Die aktuelle Situation und Entwicklungstrend von Hochspannungs-SF6-Schaltgeräten

Hochspannungsschaltgeräte, auch bekannt als Hochspannungsleitungen, verfügen über ausreichende Unterbrechungs- und Bögenlöschfähigkeiten. Sie können nicht nur Leerlauf- und Lastströme in Hochspannungsschaltkreisen unterbrechen und schließen, sondern können im Falle eines Systemfehlers auch mit Schutz- und Automatikgeräten zusammenarbeiten, um den Fehlerstrom schnell zu unterbrechen, den Ausfallbereich zu verringern und die Ausweitung des Unfalls zu verhindern. Dies ist von großer Bedeutung für die sichere Betriebsführung des Stromnetzes.

Hochspannungsschaltgeräte haben sich von Ölschaltgeräten, Druckluftschnellschaltern, Vakuumschaltgeräten bis hin zu SF₆-Schaltgeräten entwickelt. Dabei sind die ersten beiden Arten allmählich aus dem Einsatz verschwunden, und SF₆-Schaltgeräte werden häufiger angewendet als die letzten beiden. SF₆-Schaltgeräte wurden in den frühen 1970er Jahren weit verbreitet. Sie verwenden Schwefelhexafluorid als Bögenlöschmedium. Diese Art von Schaltgerät hat eine hohe Unterbrechungskapazität. Bei freier Unterbrechung beträgt ihre Unterbrechungskapazität etwa das Zehnfache der anderer Schaltgeräte. Sie spielen eine entscheidende Rolle für den stabilen und sicheren Betrieb des Stromnetzes und haben auch große wirtschaftliche und soziale Vorteile.

1. Leistung von SF₆-Schaltgeräten

SF₆-Schaltgeräte sind öllose Schaltelemente, die SF₆-Gas sowohl als Isolations- als auch als Bögenlöschmedium verwenden. Ihre Isolationsleistung und Bögenlöschcharakteristika sind signifikant höher als die von Ölschaltgeräten. Schwefelhexafluorid-Schaltgeräte haben die folgenden Eigenschaften:

• Starke Bögenlöschfähigkeit, hohe Dielektrizitätsstärke und hoher Spannungswiderstand des Einzelbruches. Dadurch wird bei gleicher Nennspannung die Anzahl der notwendigen Serienbrüche reduziert, was die Wirtschaftlichkeit des Produkts verbessert.

• Lange elektrische Lebensdauer. Es kann 19-mal hintereinander bei voller Kapazität von 50kA unterbrechen, und der kumulative Unterbrechungsstrom kann 4200kA erreichen. Der Wartungszyklus ist lang, und es eignet sich für häufige Betriebsvorgänge.

• Gute Unterbrechungsleistung. Aufgrund der Elektronegativität von SF₆-Gas hat es eine starke Fähigkeit, freie Elektronen anzulocken. Der in SF₆ gebildete Bogen fördert die Bildung der "Bogensäulenstruktur" (Bogenkern und Bogenumhüllung). Die Diffusion des ionisierten Plasmas wird eingeschränkt, was eine effektive Ionenrecombination ermöglicht. Der Unterbrechungsstrom ist groß, erreicht 80-100kA, und sogar 200kA. Die Bögenlöschtzeit ist kurz, meist 5-15ms. Gleichzeitig ist die Unterbrechungsleistung für Phasenunterbrechung, nahegelegene Störungen, entlastete lange Leitungen und Transformatoren ohne Last ebenfalls gut.

• Hohe Isolationsleistung. Die Isolationsstärke von SF₆ ist etwa 5-10 Mal so hoch wie die von Luft.

• SF₆-Gas ist farblos, geruchlos, ungiftig, nicht brennbar und ein sehr stabiles Gas, das sich nicht leicht mit anderen Stoffen reagiert. Darüber hinaus ist der durch die Bogenheizung verursachte Druckanstieg beim Öffnen des Schalters extrem gering, was eine zuverlässige Betriebsführung gewährleistet und Explosionen verhindert.

