SF 6 -isolierte Schaltanlagen bis 52kV

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1 SF 6 -isolierte Schaltanlagen bis 52kV ZX-Technik und Positionierung im Überblick Dipl.-Ing. Andreas Reimüller, Leiter Produktmanagement GIS, ABB AG 1. Einführung Schaltanlagen mit ihren Komponenten sind einer der wichtigsten Bestandteile der elektrischen Energieübertragung und - verteilung. Die vielseitigen Möglichkeiten und Funktionen sichern die Verfügbarkeit von elektrischer Energie und tragen somit zur allgemeinen Sicherheit bei. Gasisolierte Schaltanlagen (hier SF 6 - isolierte GIS) sind seit den sechziger Jahren des 20.Jahrhunderts im Einsatz. Dabei steht SF 6 für Schwefelhexafluorid, einem künstlich hergestellten Gas, bei dem sich um ein Schwefelatom sechs Fluoratome anordnen. GIS hat sich neben der Hochspannung (> 52 kv) auch in der Mittelspannung ( 52 kv) etabliert. Die internationalen Normen unterscheiden jedoch nicht zwischen den Begriffen Mittelspannung und Hochspannung, sondern bezeichnen alles mit einer Bemessungsspannung über 1kV als Hochspannung. Allerdings werden die Normen entsprechenden Spannungsreihen zugeordnet. Bei der neuen DIN EN :2004 (VDE 0671 Teil 200) als Nachfolgenorm der DIN EN (VDE 0670 Teil 6) steht der Anhang Teil 200 für metallgekapselte Wechselstrom- Schaltanlagen über 1kV bis einschließlich 52kV. Gasisolierte Mittelspannungsschaltanlagen werden innerhalb des ABB-Konzerns am Fertigungsstandort Deutschland in Ratingen produziert. Das Werk Ratingen befasst sich zusätzlich zur Fertigung mit Forschung und Entwicklung von Schaltanlagen und deren Komponenten (Schaltgeräte, Schaltkammer etc.). Des weiteren befinden sich auf dem Werksgelände ein unabhängiges PEHLA Prüfinstitut sowie ein kompletter Servicebereich für Montage und Inbetriebnahme. Grundsätzlich verlassen die Mittelspannungs- - Schaltfelder das Werk als komplett geprüfte Einheit auf Betriebsdruck (geringer Überdruck) und sind unter den Aspekten Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit kennzeichnend für SF 6 -isolierte Schaltanlagen. Ihre kompakten Bauweisen ermöglichen den Einsatz auf engstem Raum. Die werkseitig geprüften Einheiten können auf der Baustelle ohne Gasarbeiten direkt über eine bewährte Stecktechnik miteinander verbunden werden. Die hermetisch abgeschlossenen Kapselungen machen die Anlagen berührungssicher und beständig gegen jegliche Umwelteinflüsse auf die Hochspannungsbauteile. [1] 2. Grundlagen Sowohl bei der Energieübertragung als auch Verteilung gilt der Grundsatz, je höher die Strömstärke, umso größere Erwärmungsverluste entstehen in den Leitern. Dies bedeutet nicht nutzbare Verlustwärme und somit eine Verschwendung von Primärenergie. Da bei höheren Spannungen gleiche Leistung mit kleineren Strömen und geringeren Übertragungsverlusten zur Verfügung gestellt werden können, wird die Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie mit der technisch und wirtschaftlich höchstmöglichen Spannung durchgeführt. Um den Strom in der elektrischen Energieübertragung und -verteilung zu lenken, benötigt man Hochspannungs-Schaltanlagen, die Netzbereiche und Verbrauchergruppen zuoder abschalten. Für den Fall von Störungen müssen die Schaltstationen einen auftretenden Kurzschluss in extrem kurzer Zeit sicher ausschalten. Für die Energieverteilung in Städten, Regionen und Industriezentren wie auch für den Verbundbetrieb, kommen weltweit Schaltanlagen von 1kV bis 800kV zum Einsatz. Die jeweils angewandte Spannungsebene wird von der Übertragungsleistung, der Übertragungslänge und der Kurzschlussleistung der Netze vorgegeben. Verteilnetze werden in Deutschland mit Betriebsspannungen von 1kV bis 123kV betrieben. Energieübertragungsnetze und Versorgungsringe um Städte arbeiten je nach Einsatzort mit 123, 245 oder 420kV. Eine ökonomische und in den Verlusten minimierte Energieverteilung wird als letzte Stufe vor den Niederspannungs- Endverbrauchern auf den Spannungsebenen größer 1 kv bis 52 kv (in Deutschland maximal 36 kv) realisiert

