Neueste Entwicklungsrichtungen von Hochspannungsschaltgeräten auf Basis von SF₆-Ersatzgasen

1. Einführung
SF₆ wird in elektrischen Energieübertragungs- und -verteilungssystemen weit verbreitet eingesetzt, wie z.B. in gasisolierten Schaltanlagen (GIS), Schaltgeräten (CB) und Mittelspannungs-Schaltleitern (MV). Es besitzt einzigartige elektrische Isolier- und Bogenlöschfähigkeiten. Allerdings ist SF₆ auch ein starkes Treibhausgas, mit einem globalen Erwärmungspotenzial von etwa 23.500 über einen Zeitraum von 100 Jahren, weshalb sein Einsatz geregelt ist und Gegenstand anhaltender Diskussionen über Einschränkungen ist. Daher wurde in den letzten etwa zwei Jahrzehnten Forschung zu alternativen Gasen für die Energietechnik durchgeführt.

Der "Club Zéro" (CZC) hat kürzlich in Zusammenarbeit mit CIGRE eine Initiative gestartet, um den Stand der Technik von SF₆-Alternativgasen für Schaltanwendungen zu bewerten. Eine Umfrage wurde durchgeführt, um alle verfügbaren aktuellen Literaturquellen zu diesem Thema zu sammeln. Die Ergebnisse wurden auf einer gemeinsamen Sitzung während der CIGRE-Session 2016 präsentiert und diskutiert. Dieser Artikel präsentiert die wichtigsten Ergebnisse dieser Umfrage. Da die Vakuumschalttechnologie eine separate laufende Aktivität darstellt, wird sie in dieser Übersicht nicht behandelt.

2. Alternativgase

Nach der Annahme des Kyoto-Protokolls im Jahr 1997 intensivierte sich die Forschung zu Alternativgasen und hat sich in den letzten zehn Jahren weiter verstärkt. Als Hauptanforderungen an Alternativgase wurden identifiziert: niedriges globales Erwärmungspotenzial (GWP), null Ozonabbau-Potenzial (ODP), geringe Toxizität, Nichtentflammbarkeit, hohe dielctrische Festigkeit, hohe Bogenlösch- und Wärmeabführfähigkeit, chemische Stabilität, Materialverträglichkeit und Markterhältlichkeit.

Unter den verschiedenen untersuchten natürlichen Gasen hat sich CO₂ als das vielversprechendste Bogenlöschgas erwiesen, dessen Leistung durch Additive wie O₂ oder CF₄ potenziell verbessert werden kann. Studien haben jedoch gezeigt, dass sowohl die Unterbrechungs- als auch die Isolierleistung von CO₂ denen von SF₆ unterlegen sind. Andere interessante Kandidaten wurden unter fluorierten Gasen identifiziert, wie CF₃I, hydrofluorierten Olefinen (HFO-1234ze und HFO-1234yf), perfluorierten Ketonen (z.B. C₅F₁₀O), perfluorierten Nitrilen (C₄F₇N), fluorierten Ethern (HFE-245cb2), fluorierten Epoxiden und hydrochlorfluorierten Olefinen (HCFO-1233zd).

Angesichts aller Anforderungen sind die vielversprechendsten aktuellen Kandidaten C₅-Perfluorketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ oder C₅-PFK) und iso-C₄-Perfluornitril ((CF₃)₂CF-CN oder C₄-PFN). Bei reinen Gasen ist die dielctrische Leistung proportional zum Siedepunkt – d.h., Gase mit hoher dielctrischer Festigkeit haben in der Regel auch hohe Siedepunkte. Bei 0,1 MPa betragen die Siedepunkte von C₅-PFK und C₄-PFN 26,5°C und –4,7°C, jeweils. Daher müssen für Schalteinrichtungen, die ausreichend niedrige Siedepunkte zur Erfüllung von Betriebsanforderungen bei niedrigen Temperaturen benötigen, Puffergase hinzugefügt werden. Aufgrund seiner guten Bogenlöschfähigkeit wird CO₂ als Puffergas in Hochspannungsanwendungen ausgewählt. In Mittelspannungsanwendungen wird auch Luft als Puffergas in Kombination mit C₅-PFK für Isolationszwecke verwendet.

