Einführung
In Energiesystemen werden Leistungsschalter eingesetzt, um elektrische Geräte und Netzwerke unter normalen und fehlerhaften Bedingungen zu schalten. Die Hauptfunktion eines Leistungsschalters besteht darin, den Stromfluss (Last oder Kurzschluss) zu unterbrechen, indem er seine Kontakte öffnet und so die geschalteten Teile des Systems isoliert. Das Design und die Funktionsweise eines Leistungsschalters hängen von seiner Anwendung und der Spannungsbewertung ab. Gehäusetechnologie (mit Luft bei atmosphärischem Druck) wird bei Niederspannungen (< 1000 V) verwendet, während Luftdruck und Vakuumleistungsschalter bei Mittelspannungen (< 72 kV) verbreitet sind. SF6-Leistungsschalter werden normalerweise für Hochspannung Systeme (> 72 kV) verwendet.
Trennen einer Last Unterbrechen eines Fehlers
SF6-Gas
SF6 Leistungsschalter nutzen Schwefelhexafluorid (SF6) Gas als umgebendes Isoliermedium zur Löschung des Lichtbogens, der zwischen den beweglichen Schalterkontakten entsteht. Es hat viele vorteilhafte Eigenschaften, die es zu einem idealen Isolierkandidaten in modernen Hochspannungsschaltanlagen machen:
- Hohe dielektrische Festigkeit (etwa 8 bis 9 Mal größer als Luft bei 5 bar Druck).
- Elektronegativ in der Natur, d.h. fängt freie Elektronen ein und bildet schwere Ionen mit geringer Mobilität, die einen Lawinenzusammenbruch verhindern.
- Gute thermische Wärmeübertragungsfähigkeit, hohe Ionisierungsenergie und niedrige Dissoziationstemperatur führen zu ausgezeichneten Lichtbogenlöschungseigenschaften.
- Sehr hohe elektrische Leitfähigkeit bei erhöhten Temperaturen, was zu niedriger Lichtbogenspannung führt
- Farblos, geruchlos, inert und nicht giftig.
Einige der Nachteile von SF6 Gas sind seine hohen Kosten, seine Neigung zur Bildung von korrosiven Metallfluoriden während des Lichtbogens und die Tatsache, dass es ein Treibhausgas ist.
SF6-Leistungsschaltertypen
Derzeit können SF6 Leistungsschalter in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden:
- Dead Tank – Gehäuse auf Erdpotenzial.
- Live Tank – Gehäuse auf Leitungspotenzial.
Dead Tank Designs können eine größere Kurzschlussstrom Unterbrechungsfähigkeit und seismische Bewertung bieten, sind jedoch relativ massig (erfordern mehr SF6 Gas), während Live Tank Designs modular und kompakter sind.
Live Tank Circuit Breaker
Dead Tank Circuit Breaker
Es gibt auch mehrere verschiedene Möglichkeiten, wie der elektrische Strom (und der resultierende Lichtbogen) in einem SF6-Leistungsschalter unterbrochen werden kann. Diese Typen umfassen: Doppel-Druck (heute veraltet), Einzel-Druck (auch Puffer genannt), Selbstblas (wo Lichtbogenenergie den Druckaufbau in der Lichtbogenkammer unterstützt), Rotationslichtbogen (Lichtbogen rotiert elektrodynamisch im kühlen Hintergrundgas) und Doppelbewegungstechnologie (mit zwei beweglichen Kontakten). Darüber hinaus kann der Antriebsmechanismus des Leistungsschalters vom hydraulischen oder federbelasteten Typ sein.
Im weiteren Verlauf dieses Artikels werden wir uns eingehender mit der grundlegenden Montage und Funktionsweise eines SF6-gasisolierten Leistungsschalters befassen, der Einzel-Druck (Puffertechnologie) mit einem federbelasteten Betriebsmechanismus verwendet; dies ist der am weitesten verbreitete Typ in der Hochspannungsindustrie.