2. Entwicklung von Hochspannungsschaltgeräten mit SF₆
2.1 Doppeldruck-SF₆-Schaltgeräte

Innerhalb des Schalters sind zwei SF₆-Gassysteme (Hochdrucksystem und Niederdrucksystem) eingebaut. Nur während des Öffnungsprozesses fließt das Hochdruckfach durch die Steuerung des Blasventils in das Niederdruckfach, um einen Hochdruckgasstrom zu bilden. Nach Abschluss der Unterbrechung wird das Blasventil geschlossen. Das Prinzip des Bögenlöschraums besteht darin, dass zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckfach ein Gaskompressor und Rohre verbunden sind. Wenn der Gasdruck im Hochdruckfach sinkt oder der Gasdruck im Niederdruckfach einen bestimmten Grenzwert erreicht, startet der Gaskompressor, um das SF₆-Gas im Niederdruckfach in das Hochdruckfach zu pumpen, wodurch ein automatisches geschlossenes Gassystem entsteht.

2.2 Eindruck-SF₆-Schaltgeräte

Die Eindruckstruktur ist einfach und kann auf eine weite Temperaturbandbreite angepasst werden. Die Gasverdichtung hat auch einen Entwicklungsprozess durchlaufen: Was das Bogenblasen betrifft, hat die erste Generation der Eindrucktypen eine Einblasstruktur, mit einem kleinen Unterbrechungsstrom (normalerweise 31,5kA) und einer niedrigen Bruchspannung (normalerweise 170kV). Die zweite Generation der Eindrucktypen hat eine Zweiblasstruktur, wobei der Unterbrechungsstrom auf (40-50kA) erhöht wurde, und die Bruchspannung bleibt weiterhin niedrig. Normalerweise haben 252kV-Produkte doppelte Brüche. Die dritte Generation der Eindrucktypen hat eine Zweiblasstruktur, ergänzt durch einen thermischen Ausdehnungseffekt (hybride Bögenlöschung). Der Unterbrechungsstrom ist groß, erhöht auf 63kA, und die Bruchspannung ist hoch. Ein einzelner Bruch kann 252kV, 363kV, 420kV und sogar 550kV erreichen.

Die Entwicklung des Eindrucktyps, vom Standpunkt des Bögenlöschraums aus, hat eine kleinere Gasverdichtungspistole verwendet. Die Vorteile, die durch die Reduzierung der Pistole im Bögenlöschraum gebracht werden, sind wie folgt:

• Die Masse des gesamten Bewegungssystems während des Unterbrechungsprozesses des Produkts wird reduziert.

• Die Betriebsleistung des Produkts wird reduziert.

• Das Puffern des Produkts wird einfacher, und die mechanische Lebensdauer ist lang.

2.3 Selbstenergie-SF₆-Schaltgeräte

Selbstenergie-SF₆-Schaltgeräte haben zwei Bögenlöschprinzipien: das thermische Ausdehnungsprinzip und das Bogenrotationsprinzip. Derzeit nutzen die meisten Selbstenergieschaltgeräte das thermische Ausdehnungsprinzip. Das Selbstenergieprinzip besteht darin, die Bogenenergie zu nutzen, um das SF₆-Gas im Ausdehnungsraum zu erhitzen, Druck aufzubauen, einen Gasstrom zu bilden und den Bogen zu löschen. Allerdings, wenn kleine Ströme unterbrochen werden, bedarf es aufgrund der geringen Bogenenergie einer kleinen Pistole, um das Gas zu komprimieren und eine Hilfsblase zu bilden. Aufgrund der signifikanten Reduzierung der Betriebsleistung kann eine Federbetätigung mit einfacher Struktur verwendet werden. Der thermische Ausdehnungstyp hat sich jetzt zur zweiten Generation entwickelt. Die erste Generation erreicht die Wirkung, die Betriebsleistung zu reduzieren, indem die erforderliche Gasverdichtungsenergie zur Bögenlöschung reduziert wird. Der Durchmesser der Gasverdichtungspistole ist nach dem Unterbrechen von 30 % des maximalen Fehlerstroms konzipiert, und die Bewegungsmasse ist ebenfalls klein, was die Betriebsleistung reduziert. Die zweite Generation verbessert die thermische Ausdehnungswirkung und die Unterbrechungsleistung weiter, nicht nur die Unterbrechung von Kondensatorströmen, sondern auch die weitere Reduzierung der Betriebsleistung.