3. Eigenschaften von reinen Gasen und Gemischen

Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften ausgewählter Alternativgase im Vergleich zu SF₆. Die GWPs dieser Gase variieren erheblich: C₄-PFN weist ein viel höheres GWP auf als CO₂ oder C₅-PFK, die beide ein GWP von etwa 1 aufweisen. Alle interessanten Kandidatengase sind nicht entflammbar, haben ein Null-ODP und werden nach technischen und Sicherheitsdatenblättern der Chemiehersteller als nicht giftig eingestuft. Die dielctrische Festigkeit von reinem C₄-PFN und C₅-PFK ist fast doppelt so hoch wie die von SF₆. Die dielctrische Spannungsfestigkeit von CO₂ ist vergleichbar mit der von Luft – d.h. signifikant niedriger als die von SF₆.

Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften von reinen Gasen mit SF₆

Tabelle 2 zeigt die Eigenschaften von Gasen und Gasgemischen, wenn sie in Schaltanlagen verwendet werden. Die Konzentrationen von C₄-PFN und C₅-PFK in Gemischen mit Puffergasen sind in der zweiten Spalte angegeben, normalerweise unter 13 % (molare Konzentration). Es ist zu beachten, dass bei der Verwendung von C₅-PFK in CO₂ auch Sauerstoffzusätze gemeldet wurden, da die Anwesenheit von Sauerstoff die Bildung schädlicher Nebenprodukte (wie CO) und fester Nebenprodukte (wie Ruß) reduzieren kann.

Tabelle 2: Eigenschaften/Leistung von reinen Gasen und Gasgemischen in Anwendungen für mittel- und hochspannungs-Schaltanlagen

Aufgrund des reduzierten dielektrischen Festigkeitsvermögens der Mischungen im Vergleich zu SF₆ bei gleichem Druck (Spalte 6) muss der Mindestbetriebsdruck für C₅-PFK und C₄-PFN mit CO₂ als Puffgas in Hochspannungsanwendungen auf etwa 0,7–0,8 MPa erhöht werden. Für Mittelspannungsanwendungen mit Luft/C₅-PFK-Mischungen kann ein Druck von 0,13 MPa gehalten werden, was eine dielektrische Festigkeit nahe an der von SF₆ erreicht.

Die hohe dielektrische Festigkeit, die mit relativ geringen Mischverhältnissen von C₄-PFN oder C₅-PFK erreicht wird, lässt sich durch einen synergistischen Effekt erklären – d.h., die dielektrische Festigkeit steigt nichtlinear mit der Additivkonzentration, ein Phänomen, das bereits in SF₆/N₂-Mischungen beobachtet wurde. Das Treibhauspotenzial (GWP) von C₅-PFK-Mischungen ist vernachlässigbar, aber dies geht mit einem höheren Minimalbetriebstemperatur einher. Niedrigtemperaturanwendungen (z.B. –25°C) können entweder mit reinem CO₂ oder mit CO₂ + C₄-PFN-Mischungen adressiert werden, jedoch mit Kompromissen: erheblich reduzierte dielektrische Festigkeit im Falle von reinem CO₂ oder erheblich höheres GWP bei Verwendung von C₄-PFN-Mischungen.

4. Schaltleistung alternativer Gase
Tabelle 3 fasst vorläufige Informationen zur Schaltleistung von reinem CO₂ und CO₂-basierten Mischungen zusammen, wobei die Leistung von SF₆ zum Vergleich herangezogen wird. Durch die Erhöhung des Betriebsdrucks im Vergleich zu SF₆ kann die kalte dielektrische Festigkeit – z.B. als Maß für die Kapazitätsschaltleistung – auf das Niveau von SF₆ gebracht werden.

Tabelle 3: Vergleich der Schaltleistung von Gasen und Gasgemischen bei erhöhten Betriebsdrücken im Vergleich zu SF₆ in Hochspannungsanwendungen

In der überprüften Literatur konnten nur qualitative Aussagen über die Schaltleistung von C₄-PFN- und C₅-PFK-Gemischen gefunden werden. Für CO₂ sind einige quantitative Vergleiche verfügbar. Im Allgemeinen kann bei reinem CO₂ bei einem erhöhten Fülldruck von etwa 1 MPa eine Isolier- und Kurzschlussleistung (SLF) von etwa zwei Drittel der Leistung von SF₆ erwartet werden.

