Technische Analyse, interne Bogenfehlerbeständigkeit und Optimierung von vollständig SF6-dicht isolierten Gas-gefüllten Ringklemmblöcken (RMUs)

SF6-Vollisolier-Schaltanlagen (im Folgenden als RMUs bezeichnet) bestehen hauptsächlich aus Lastschalter-Modulen und Hochspannungs-Wechselstrom-Lastschalter-Fuse-Kombinationsgeräten (im Folgenden als Kombinationsgeräte bezeichnet). Abhängig von den Anforderungen des Benutzers können sie in Einheitstank- oder modularer Struktur konfiguriert werden.

In der praktischen Ingenieurarbeit werden elektrische Verbindungen typischerweise hergestellt, indem entweder oberseitig angeordnete festisolierte Leiter oder seitlich eingesteckte Leiter verwendet werden. Unter den verschiedenen technischen Parametern stellen der Übertragungsstrom des Kombinationsgeräts und die Schließfähigkeit des Lastschalters die Haupt Herausforderungen in der Entwicklung dar. Darüber hinaus haben interne Bogenfehler in den letzten Jahren aufgrund wachsender Sicherheitsbedenken zunehmend die Aufmerksamkeit der Benutzer auf sich gezogen.

1. Analyse der technischen Fragen

Während der Entwicklung und Fertigung von RMUs müssen folgende Aspekte sorgfältig berücksichtigt werden:

1.1 Übertragungsstrom

Der Übertragungsstrom eines Kombinationsgeräts bezieht sich auf den dreiphasigen symmetrischen Strom, bei dem die Unterbrechungsfunktion vom Fusible zum Lastschalter übergeht. Bei Strömen, die diesen Wert überschreiten, erfolgt die Unterbrechung ausschließlich durch die Fusible. In geringeren Fehlerstrombereichen zeigt die Schmelzzeit der drei Phasen-Fusible eine inhärente Variabilität. Die Fusible mit der kürzesten Schmelzzeit unterbricht zuerst, und ihr Auslöser aktiviert das Auslösemechanismus, um den Lastschalter zu öffnen.

Die Unterbrechung der verbleibenden beiden Phasen hängt von einem Vergleich zwischen den tatsächlichen Zeit-Strom-Kennlinien ihrer jeweiligen Fusible (bei denen der Strom in den verbleibenden zwei Phasen etwa 87% des dreiphasigen Stroms beträgt) und der Öffnungszeit des durch den Auslöser der zuerst unterbrechenden Fusible initiierten Lastschalters ab. Wenn die Schmelzung der Fusible verzögert ist, werden die verbleibenden beiden Phasen durch den Lastschalter unterbrochen. Somit wird die Fehlerstromunterbrechung in diesem Bereich zwischen der Fusible und dem Lastschalter geteilt.

Der Übertragungsstrom des Kombinationsgeräts wird durch zwei entscheidende Faktoren bestimmt: die Auslösezeit des durch den Auslöser der Fusible initiierten Lastschalters und die tatsächlichen Zeit-Strom-Kennlinien der Fusible. Der Nenn-Übertragungsstrom ist ein kritischer technischer Parameter, der den maximalen Strom darstellt, den der Lastschalter sicher unterbrechen kann. Beim Auswählen von strombegrenzenden Fusible müssen ihre Zeit-Strom-Kennlinien evaluiert werden, um sicherzustellen, dass der resultierende Übertragungsstrom unter dem Nenn-Übertragungsstrom des Kombinationsgeräts liegt. Dies gewährleistet eine zuverlässige und sichere Koordination zwischen dem Lastschalter und der Fusible, was eine effektive Schutzfunktion für Transformator bietet.

1.2 Schließfähigkeit

Während der Prüfung von Lastschaltern treten gelegentlich unerfolgreiche Schließvorgänge auf, die in der Regel in zwei Kategorien fallen: Nichterfüllung der erforderlichen Anzahl an Schließvorgängen oder Unfähigkeit, bei Nennkurzschlussströmen zu schließen. Die Analyse der Prüfergebnisse zeigt, dass solche Fehlschläge hauptsächlich durch übermäßige Erosion der Hauptkontakte verursacht werden, was deren Fähigkeit beeinträchtigt, den Nennkurzschlussstrom zu leiten.

Daher ist es entscheidend, die Erosion der Hauptkontakte zu minimieren oder zu verhindern, um erfolgreiche Prüfergebnisse zu erzielen. Untersuchungen und umfangreiche Tests haben gezeigt, dass das Hinzufügen von Hilfskontakten aus hochschmelzendem Kupfer-Chrom-Legierung zu den ursprünglichen Hauptkontakten diese indirekt schützen kann. Der spezifische Designansatz kann flexibel an die verwendete Kontaktkonstruktion angepasst werden, sei es lineare Bewegung oder rotierender Klingentyp.

2. Standhalten interner Bogenfehler

Ein elektrischer Bogen reagiert heftig mit der umgebenden Luft, was zu raschen Temperatur- und Druckerhöhungen führt. Wenn er nicht richtig eingeschlossen wird, kann er ernste Gefahren für Personen und Ausrüstung darstellen. Interne Bogenfehlertests sollten separat für den Gasraum (Schaltgerät-Raum) und den Kabelraum der RMU durchgeführt werden. Um den Test zu bestehen, müssen folgende Kriterien erfüllt sein:

• Die Paneele und Türen der Schaltanlage müssen geschlossen bleiben; begrenzte Verformungen sind akzeptabel.

