SF6-Schalter: Auswahlkriterien und Anschlussregeln

Die Funktionsweise von Hochspannungsnetzen ist hinsichtlich der Stromcharakteristiken nicht mit der von Haushaltsgeräten vergleichbar. Dementsprechend sind bei einer Störung zur Abschaltung der Geräte und zur Lichtbogenlöschung leistungsstärkere Vorrichtungen erforderlich als herkömmliche Schutzschalter.

Als Schutzvorrichtungen werden SF6-Schalter eingesetzt, die sowohl manuell als auch automatisch gesteuert werden können. Wir haben die Konstruktionsmerkmale und Funktionsweise der Geräte im Detail beschrieben. Es wurden Empfehlungen für Installation, Anschluss und Wartung gegeben.

Definition und Anwendung von SF6

SF6 ist Schwefelhexafluorid, das zu den elektrotechnischen Gasen gezählt wird. Aufgrund seiner Isolationseigenschaften wird es häufig bei der Herstellung elektrotechnischer Geräte eingesetzt.

Im neutralen Zustand ist SF6 ein nicht brennbares, farb- und geruchloses Gas. Im Vergleich zu Luft weist es eine hohe Dichte (6,7) und eine fünfmal höhere Molekülmasse auf.

Einer der Vorteile von SF6 ist die Beständigkeit gegenüber äußeren Einflüssen. Es ändert seine Eigenschaften unter keinen Bedingungen. Kommt es während einer elektrischen Entladung zu einem Zerfall, so erfolgt bald eine vollständige, für den Betrieb notwendige Regeneration.

Das Geheimnis liegt darin, dass die SF6-Moleküle Elektronen binden und negative Ionen bilden. Die Eigenschaft der „Elektronenaffinität“ verleiht Schwefelhexafluorid die Eigenschaft der elektrischen Festigkeit.

In der Praxis ist die elektrische Festigkeit von Luft 2-3 mal schwächer als die von SF6. Darüber hinaus ist es feuerbeständig, da es zu den nicht brennbaren Stoffen zählt, und besitzt eine kühlende Wirkung.

Als die Notwendigkeit entstand, ein Gas für die Lichtbogenlöschung zu finden, begann man die Eigenschaften von SF6 (Schwefelhexafluorid), Tetrachlorkohlenstoff und Freon zu untersuchen. In den Tests setzte sich SF6 durch.

Die genannten Eigenschaften machen SF6 äußerst geeignet für den Einsatz im elektrotechnischen Bereich, insbesondere in folgenden Geräten:

• Leistungstransformatoren, die nach dem Prinzip der magnetischen Induktion arbeiten;
• Schaltanlagen in gekapselter Bauweise;
• Hochspannungsleitungen, die entfernte Anlagen verbinden;
• Hochspannungsschalter.

Einige Eigenschaften von Schwefelhexafluorid führten jedoch dazu, dass die Konstruktion des Schalters verbessert werden musste. Der Hauptnachteil betrifft den Übergang der gasförmigen in die flüssige Phase, was bei bestimmten Druck- und Temperaturverhältnissen möglich ist.

Damit die Anlage störungsfrei arbeitet, müssen komfortable Bedingungen gewährleistet sein. Nehmen wir an, für den Betrieb von SF6-Geräten bei -40 °C ist ein Druck von nicht mehr als 0,4 MPa und eine Dichte von weniger als 0,03 g/cm³ erforderlich. In der Praxis wird das Gas bei Bedarf erwärmt, was den Übergang in die flüssige Phase verhindert.

Aufbau eines SF6-Schalters

Vergleicht man SF6-Geräte mit anderen Typen, so ähneln sie konstruktiv am ehesten den Ölgeräten. Der Unterschied liegt in der Füllung der Löschkammern.

Bei Ölschaltern wird als Füllmedium eine Ölmischung verwendet, bei gasisolierten Schaltern hingegen Schwefelhexafluorid. Der Vorteil der zweiten Variante liegt in der Langlebigkeit und minimalem Wartungsaufwand.