2.4 Intelligente SF₆-Schaltgeräte

Ein weiteres Merkmal moderner Hochspannungsschaltgeräte ist ihre Intelligenz, die von traditionellen elektromechanischen Systemen zu modernen intelligenten Systemen um Computern herum entwickelt wurde. Aktuell umfasst der Online-Detektionsinhalt von Hochspannungsschaltgeräten folgende Punkte:

• SF₆-Gas;

• Betriebsmechaniksystem;

• Freigabe;

• Steuer- und Hilfskreise;

• Energieübertragungskette.

Durch diese Detektionen können mehr als 90 % der Fehler entdeckt werden. Die Online-Detektion kann die regelmäßige Wartung von Schaltgeräten in eine Echtzeit-Zustandswartung ändern.

3. Porzellansäulen- und Behältertypen von SF₆-Schaltgeräten und deren Anwendungen

China setzte erstmals 1970 SF₆-Schaltgeräte ein, als die Nordost-Elektrizitätsverwaltung drei H-912-Typ 220KV Doppeldruck-Porzellansäulen-SF₆-Schaltgeräte, die von Siemens im Ausland produziert wurden, importierte und sie im HuShitai-Haupttransformatorwerk in Shenyang installierte. Sie arbeiten noch heute gut.

Hochspannungsschwefelhexafluoridschaltgeräte werden nach ihrer Struktur in Porzellansäulen- und Behältertypen unterteilt. Beim Vergleich der beiden haben sie jeweils ihre eigenen Merkmale:

• Sowohl Porzellansäulen- als auch Behältertypen von Hochspannungsschaltgeräten mit SF₆ können die Anforderungen an hohe Spannungen und große Kapazitäten erfüllen. Der Bögenlöschraum des Porzellansäulentyps ist auf einem isolierenden Träger montiert. Indem die Bögenlöschräume in Reihe geschaltet und auf einem isolierenden Träger in passender Höhe montiert werden, kann jeder Nennspannungswert erreicht werden. Der isolierende Träger ist in der Regel eine Porzellansäule, und organische Verbundträger sind ebenfalls aufgetreten. Der Bögenlöschraum des Behältertyps ist in einem Metallbehälter montiert, der mit der Erdpotentialverbindung verbunden ist. Bei hoher Spannung müssen mehrere Bögenlöschräume in Reihe geschaltet und in demselben Behälter für jede Phase montiert werden.

• Montage von Stromwandlern. In Bezug auf die Montage von Stromwandlern sind Porzellansäulen-Schaltgeräte im Nachteil. Da der Bögenlöschraum des Porzellansäulentyps innerhalb des Isolators und auf dem isolierenden Träger montiert ist, muss der Stromwandler separat auf seinem eigenen isolierenden Träger montiert werden. Der Buschtyp-Stromwandler kann jedoch auf dem Busch des Behältertyps montiert werden. In einigen Anwendungsszenarien benötigt das Schaltgerät keinen Stromwandler, insbesondere wenn es als Schalter zum Umschalten von Kondensatorgruppen und parallelen Drosseln verwendet wird. Hier beträgt der Preis des Porzellansäulentyps nur 60 % des Preises des Behältertyps, und aufgrund der Verwendung mehrerer Brüche kann es besser gegen Rückstöße widerstehen.

• Außenstoßfestigkeit. Aus Sicht der Außenstoßfestigkeit können mehrere Reihen-Bögenlöschräume des Porzellansäulentyps jeden Nennspannungswert erfüllen, aber seine externe Isolationsstoßfestigkeit ist durch die Länge des Bögenlöschraums selbst begrenzt. Für das Behältertyp-Schaltgerät, solange die notwendige Stoßfestigkeit zur Reduzierung der Anzahl der Brüche entwickelt werden kann, kann ein Isolierbusch hergestellt werden. Daher kann das Behältertyp-Schaltgerät einen einzelnen Bruch von 550kV/63kA und einen doppelten Bruch von 1100kV/50kA erreichen.

