit, Stromwandler (CTs) direkt auf den Isolierstutzen zu integrieren, kompakte Struktur, deutlich reduzierten Flächenverbrauch im Vergleich zum LTB, bessere Umweltresistenz (geeignet für harte Bedingungen) und niedrigeres Schwerpunkt - was zu besserer seismischer Leistung führt. Der Hauptnachteil ist der höhere Kostenfaktor.

Schaltanlagen auf Basis von DTB werden als Hybrid-Gas-isolierte Schaltanlagen (HGIS) bezeichnet, und die resultierende Umspannanlage wird als HGIS-Umspannanlage bezeichnet.

3) Vollständig geschlossene kombinierte Struktur - Gas-isolierte Metallschaltanlagen, allgemein als GIS (Gas-isolierte Schaltanlagen) in Hochspannungsanwendungen bezeichnet. Dieser Begriff umfasst breit solche Ausrüstung. Der Schalterkomponente selbst kann auch spezifisch als GCB (Gas-isolierter Schalter) bezeichnet werden.

Ähnlich wie beim DTB, da der Unterbrecher eingehüllt ist, unterscheidet sich GIS dadurch, dass nicht nur der Schalter, sondern auch andere wesentliche Umspannungsanlagenteile - einschließlich Trennschalter, Erdungsschalter, Instrumententransformatoren, Überspannungsschutzgeräte und Busleiter - in einem geerdeten Metallgehäuse versiegelt und mit druckbeaufschlagtem SF₆ (oder alternativem Isoliergas) gefüllt sind. Verbindungen zu externen Freileitungen erfolgen über Isolierstutzen oder dedizierte Gasgefäße.

Umspannanlagen, die auf diese Weise gebaut werden, werden als GIS-Umspannanlagen (oder Gas-isolierte Umspannanlagen gemäß IEEE-Normen) bezeichnet. GIS ist ideal für städtische Gebiete, wo Grundstücke teuer sind, oder für kritische Einrichtungen wie große Wasserkraft- oder Kernkraftwerke, die höchste Zuverlässigkeit erfordern.

Bis jetzt sollten die Unterschiede zwischen den Hochspannungsschaltertypen - LTB, DTB, GCB - und den entsprechenden Umspannungsanlagenkonfigurationen - AIS, HGIS, GIS - klar sein.