2 Die Hauptkomponenten einer Schaltanlage (Bild 1) sind die Sammelschienen, die Schaltgeräte, Strom- und Spannungswandler, die Bauteile für den Leitungs- und Kabelanschluss sowie die Komponenten für die Steuerung/Überwachung, den Netzschutz und die Automatisierung. Je nach Anforderungen im Netz werden Leistungsschalter oder Lasttrennschalter verwendet. Die jeweilige Auswahl und Bestückung richtet sich nach den betrieblichen Anforderungen und den jeweiligen Kosten für Beschaffung und Betrieb der Betriebsmittel im Verteilnetz. So haben zum Beispiel die Leistungsschalter die Funktion, einen Kurzschluss im Verteilernetz in extrem kurzer Zeit sicher zu schalten. Hierdurch werden Folgeschäden der Kurzschlüsse verhindert. Die Lasttrennschalter müssen Lastströme aus - und einschalten und nachgeschaltete Betriebsmittel, zum Beispiel zum Zwecke von Arbeiten, Freischalten. [2] Die Primärverteilung umfasst Schaltanlagen mit Leistungsschaltern wie z.b. in Umspannwerken von Hoch- auf Mittelspannung, in den Kraftwerken oder Haupteinspeisungen großer Gebäudekomplexe bzw. Infrastruktureinrichtungen. Die Sekundärverteilung verteilt die elektrische Energie entweder auf einer Mittelspannungsebene oder von der Mittel- auf Niederspannung weiter. In der Sekundärverteilung befinden sich überwiegend reine Schaltanlagen mit Lasttrennschalter, ergänzt um kombinierte Lasttrenn- /Leistungsschalteranlagen. 3. Stand der Technik Die ABB bietet den Betreibern von SF 6 - isolierten Mittelspannungsschaltanlagen ein komplettes Produktspektrum. Angefangen mit dem kleinsten Produkt SafeRing für die Sekundärverteilebene bis hin zum leistungsstärksten Produkt ZX2 für alle Anwendungen auf der Primärverteilebene in Einfach- und Doppelsammelschienenausführung Bild 1 Schaltfeld Typ ZX2 1 Bedieneinheit des Steuergerätes 2 3-Stellungsschalter-Antrieb 3 3-Stellungsschalter 4 Drucksensor (temperaturkompensiert) 5 Leistungsschalter-Antrieb 6 Sek. Ausleitung der Stromsignale 7 Kabelsteckbuchse 8 Kabelstecker 9 Zentraleinheit des Steuergerätes 10 Spannungswandler 11 Steck- und Prüfbuchse 12 Druckentlastungsscheibe 13 Stromwandler 14 Druckentlastungskanal 15 Leistungsschalter 16 Messbuchsen für kapazitives Spannungsanzeigesystem 17 Sammelschiene Bei Mittelspannungsschaltanlagen unterscheidet man die so genannte Primärverteilung von der Sekundärverteilung. Bild 2 ABB-GIS-Baureihe ZX In den fabrikfertigen, primär- und sekundärtechnisch stückgeprüften ZX- Schaltanlagen befinden sich alle wartungsfreien Aktivkomponenten in einer gasdichten Edelstahlkapselung unter SF 6, so dass Alterungsprozesse und Umweltbeeinflussungen ausgeschlossen sind. Alle hochspannungsführenden Teile sind somit dauerhaft vor Verschmutzung, Luftfeuchte, Fremdkörpern und sonstigen nachteiligen Einflüssen geschützt

3 Die gasdichten Module werden als hermetisch abgeschlossene Drucksysteme ausgeführt. Sie sind abhängig von der Kundenanforderung und dem Feldtyp, vielseitig kombinierbar und werden mittels Stecktechnik verbunden. Gasarbeiten außerhalb des Fertigungsstandortes werden also im Regelfall vermieden. Neueste Fertigungstechniken sichern schon heute die Qualitätsansprüche von Morgen. Die Kernmodule der ZX-Schaltfelder werden in modernsten Laserschneid- und schweißverfahren gefertigt. Die Sammelschienenstecktechnik ermöglicht es die werkseitig geprüften und mit SF 6 befüllten Felder vor Ort so zu montieren, dass in der Regel keine Gasarbeiten notwendig sind. Hierbei werden die im Gasraum befindlichen Sammelschienen der Schaltfelder über steckbare Sammelschienenverbindungen mit den Sammelschienen des Nachbarfeldes über ein Kontaktrohr mit Federkontakten und Silikonisolierteil