Durch das Hinzufügen von O₂ zu CO₂ (mit Mischverhältnissen bis zu 30 %) kann eine Verbesserung der SLF-Schaltleistung und eine leichte Steigerung der Dielektrizitätsstärke erwartet werden. Das Hinzufügen von C₄-PFN oder C₅-PFK zu CO₂ ermöglicht eine dielektrische Leistung, die der von SF₆ nahekommt. Studien berichten, dass die SLF-Schaltleistung von CO₂/O₂/C₅-PFK-Gemischen etwa 20 % geringer ist als die von SF₆. Im Gegensatz dazu wird behauptet, dass speziell für CO₂/C₄-PFN-Gemische angepasste Schaltgeräte eine SLF-Leistung erreichen, die mit der von SF₆ vergleichbar ist.

Es gibt jedoch auch Studien, die reines CO₂ direkt mit CO₂/C₄-PFN- und CO₂/C₅-PFK-Gemischen unter identischen geometrischen und Druckbedingungen vergleichen, welche ähnliche Nahebereichs- (thermische) Unterbrechungsleistung sowohl für CO₂ mit als auch ohne Zusätze zeigen. Mit geringfügigen Konstruktionsänderungen oder moderater Entlastung haben die neuen Gemische erfolgreich die IEC-Prüfaufgaben L90 (SLF) und T100 (100 % Endstörung) bestanden, was darauf hindeutet, dass ihre Schaltleistung nicht signifikant schlechter als die von SF₆ ist. Dies wurde auch für die Unterbrechungsfunktion des Schalters nachgewiesen.

Weitere Verbesserungen der Schaltleistung durch spezielle Konstruktionsoptimierungen werden in Zukunft erwartet. Ein wichtiges Problem ist die Toxizität der Gase nach dem Bogen. C₅-PFK und C₄-PFN sind komplexe Moleküle, die bei etwa 650 °C im Fall von C₄-PFN beginnen, sich zu zerlegen. Bei der Zersetzung bilden diese Moleküle nicht wieder ihre ursprünglichen Strukturen, sondern kleinere Fragmente. Eine Zerfallrate von 0,5 mol/MJ wurde für CO₂/O₂/C₅-PFK-Gemische bei der Unterbrechung von Hochströmen gemeldet. Bei partiellen Entladungen wurde beobachtet, dass die Zerfallrate mehr als eine Größenordnung niedriger als der oben genannte Wert ist.

Das Zerfallverhalten dieser neuen Gase ist nicht direkt mit dem von SF₆ vergleichbar, das hauptsächlich aufgrund chemischer Reaktionen mit abgetragenen Kontakten und Düsenmaterialien zersetzt wird. Für die neuen Gase wird die Zersetzung über die Lebensdauer der Ausrüstung nicht als kritisches Problem angesehen, aber die Gasconzentration innerhalb der Ausrüstung sollte überwacht oder regelmäßig geprüft werden. Die giftigsten Zerfallsprodukte in Hochdruckanwendungen (d. h. Gemische mit CO₂) sind CO und HF. Die Nebenprodukte der Bögen dieser Gemische gelten als gleich oder weniger toxisch als die durch den Bogen zergliederte SF₆. Daher werden ähnliche Handhabungsverfahren wie für bogenexponierte SF₆ empfohlen.

Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass die obigen Aussagen auf begrenztem Wissen über die Toxizität dieser neuen Gase basieren. Es ist mehr Erfahrung nötig, um die Toxizität nach dem Bogen potenzieller SF₆-Alternativen besser zu verstehen. Andere gemeldete Bedenken betreffen Materialverträglichkeit (z. B. Auswirkungen auf Dichtungen und Fette), die Dichtheit der Gase und die Verfahren zur Gasbehandlung. Folglich darf nicht erwartet werden, dass vorhandene Hochspannungsgeräte ohne entsprechende Konstruktions- oder Materialänderungen sicher mit diesen neuen Gasen arbeiten können.

Interne Bogenprüfungen wurden mit allen Gemischen durchgeführt, und es wurden keine schwerwiegenden Probleme gemeldet. Die thermische Leitfähigkeit der Gemische ist leicht geringer als die von SF₆, was moderate Entlastungen oder Konstruktionsanpassungen für die Stromtragfähigkeit erforderlich machen könnte. CO₂-Live-Tank-Schaltgeräte haben bereits Felderfahrungen gesammelt, deren Einsatz vor einigen Jahren begonnen hat, und CO₂-gefüllte Schaltgeräte sind nun kommerziell verfügbar.