• Die Gehäuse darf nicht zerreißen, und keine Fragmente schwerer als 60 g dürfen ausgeworfen werden.

• Es dürfen keine Löcher auf zugänglichen Oberflächen der Schaltanlage bis zu einer Höhe von 2 m entstehen.

• Die waagerechten und senkrechten Indikatoren, die während des Tests verwendet werden, dürfen nicht durch heiße Gase entzündet werden.

• Das Gehäuse muss während des gesamten Tests an den Erdungspunkt angeschlossen bleiben.

2.1 Nennkurzschlussunterbrechungsstrom

Der Nennkurzschlussunterbrechungsstrom des Kombinationsgeräts wird durch die ausgewählte Fusible bestimmt. Es gelten die folgenden Überlegungen:

• Der Nennkurzschlussunterbrechungsstrom der Fusible muss größer oder gleich dem maximalen potenziellen Fehlerstrom am Installationspunkt im Verteilungssystem sein.

• Der Nennkurzschlussunterbrechungsstrom der Fusible muss vernünftig mit dem Nennkurzzeit-Aushaltstrom des Lastschalters innerhalb des Kombinationsgeräts abgestimmt sein.

• Es müssen drei Fusible desselben Modells und Spezifikationen installiert werden; andernfalls könnte die Unterbrechungsleistung negativ beeinflusst werden.

• Fusible müssen korrekt und vollständig installiert werden, um sicherzustellen, dass der Auslöser zur richtigen Zeit aktiviert wird und den Lastschalter-Auslösemechanismus zuverlässig auslöst.

• Nachdem eine oder zwei Fusible betrieben wurden, sollten alle drei ersetzt werden, es sei denn, es ist sicher, dass die unbetriebenen Fusible keinen Strom trugen.

2.2 Betrieb in großer Höhe

Die Konstruktion der versiegelten Gasräume in RMUs basiert in der Regel auf Betrieb in Höhen unter 1.000 m. In größeren Höhen wird die Luft dünner und der atmosphärische Druck sinkt. Da die innere Gasdichte konstant bleibt, erhöht sich der relative Druck innerhalb des versiegelten Raums. Dies kann zu erhöhtem mechanischem Stress auf das Gehäuse führen, was zu Verformungen und einem höheren Risiko von Gasleckagen führt. In solchen Fällen sollte die Gehäusestärke angemessen verstärkt und durch Tests validiert werden. Das Reduzieren des Gasfülldrucks (oder -dichte) ist wissenschaftlich nicht fundiert und nicht empfohlen.

2.3 Feuchtigkeitsgehalt-Kontrolle

Punkt 6.5.1 von DL/T 791-2001, Leitfaden für die Auswahl von Innenraum-Wechselstrom-Gas-isolierten Schaltanlagen, legt den Feuchtigkeitsgehalt in Gasräumen fest: “Wenn der Nennfülldruck nicht mehr als 0,05 MPa beträgt, darf der Feuchtigkeitsgehalt 2.000 µL/L (volumetrisch) nicht überschreiten.” Andere Normen geben keine spezifischen Anweisungen. In der Produktion von RMUs wird ein Feuchtigkeitsgehalt von 1.000 µL/L (bei 20°C) als angemessen angesehen, basierend auf folgendem:

• Der Lastschalter unterbricht relativ kleine Ströme (630 A), mit einem Maximum des Übertragungsstroms (ca. 1.500–2.200 A).

• Der Fülldruck ist niedrig (Nennwert 0,03–0,05 MPa), signifikant niedriger als bei Hochspannungs-GIS (ca. 0,5 MPa).

• Die Abdichtung ist ausgezeichnet, was zu sehr langsamer Feuchtigkeitsaufnahme aus der äußeren Umgebung führt.

• Testergebnisse zeigen minimale SF6-Zersetzungsprodukte nach der Unterbrechung.

• Während der Tests wurde die Feuchtigkeit nicht absichtlich kontrolliert, und es wurden keine Ausfälle aufgrund zu hoher Feuchtigkeit beobachtet.

Daher ist es nicht gerechtfertigt, die Feuchtigkeitskontrolle während der Produktion völlig zu vernachlässigen, genauso wenig wie strikt an isolationsbasierten Grenzwerten festzuhalten, ohne die Bogenlöschanforderungen zu berücksichtigen. Basierend auf jahrelanger praktischer Produktions- und Betriebsfahrung ist die Wahrung eines Feuchtigkeitsgehalts von 1.000 µL/L (bei 20°C) während der Herstellung sowohl technisch fundiert als auch angemessen.

3. Schlussfolgerung

RMUs werden in China seit vielen Jahren hergestellt und betrieben, was eine reife Technologie, stabile Leistung und starke Marktanerkennung demonstriert. Es wird gehofft, dass weitere Hersteller in dieses Gebiet eintreten und weiterhin die technischen Herausforderungen, die sich bei Forschung, Fertigung und Betrieb ergeben, erkunden, diskutieren und Einsichten teilen, um gemeinsam die RMU-Technologie voranzubringen und ihre kontinuierliche Verbesserung zu fördern.