Gasisolierte Schaltanlagen: Komponenten, Verwendung und Wartung

Was ist eine gasisolierte Schaltanlage und wie funktioniert sie?

Gasisolierte Schaltanlagen, allgemein als GIS abgekürzt, sind eine kompakte Baugruppe elektrischer Schalt- und Schutzgeräte, die in versiegelten Metallgehäusen untergebracht sind, die mit einem Isoliergas, am häufigsten Schwefelhexafluorid (SF6), gefüllt sind. Das Gas bietet eine hervorragende Durchschlagsfestigkeit und Lichtbogenlöscheigenschaften, sodass Hochspannungskomponenten wie Leistungsschalter, Trennschalter, Erdungsschalter, Stromwandler und Sammelschienen auf einer viel kleineren Stellfläche untergebracht werden können, als dies mit herkömmlichen luftisolierten Schaltanlagen (AIS) möglich wäre. Dies macht GIS besonders wertvoll für Umspannwerke in städtischen Gebieten, in bergigem Gelände, auf Offshore-Plattformen oder überall dort, wo verfügbares Land begrenzt oder kostspielig ist.

Da alle stromführenden Komponenten vollständig umschlossen und von der Außenumgebung isoliert sind, bietet GIS außerdem einen starken Schutz gegen Verschmutzung, Salzsprühnebel, Feuchtigkeit und Staub, was es zur bevorzugten Wahl in Küstenregionen oder Gebieten mit starker industrieller Verschmutzung macht, die andernfalls exponierte luftisolierte Geräte mit der Zeit beschädigen würden.

Hauptkomponenten einer GIS-Baugruppe

A gasisolierte Schaltanlagen Bay besteht aus mehreren modularen Komponenten, die jeweils in einem eigenen gasdichten Fach untergebracht und über isolierte Barrieren mit benachbarten Modulen verbunden sind. Das Verständnis dieser Komponenten hilft zu klären, wie das System Schalt-, Schutz- und Isolationsfunktionen sicher in einem versiegelten Gehäuse ausführt.

• Leistungsschalter: Unterbricht den Fehlerstrom mithilfe der Lichtbogenlöschfähigkeit des SF6-Gases, die normalerweise für eine Unterbrechungskapazität von mehreren zehntausend Ampere ausgelegt ist.
• Trennschalter (Isolator): sorgt für eine sichtbare Unterbrechung im Stromkreis zur Wartungssicherheit, kann jedoch den Laststrom nicht unterbrechen.
• Erdungsschalter: Erdt einen stromlosen Abschnitt der Sammelschiene oder des Abzweigs, um das Wartungspersonal zu schützen.
• Strom- und Spannungswandler: liefern genaue Messsignale an Schutzrelais und Messsysteme.
• Sammelschienenfächer: transportieren den Strom zwischen den Feldern und sind typischerweise die größten gasgefüllten Abschnitte in der Baugruppe.
• Kabel- oder gasisolierte Leitungsabschlüsse: Verbinden Sie die Schaltanlage mit Abgängen oder Übertragungsleitungen.

GIS im Vergleich zu luftisolierten Schaltanlagen

Die Wahl zwischen GIS und AIS hängt von den Standortbedingungen, dem Budget und langfristigen Wartungsaspekten ab. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zusammen, die Ingenieure bei der Planung von Umspannwerken abwägen.

Vergleich zwischen GIS und AIS

Spannungsklassen und typische Anwendungen

Gasisolierte Schaltanlagen werden in einem breiten Spannungsbereich hergestellt, von Mittelspannungsverteilungssystemen um 12 bis 40,5 kV bis hin zu Höchstspannungsübertragungsanwendungen über 550 kV. Auf der Übertragungsebene wird GIS häufig für Umspannwerke gewählt, die große Kraftwerke, Offshore-Windparks oder Verbindungen zwischen regionalen Netzen verbinden, wo Zuverlässigkeit und Platzersparnis die höheren Ausrüstungskosten rechtfertigen. Auf der Verteilungsebene kommt GIS häufig in städtischen Umspannwerken zum Einsatz, die in Gebäuden oder unterirdischen Gewölben errichtet werden, wo die kompakten Abmessungen die Platzierung von Schaltanlagen in der Nähe von Lastzentren ermöglichen, ohne dass ein großer eingezäunter Hof erforderlich ist.