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Konstruktion und Hauptkomponenten
Eine vollständige Montage eines Einzel-Druck-Puffer-Typs SF6-Leistungsschalter besteht aus folgenden Teilen:
Unterbrechereinheit
Die Trennung der Leistungsschalterkontakte, Löschung des resultierenden Lichtbogens und Unterbrechung des Stroms erfolgt in der Unterbrechereinheit. Sie beherbergt zwei Sätze von Kontakten, die allgemein als ‘Haupt’ oder ‘normale Stromtragende Kontakte’ und ‘Lichtbogenkontakte’ bezeichnet werden. Beide Arten dieser Kontaktsets haben einen stationären Kontakt, während der andere Kontakt beweglich ist. Stromträger (die Verbindung zu den externen Leistungsschalteranschlüssen bereitstellen) sind mit den stationären und beweglichen Hauptkontakten verbunden. Die Spitzen aller Leistungsschalterkontakte sind mit einem Kupfer-Wolfram lichtbogenbeständigen Material beschichtet.
Der Hauptkörper des Unterbrechers (der mit SF6-Gas gefüllt ist) enthält einen beweglichen Pufferzylinder, der axial entlang der Kontakte nach oben und unten gleiten kann. Es gibt einen stationären Kolben im Inneren des Zylinders, der mit anderen stationären Teilen des SF6-Leistungsschalters so verbunden ist, dass er seine Position während der Bewegung des Zylinders nicht ändern kann. Eine Düse befindet sich an der Öffnung des Zylinders.
Hauptkomponenten des SF6-Leistungsschalter-Unterbrechers
Isolierstack
Die Unterbrechereinheit ist vertikal auf einem Isolierstack montiert, der aus einem hohlen Isolator besteht, der die Antriebsstange umhüllt, die den mechanischen Betriebsmechanismus des Leistungsschalters mit den beweglichen Kontakten in der Unterbrechereinheit verbindet. Abhängig von der Spannungsbewertung des Systems kann der Isolierstack einteilig oder aus mehreren in Serie mechanisch gekoppelten Segmenten bestehen. Wie jeder andere Isolator bietet er ausreichende Linie-zu-Erde Trockenlichtbogen und Kriechstrecke, um Überschläge zu verhindern, die mit transienten Überspannungen und Umweltverschmutzung verbunden sind. Die komplette Leistungsschaltereinheit ist normalerweise auf einer Stahlkonstruktion befestigt, die sie auf einem eingebetteten Betonfundament sichert.
Mechanischer Betriebsmechanismus
Das Antriebsgerät liefert die kinetische Energie, die erforderlich ist, um die Leistungsschalterkontakte zu öffnen und zu schließen. Es besteht aus einem Satz von Öffnungs- und Schließfedern, die manuell oder mit Hilfe eines kleinen Elektromotors aufgeladen werden.
Steuerpult
Der Steuerschrank kommuniziert zwischen dem mechanischen Betriebsmechanismus des Leistungsschalters, der Systemschutz (Relais) und Überwachungsgeräte. Er kann entweder für ‘Fern’ oder ‘manuelle’ Betriebseinstellung konfiguriert werden.
245-kV (Einzelunterbrecher) Live Tank SF6-Leistungsschalter
Zusätzliche Komponenten
Bei extra hoher Spannung (normalerweise 380-kV und darüber), aufgrund von Fertigungsökonomie und Designanforderungen, kann der SF6-Leistungsschalter bemerkenswerte Unterschiede in der Konstruktion aufweisen und kann auch zusätzliche Komponenten enthalten:
- Anstelle einer einzelnen Unterbrechereinheit sind zwei oder mehr Unterbrechereinheiten in Serie verbunden (und horizontal auf dem Isolierstack montiert). Für solche Leistungsschalter sind Spannungsausgleichskondensatoren (C) über die Unterbrecher angeschlossen, um die Spannung über ihnen auszugleichen.