Schema einer SF6-Anlage in Säulenbauweise. Die auf einem hohen Gestell montierten Löschmodule befinden sich im oberen Teil, der Schaltschrank im unteren Teil.

Die Verfahren zum Löschen des Lichtbogens hängen von vielen Faktoren ab, wobei der Nennstrom und die Nennspannung sowie die Einsatzbedingungen des Geräts entscheidend sind.

Insgesamt werden vier Arten von SF6-Schaltern unterschieden:

• mit elektromagnetischer Blasung;
• mit Blasung in SF6 – mit einer Druckstufe;
• mit Längsblasung – mit zwei Druckstufen;
• mit autogenerierter Blasung.

Während bei Druckluftschaltern das Gas beim Löschen des Lichtbogens in die Atmosphäre entweicht, bleibt es bei SF6-Schaltern in einem geschlossenen, mit Gasgemisch gefüllten Raum. Dabei bleibt ein geringer Überdruck erhalten.

Säulen- und Tankgeräte

In der Praxis werden zwei Arten von SF6-Anlagen verwendet:

• Kesselbauweise;
• Säulenbauweise.

Die Unterschiede betreffen sowohl die konstruktiven Merkmale als auch das Prinzip der Lichtbogenlöschung. Vom äußeren Aufbau her ähneln die Säulengeräte den ölarmen Analoggeräten: Sie bestehen aus zwei Funktionsteilen – dem Lösch- und dem Kontaktteil – und haben ähnliche Abmessungen.

Die Ausschaltgeräte sind für den Betrieb an einem 220-V-Netz ausgelegt und gehören zur einphasigen Ausrüstung. Ein Beispiel für einen SF6-Schalter in Säulenbauweise – LF 10 von Schneider Electric.

Die Steuerung der Anlage kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen: manuell, wobei die Einstellung und Überwachung mit mechanischen Vorrichtungen erfolgt, und ferngesteuert automatisch

SF6-Geräte in Kesselbauweise sind kleiner und mit einem mehrphasigen Antrieb ausgestattet. Diese Verteilung ermöglicht eine bessere Kontrolle und stufenlose Regelung der Spannungsparameter.

Einer der Vorteile von Tank-Leistungsschaltern ist die Fähigkeit, erhöhte Lasten zu tragen. Diese Eigenschaft wird durch den in die Konstruktion integrierten Stromwandler gewährleistet.

Ein Beispiel für ein Tankgerät ist die gasisolierte Schaltanlage DT2-550 F3 von Alstom Grid. Solche Geräte haben sich in elektrischen Systemen mit einer Spannung von 500 kV bewährt.

Die Konstruktion ist so zusammengebaut und ausgestattet, dass sie bei niedrigen (kritischen) Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit sowie in Regionen mit seismischer Aktivität und erhöhter Luftverschmutzung störungsfrei funktioniert.

Prinzip der Lichtbogenlöschung

Die Funktionsweise des Geräts wird am Beispiel des Leistungsschalters LW36 des chinesischen Herstellers CHINT erläutert.

Beim Ausschalten wirkt die Feder auf die dynamischen Elemente des Zylinders, und diese bewegen sich nach unten. Alle Kontakte außer den Lichtbogenlöschkontakten öffnen sich. Wenn sich auch die Lichtbogenlöschkontakte, durch die der Strom fließt, trennen, entsteht ein Lichtbogen.

Heißes Gas gelangt in die Heizkammer, das Rückschlagventil öffnet sich. Wenn das Gas aus der Heizkammer in den Spalt geblasen wird, erfolgt die Lichtbogenlöschung.

Wenn kleine Ströme abgeschaltet werden, reicht der Druck in der Heizkammer nicht aus, daher wird der Druck aus der Kompressionskammer (der stets höher ist) herangezogen. Das Rückschlagventil öffnet sich, das Gas strömt ungehindert in den Spalt und löscht beim Nulldurchgang den Lichtbogen.