Überlegungen zur Installation und zum Standort

Da GIS-Gehäuse im Werk mit genauen Toleranzen zusammengebaut und getestet werden, erfordert die Installation sorgfältige Aufmerksamkeit bei der Vorbereitung und Handhabung des Standorts, um das Eindringen von Verunreinigungen in die Gasräume zu vermeiden.

• Stellen Sie sicher, dass das Gebäude oder Gehäuse der Umspannstation ausreichend Freiraum für den Modultransport und zukünftigen Wartungszugang bietet.
• Achten Sie bei der Montage vor Ort auf strikte Sauberkeit, da Staub oder Feuchtigkeit in den Gaskammern die Spannungsfestigkeit verringern können.
• Überprüfen Sie den Gasdruck und die Reinheit durch Teilentladungstests, bevor Sie die Schaltanlage einschalten.
• Planen Sie die Berechnungen der Fundamentbelastung sorgfältig, da GIS-Schächte zwar kompakt, aber pro Flächeneinheit schwerer sind als entsprechende AIS-Installationen.

Wartung, Überwachung und Gashandhabung

Die routinemäßige Wartung von GIS konzentriert sich in erster Linie auf die Überwachung des Gasdrucks und der Gasdichte und nicht auf die häufigen physischen Inspektionen, die für exponierte AIS-Komponenten erforderlich sind. Die meisten modernen GIS-Installationen verfügen über Dichtewächter, die Alarme auslösen, wenn der Gasdruck unter einen sicheren Schwellenwert fällt, was auf ein Leck oder eine Verschlechterung der Dichtung hinweisen könnte. Da es sich bei SF6 um ein starkes Treibhausgas handelt, verfolgen viele Energieversorger mittlerweile auch die kumulativen Gasleckraten im Rahmen der Berichterstattung zur Einhaltung der Umweltvorschriften, und einige Hersteller haben als Reaktion auf strengere Vorschriften alternative Isoliergasmischungen mit geringerer Umweltbelastung eingeführt.

Parallel zu GIS werden zunehmend Systeme zur Überwachung von Teilentladungen installiert, um frühe Anzeichen einer Verschlechterung der Isolierung zu erkennen, bevor sich ein Fehler entwickelt, sodass Versorgungsunternehmen Wartungsarbeiten proaktiv planen können, anstatt auf einen ungeplanten Ausfall zu reagieren.

Sicherheitsüberlegungen für das Personal

Während GIS-Gehäuse das Risiko eines unbeabsichtigten Kontakts mit stromführenden Teilen im Vergleich zu Geräten im Freien erheblich reduzieren, muss das Personal, das in der Nähe von GIS arbeitet, dennoch strenge Verfahren befolgen, insbesondere in Bezug auf Gasräume. Im seltenen Fall eines internen Fehlers können die Zersetzungsnebenprodukte von SF6-Gas giftig sein. Deshalb werden die Techniker darin geschult, die Kammern ordnungsgemäß zu belüften und Gasanalysegeräte zu verwenden, bevor sie einen Abschnitt für Wartungsarbeiten öffnen. Lockout-Tagout-Verfahren, die durch die sichtbare Unterbrechung der Trennschalter bestätigt werden, sind nach wie vor unerlässlich, bevor mit der praktischen Arbeit begonnen wird, auch wenn die abgedichtete Konstruktion der Schaltanlage bereits viele der mit herkömmlichen Freiluftinstallationen verbundenen Gefahren minimiert.