- Für Übertragungsleitungsschaltanwendungen können diese Leistungsschalter mit Vorwiderständen ausgestattet sein, um hohe Magnituden von Schalt transienten Überspannungen zu dämpfen. Diese Vorwiderstände (normalerweise 300 bis 600 Ohm) sind parallel zu den Hauptkontakten des Leistungsschalters angeschlossen. Sie werden für einen bestimmten Zeitintervall (8 bis 12 ms) in den Stromkreis eingefügt, bevor die Hauptschalterkontakte geschlossen werden.
Verschiedene Konfigurationen des SF6-Leistungsschalters
- Die externen Anschlussklemmen sind mit Spannungsausgleichsringen ausgestattet, um sicherzustellen, dass die elektrischen Feldspannungen an der Klemmenoberfläche nicht die Korona-Beginnspannung überschreiten
550-kV (Zwei Unterbrecher in Serie) Live Tank SF6-Leistungsschalter
Wie SF6-Leistungsschalter funktionieren
Normalzustand
Im Normalzustand sind die Leistungsschalterkontakte geschlossen und der Strom fließt von einem Kontaktträger zum anderen über die Hauptkontakte und den gleitenden Pufferzylinder.
Öffnungsoperation des Leistungsschalters
Wenn das Steuerpult des Leistungsschalters einen Öffnungsbefehl erhält (um einen Fehler zu beseitigen oder einen Teil eines Netzwerks zu trennen), sendet es ein Signal an die Auslösespule des mechanischen Betriebsmechanismus, der wiederum den Verschluss freigibt, der die geladene Öffnungsfeder hält. Wenn die Öffnungsfeder entlädt, zieht sie die Antriebsstange (die mit dem Unterbrecher verbunden ist) in eine lineare Richtung, was dazu führt, dass die beweglichen Kontakte und der Pufferzylinder nach unten bewegt werden.
Die Bewegung des Pufferzylinders gegen den stationären Kolben führt zu einer Verringerung des inneren Volumens des Pufferzylinders, was eine Kompression des SF6-Gases im Inneren des Zylinders verursacht. Aufgrund der Kontaktüberlappung beginnt die Gaskompression, bevor irgendwelche Kontakte geöffnet werden. Während die Abwärtsbewegung fortgesetzt wird, trennen sich die Hauptkontakte und der Strom wird auf die Lichtbogenkontakte übertragen, die sich noch in der geschlossenen Position befinden (aufgrund ihrer physisch längeren Konstruktion). Im Verlauf des weiteren Öffnens beginnen sich die Lichtbogenkontakte zu trennen und ein Lichtbogen wird zwischen ihnen erzeugt.
Betrieb eines Puffer-Typs SF6-Leistungsschalter
Während der Lichtbogen fließt, blockiert er den Fluss von SF6-Gas durch die Düse bis zu einem gewissen Grad. Daher steigt der Gasdruck im Pufferzylinder weiter an. Wenn die sinusförmige Stromwellenform den Nullpunkt erreicht, wird der Lichtbogen relativ schwach und das unter Druck stehende SF6-Gas im Pufferzylinder fließt axial (durch die Düse) über die Lichtbogenlänge. Dieser SF6-Gasstoß entfernt die thermische Energie im Kontaktspalt und reduziert den Grad der Ionisation (elektrische Leitfähigkeit), sodass der Lichtbogen gelöscht wird.
Wenn der Lichtbogen unterbrochen wird, beginnt die transiente Erholungsspannung (TRV) über den Kontakten zu erscheinen; die Öffnungsgeschwindigkeit der Leistungsschalterkontakte sollte schnell genug sein, um einen ausreichenden Kontaktabstand zu schaffen, um dieser Spannungsbelastung standzuhalten. Falls die dielektrische Festigkeit des Kontaktspalts niedriger ist als die TRV-Belastung, wird der Lichtbogen in einem Phänomen, das allgemein als Leistungsschalter Wiederzündung oder Wiederanlauf bezeichnet wird, wiederhergestellt.