Schema der internen Anordnung und Funktionsweise der beweglichen, feststehenden Ventile, Dekompressions- und Rückschlagventile. Position 1 – Einschaltung; Position 2 – Abschaltung großer Ströme; Position 3 – Abschaltung kleiner Ströme; Position 4 – Abschaltung des Geräts

Moderne Säulenanlagen verfügen über verbesserte Eigenschaften. Der Wartungsaufwand ist auf ein Minimum reduziert, die Schaltlebensdauer erhöht. SF6-Leistungsschalter zeichnen sich durch niedrigen Geräuschpegel, zuverlässige Mechanik und einfache Montage- und Prüfarbeiten aus.

Die Einstellung der Tankmodelle erfolgt über den Antrieb und die Transformatoren. Ein Feder- oder Federhydraulikantrieb steuert die Ein-/Ausschaltvorgänge und das Niveau der Lichtbogenhaltung.

Wozu dient der Antrieb?

Der Antrieb dient zur Durchführung aller Vorgänge im Zusammenhang mit dem Ein-/Ausschalten oder dem Halten der Anlage in einer bestimmten Position. Das Schema zeigt, wo genau der Antrieb angeordnet werden kann. In der Regel ist dies die Erdoberfläche oder ein niedriger Träger, der dem Bedienpersonal einen einfachen Zugang zu den Einstellgeräten ermöglicht.

Konstruktionsschema eines Tank-Leistungsschalters: 1 – Porzellan- oder Polymermodule; 2 – Transformatoren; 3 – Behälter mit Gaslöschvorrichtung; 4 – Gaskammer; 5 – hydraulischer Antrieb; 6 – Metallrahmen; 7 – Anschluss für die SF6-Einfüllung

Der Antrieb besteht aus einem Einschaltmechanismus, einer Fixiervorrichtung – der Klinke – und einem Auslösemechanismus. Der Einschaltvorgang muss so schnell wie möglich erfolgen, um ein Verschweißen der Kontakte zu vermeiden.

Während des Einschaltens werden große Kräfte aufgebracht, um die Reibungskräfte aller beteiligten Elemente zu überwinden. Die Abschaltung erfolgt einfacher und besteht in der Rückwärtsbewegung der Klinke, die das Einschalten und Halten gewährleistet.

Es gibt mehrere Verfahren zum Ein- und Ausschalten:

• mechanisch;
• federbetrieben;
• gewichtsbetrieben;
• pneumatisch;
• elektromagnetisch.

Für leistungsschwache Systeme wird eine manuelle Steuerung verwendet. In diesem Fall reicht die Kraft eines einzelnen Bedieners aus. Die Abschaltung von Handmechanismen erfolgt normalerweise automatisch. Der Federantrieb wird ebenfalls manuell betätigt, aber manchmal werden leistungsschwache Elektromotoren eingesetzt.

Die herkömmliche Anordnung des Antriebs befindet sich nahe dem Montagegestell aus Metall. Die Unversehrtheit und Funktion des Mechanismus wird durch ein robustes Metallgehäuse gewährleistet – einen Kasten mit einer praktischen Tür für die Bedienung.

Für den Einsatz eines elektromagnetischen Antriebs wird mehr Energie benötigt, daher ist eine konstante Stromquelle von etwa 58 A mit einer Spannung von 220 V erforderlich. Als reserves Auslösemechanismus steht ein Handhebel zur Verfügung. Elektromagnetische Geräte zeichnen sich durch Zuverlässigkeit aus, weshalb sie erfolgreich in Gebieten mit strengen Wintern eingesetzt werden. Nachteil – die Notwendigkeit einer leistungsstarken Batterie.

Der pneumatische Antrieb zeichnet sich dadurch aus, dass anstelle eines Elektromagneten ein Zylinder-Kolben-Paar das Hauptarbeitselement ist. Dank Druckluft ist die Einschaltgeschwindigkeit viel höher als bei den vorherigen Modellen.