Hoch- und mittelspannungspilotanlagen mit C₅-PFK-Gemischen laufen seit 2015 erfolgreich in der Schweiz und Deutschland. Pilotprojekte mit CO₂/C₄-PFN-Gemischen sind in mehreren europäischen Ländern geplant oder in Arbeit, darunter eine 145-kV-Innenraum-GIS in der Schweiz, ein 245-kV-Außenstromwandler in Deutschland und Außen-420-kV-GIL-Systeme im Vereinigten Königreich und in Schottland.

5. Schlussfolgerungen und Ausblick
Veröffentlichte Informationen über alternative Gase zu SF₆ für Schaltanwendungen wurden überprüft. In der aktuellen Phase ist diese Forschung noch in ihren Anfängen und weitaus weniger umfangreich als das jahrzehntelange Werk an SF₆. Verfügbare Herstellerdaten deuten darauf hin, dass neue Gase wie C₅-PFK und C₄-PFN, wenn sie mit CO₂ als Puffergas gemischt werden, teilweise die Leistung von SF₆ erreichen können, obwohl sie möglicherweise nicht alle Fähigkeiten von SF₆ vollständig replizieren können.

Kernunterschiede liegen in der Isolier- und Unterbrechungsleistung sowie im Siedepunkt, der die minimale vorgeschriebene Betriebstemperatur der Schaltanlage bestimmt. Eine niedrige minimale Betriebstemperatur (z. B. –50 °C) kann mit reinem CO₂ erreicht werden. CO₂ zeigt jedoch im Allgemeinen eine geringere Unterbrechungsleistung, insbesondere in Bezug auf die Wiederstandsfähigkeit gegenüber Spitzenrückführspannung und Unterbrechungsfähigkeit, im Vergleich zu Gasgemischen, die C₄-PFN oder C₅-PFK enthalten.

Ein Vorteil von CO₂/C₅-PFK-Gemischen gegenüber CO₂/C₄-PFN-Gemischen ist ihr vernachlässigbares Treibhauspotenzial (ca. 1 vs. 427/600 für C₄-PFN). Im Gegenzug bieten CO₂/C₄-PFN-Gemische eine niedrigere minimale Betriebstemperatur (ca. –25 °C) im Vergleich zu CO₂/C₅-PFK-Gemischen (ca. –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vakuumschalter

Beschreibung:

Die 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV und 245kV Dead tank Vakuumschalter sind wesentliche Schutzvorrichtungen für Hochspannungssysteme. Sie verwenden Vakuum als Bogenlösch- und Isolationsmedium und verfügen über ausgezeichnete Bogenlöscheigenschaften, um Fehlerströme schnell zu unterbrechen und die Wiederentzündung des Bogens effektiv zu verhindern, um den stabilen Betrieb des Energiesystems sicherzustellen. Das Dead-tank-Design bietet einen kompakten Fußabdruck und robuste mechanische Stabilität, was die Installation und Wartung erleichtert. Mit hochzuverlässigen Federbetriebsmechanismen ausgestattet, haben diese Schalter eine mechanische Lebensdauer von über 10.000 Betriebsvorgängen und bieten schnelle und präzise Reaktionen. Mit ausgezeichneter Umweltanpassungsfähigkeit können sie unter harten Außenbedingungen stabil arbeiten. Sie finden weite Anwendung in Umspannwerken, Stromleitungen und anderen Szenarien, um effiziente und sichere Energieumschaltsteuerung und zuverlässigen Schutz auf verschiedenen Spannungsebenen zu gewährleisten.

Einführung der Hauptfunktionen:

• Effektive Bogenlöschung: Verwendet Vakuum für schnelle und zuverlässige Bogenunterdrückung, um eine Wiederentzündung zu verhindern.

• Weiter Spannungsbereich: Verfügbar in den Nennwerten 40,5 kV, 72,5 kV, 145 kV, 170 kV und 245 kV für vielseitige Netzanwendungen.

• Robustes Dead-Tank-Design: Kompakte Struktur gewährleistet mechanische Stabilität und vereinfacht die Installation/Wartung.

• Zuverlässiger Betrieb: Federbasiertes Betriebsmechanismus mit über 10.000 mechanischen Ausdauerzyklen.

• Verbesserte Abdichtung: Doppelschalig abgedichtetes Flanschdesign bietet wasserdichte und gasdichte Schutz, ideal für den Außenbereich.