Schließoperation des Leistungsschalters
Während der Schließsequenz des Leistungsschalters setzt die Schließspule die Energie der Schließfeder frei, was dazu führt, dass die Kontakte sich aufeinander zubewegen und letztendlich in ihre normale geschlossene Position gebracht werden. Gleichzeitig wird SF6-Gas in den Pufferzylinder zurückgezogen, wodurch der Leistungsschalter für den nächsten Betrieb bereit ist.
Beim Schließen kann ein Leistungsschalter manchmal ein Ereignis erleben, das als Vorzündung bekannt ist. Während sich die Kontakte beim Schließen aufeinander zubewegen, nimmt die dielektrische Festigkeit des Kontaktspalts ab. An einem bestimmten Punkt übersteigt die Spannungsbelastung über dem Kontaktspalt seine dielektrische Festigkeit, wodurch ein ‘Vorzündungs’-Lichtbogen entsteht, der die Kontakte überbrückt.
Konstruktionsanforderungen
Zusätzlich zu den allgemeinen Eigenschaften, die normalerweise mit einem elektrischen Schalter verbunden sind, d.h. niedriger Kontaktwiderstand im geschlossenen Zustand und fast perfekte Isolierung im offenen Zustand, muss ein Hochspannungs-SF6-Leistungsschalter zusätzliche Konstruktionsanforderungen erfüllen. Unter diesen sind die wichtigsten kurz beschrieben:
- Nennstrom – die stromführenden Teile des Leistungsschalters sollten in der Lage sein, den maximal erwarteten Laststrom zu tragen, ohne die Temperaturerhöhung zu überschreiten
- Nennkurzschlussstrom – der Leistungsschalter sollte in der Lage sein, den maximalen Kurzschlussstrom des Netzwerks zu unterbrechen (typische standardisierte Werte sind 25, 40 und 63 kA).
- Nennspannung und Isolationsniveau – die Isolierung des Leistungsschalters extern und über die Kontakte sollte in der Lage sein, spezifizierte Größen von Niederfrequenz und transienten Überspannungen zu widerstehen.
- Wiederzündungen – während der Unterbrechung von kapazitiven Strömen sollte die Wahrscheinlichkeit einer Wiederzündung (Wiederanlauf) zwischen den Leistungsschalterkontakten sehr gering sein.
- Mechanische Lebensdauer – der Leistungsschalter sollte in der Lage sein, eine große Anzahl von Operationen (2.000 bis 10.000) mit sehr begrenztem Wartungsaufwand durchzuführen.
- Öffnungszeit – um einen ausreichenden Abstand zwischen den Kontakten zu erreichen und um der TRV standzuhalten, muss ein Leistungsschalter mit extrem hoher Geschwindigkeit öffnen (in der Größenordnung von 40 bis 60 ms).
- Nennbetriebssequenz – der Leistungsschalter muss in der Lage sein, eine spezifizierte Betriebssequenz zufriedenstellend abzuschließen. Für Hochgeschwindigkeits-Wiedereinschalt-Leistungsschalter ist eine typische Sequenz: O-0,3sek-CO-3min-CO (wobei O und C für Öffnen und Schließen stehen und 0,3sek und 3min Zeitverzögerungen sind).
- Schaltaufgabe – im Laufe seiner Lebensdauer sollte der Leistungsschalter in der Lage sein, eine Vielzahl von Schalt (Unterbrechungs) Aufgaben erfolgreich durchzuführen, die insbesondere Folgendes umfassen: Terminal und kurze Leitungsfehler, Transformator und Reaktorschaltung, und kapazitive Stromunterbrechung. In Bezug auf die Anforderungen an den Leistungsschalter variieren diese verschiedenen Arten von Schaltaufgaben die Größe des Stroms und der TRV, die ein Leistungsschalter aushalten muss.