• Verbrauch von SF₆-Gas. In Bezug auf den Verbrauch von SF₆-Gas ist der Porzellansäulentyp dem Behältertyp überlegen. Der Gasverbrauch des Behältertyps ist viel höher als der des Porzellansäulentyps.

• Umweltanpassungsfähigkeit. Aus Sicht der Umweltanpassungsfähigkeit zeigt das großvolumige Behältertyp-Schaltgerät seine Vorteile. In einem Behältertyp-Schaltgerät kann ein Heizer installiert werden, während dies bei einem Porzellansäulentyp nicht möglich ist.

• Erdbebensicherheit. Aus Sicht der Erdbebensicherheit ist das Behältertyp-Schaltgerät weit besser als das Porzellansäulentyp. Da das Porzellansäulentyp-Schaltgerät ein hohes Schwerpunktzentrum hat, ist seine Erdbebensicherheit schlecht.

• Preisvergleich. In Bezug auf den Preis ist das Porzellansäulentyp-Schaltgerät für die gleiche Kapazität besser als das Behältertyp. Im Allgemeinen ist der Preis des Behältertyp-Schaltgeräts etwa 20 % höher als der des Porzellansäulentyp-Schaltgeräts mit externem Stromwandler (wie SF₆-Transformator).

4. Hinweise zur Betriebs- und Wartung von SF₆-Schaltgeräten

Um die Gasleckage streng zu kontrollieren und die Feuchtigkeit und Nässe von der Box fernzuhalten, sind die Verarbeitungstechniken und Materialanforderungen viel höher als bei normalen Hochspannungselektrogeräten. Gleichzeitig wird ein spezielles SF₆-Gassystem benötigt, einschließlich Ventilen mit guter Dichtheit, Leckdetektionsausrüstung, Gasrückgewinnungsgeräten und Drucküberwachung. Darüber hinaus führt der große Metallverbrauch zu einer erhöhten Herstellkomplexität.

Reines SF₆-Gas ist farblos, geruchlos, ungiftig und nicht brennbar. Allerdings werden bei der Synthese von Schwefelhexafluorid auch niedrigfluorierte Schwefelverbindungen produziert, die giftig sind. Im Schaltgerät wird das Gas unter der hohen Temperatur des Bogens durch Dissoziation und Ionisation zerlegt, wodurch hochgiftige Gase entstehen. Deshalb wird im Schaltgerät ein Adsorber installiert, in dem aktiviertes Aluminium platziert wird, um diese giftigen Gase aufzunehmen.

Trotzdem sollte bei der Wartung besondere Aufmerksamkeit darauf gelegt werden, Vergiftungen zu vermeiden. Daher muss das Gas vor der Arbeit sauber abgelassen und evakuiert werden. Wenn immer noch ein unangenehmer Geruch wahrgenommen wird, sollten Atemschutzmasken und Gummihandschuhe getragen werden. Darüber hinaus enthalten die Bogenzerfallsprodukte auch einige metallische Fluoride, die in Pulverform im Schaltgerät verteilt sind. Obwohl diese Pulver keine hochgiftigen Substanzen sind, sollten Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um ihr Einatmen während der Reinigung zu vermeiden.

5. Schlussfolgerung

Mit der ständigen Erhöhung der Spannung des Stromnetzes, ob es sich um Porzellansäulen- oder Behältertypen von SF₆-Schaltgeräten handelt, entwickeln sie sich ständig mit technischem Fortschritt. Insbesondere in den letzten Jahren wurde das Selbstenergie-Bögenlöschprinzip entwickelt und angewendet, das heißt, hoher Druck wird verwendet, um einen Gasblase zu bilden, um den Bogen zu löschen. Die Anzahl der Brüche wird reduziert, und der Materialverbrauch nimmt ab.

Aufgrund seines relativ hohen Preises und den hohen Anforderungen an die Anwendung, Verwaltung und Betriebsführung von SF₆-Gas wird es in der Mittelspannung (35kV, 10kV) nicht weit verbreitet. Im Allgemeinen haben Hochspannungsschaltgeräte mit SF₆ breite Anwendungsaussichten, und die technologische Forschung, Entwicklung und Modernisierung der Produkte werden erhebliche wirtschaftliche und soziale Vorteile bringen.