Vor- und Nachteile der SF6-Schalter

SF6-Schalter haben, wie auch andere Arten von elektrischen Verteilungsanlagen, eine Reihe von Vor- und Nachteilen. Bei der Auswahl einer Anlage werden die notwendigen Berechnungen durchgeführt und neben technischen Daten und Konstruktionsmerkmalen auch die Vor- und Nachteile der Modelle berücksichtigt.

SF6-Schalter funktionieren unter schwierigen Bedingungen mit periodischen Vibrationen, niedrigen Temperaturen (mit Heizung) und in brandgefährdeten Bereichen.

Zu den Nachteilen zählen die hohen Kosten des Füllmediums – SF6-Gas, die spezifische Montage auf einem Schaltschrank oder Fundament sowie die Notwendigkeit einer bestimmten Qualifikation des Bedienpersonals.

Regeln für Anschluss und Wartung von SF6-Schaltern

Alle Handlungen im Zusammenhang mit Montage, Ein-/Ausschalten, Reparatur und Wartung von SF6-Geräten unterliegen strengen Regeln, die in der PUE 1.8.21 festgelegt sind.

Zum Anschluss der Anlage müssen Sie überprüfen, ob ein Mindestdruck in der gasgefüllten Kammer vorhanden ist, da sonst der Schalter ausfällt. Um Schäden zu vermeiden, ist eine Alarmierung installiert, die bei einem kritischen Druckabfall auslöst. Der Druck kann mit einem Manometer überwacht werden.

Im Antriebsschrank sind Heizelemente installiert, die die Bildung von Kondensat an den Mechanismen wirksam verhindern. Sie müssen sicherstellen, dass die Heizgeräte stets eingeschaltet bleiben.

Die Inspektion der Anlage erfolgt täglich bei Tageslicht und etwa zweimal im Monat bei Dunkelheit. Falls eine Störungsabschaltung erfolgt ist, ist eine außerplanmäßige Inspektion erforderlich.

Bei der Inspektion des Schalters müssen Sie den äußeren Schutz überprüfen, Verunreinigungen entfernen und Schäden beheben. Wenn Kontakte heiß werden, müssen Sie die Ursache ermitteln.

Bei Auftreten von Knacken oder verdächtigen Geräuschen muss die Quelle ermittelt werden. Die metallische Montagekonstruktion ist gleichzeitig Teil des Erdungskreises, daher sollte ihre Integrität überprüft werden.

Sie müssen unbedingt die Manometerwerte ablesen. Der Druck muss dem vom Hersteller berechneten Nennwert entsprechen. Sie müssen die Funktionsfähigkeit der Regel- und Überwachungsgeräte überprüfen. Falls ein oder mehrere Elemente ausfallen, müssen Sie Maßnahmen ergreifen – entweder Austausch oder Einsendung zur Reparatur.

Wenn der Gasdruck abgesunken ist, müssen Sie die Kammer mit SF6-Gas nachfüllen. Die Isolierung muss nicht gereinigt werden, da die Konstruktion vollständig abgedichtet ist.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Wie SF6-Leistungsschalter aufgebaut sind, nach welchem Prinzip die Lichtbogenlöschung erfolgt und welche Gerätetypen es gibt, können Sie aus einem nützlichen und informativen Video erfahren.

Video #1. Überblick über SF6-Leistungsschalter mit Beschreibung des Aufbaus und des Funktionsprinzips:

Video #2. Besonderheiten der Konstruktion der Anlagen:

Video #3. Wie die Montage des Schalters erfolgt:

SF6-Leistungsschalter verlassen das Werk in vollständig betriebsbereitem Zustand und sind für den Einsatz in verschiedenen Klimazonen von tropisch bis kalt ausgelegt, weshalb sie von Industrieunternehmen in vielen Ländern aktiv eingesetzt werden.