gekoppelt. Das Silikonisolierteil trennt dabei das Hochspannungspotential vom Erdpotential. Die Oberflächen aller von außen zugänglichen elektrisch leitenden Komponenten sind versilbert. Aufgrund der axial beweglichen Kontaktrohre sind weitere Längsdehnungsausgleiche im Sammelschienenverlauf einer Schaltanlage nicht notwendig. Der Einsatz von Vakuumleistungsschaltern mit Federspeicherantrieb sichert uneingeschränkte mechanische und elektrische Funktionalität während der gesamten Lebensdauer Die Vakuumkammer-Polteile sind im SF 6 -gefüllten Leistungsschalterraum vor äußeren Einflüssen geschützt. Der Antrieb befindet sich im Geräteschrank und ist somit leicht zugänglich. Der Vakuumbogen brennt in der Regel bis zum ersten Strom-Null-Durchgang des Wechselstroms nach Öffnung der Kontaktstücke. Anschließend ist der Stromfluss aufgrund der sich rasch wiederverfestigten Vakuumschaltstrecke sicher unterbrochen. Leistungsschalter in der Funktion als Erdungsschalter ist qualitativ hochwertiger als jeder andere Erdungsschalter. Die Anzahl der Schaltungen auf einen Fehler sind erheblich höher und zuverlässiger. Die Dreistellungs-Trennschalter stellen allgemein kombinierte Trenn-/Erdungsschalter dar. Die drei Schaltstellungen Verbinden, Trennen, Erden werden durch den mechanischen Aufbau des Schalters eindeutig vorgegeben. Die zeitgleichen Schaltstellungen Verbinden und Erden werden somit ausgeschlossen. [4] 4. SF 6 als Isolier- oder Löschmedium Bei der Energieverteilung sind in der Mittelspannung unterschiedliche Technologien im Einsatz, um die vielfältigen Aufgaben der Energieversorgung für die Gesellschaft und die Industrie zu erfüllen. Zum einen handelt es sich dabei um das Schaltprinzip und zum anderen um die Art der Isolierung. Neben der sogenannten SF 6 -Technologie (Schwefelhexafluorid) werden auch andere Technologien wie luft-, feststoff- oder ölisolierte Betriebsmittel eingesetzt. [2] Die in der Primärverteilebene eingesetzten SF 6 -isolierten Leistungsschalteranlagen verwenden die Vakuumschaltkammer-Technologie. Hierbei sind die Vakuumschaltkammern zusammen mit allen anderen spannungsführenden Teilen in Schotträume eingebaut, die mit SF 6 als Isolationsmedium gefüllt sind. Auf der Sekundärverteilebene werden in der Hauptsache Lasttrennschalteranlagen (RMU = Ring Main Unit) eingesetzt (Bild 3). Sie sind das letzte Bindeglied in der Mittelspannung vor der Umspannung auf die Niederspannungsebene kleiner 1kV. Neben den Hauptfunktionen - Ein- und Ausschalten von Betriebsströmen und Kurzschlussabschaltungen übernimmt der Vakuumleistungsschalter in Verbindung mit einem Dreistellungs-Trennschalter die Erderfunktion. Zum Erden bereitet ein Dreistellungsschalter stromlos die Verbindung zur Erde vor. Die eigentliche Erdung wird über den Leistungsschalter hergestellt. Ein Bild 3 ABB-RMU: Typ SafeRing - 3 -

4 Die Lasttrennschalter in diesen Schaltanlagen müssen Lastströme schalten und dienen zusätzlich zum Freischalten elektrischer Betriebs- und Netzteile zum Zwecke von Arbeiten. Die Schalthäufigkeit und elektrische Beanspruchung beim Schalten der Ströme ist hier im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Leistungsschalteranlagen deutlich geringer. Die gängige gasisolierte Schaltanlagentechnik verwendet SF 6 als gemeinsames Isolier- und Schaltmedium in einem gasgefüllten Schottraum. Die Anlagen der Sekundärverteilung werden nahe bei den einzelnen Verbrauchern aufgestellt und in wesentlich höheren Stückzahlen produziert. Daneben finden im Falle von Einspeisestationen für Gewerbe, Industrie und Infrastruktur sogenannte Übergabestationen ihren Platz. Hier werden Lastschaltfunktionen in SF 6 mit Leistungsschalterfunktionen in Vakuum kombiniert. Grundsätzlich enthalten SF 6 -isolierte Mittelspannungs-Schaltanlagen im Vergleich zu Hochspannungsschaltanlagen nur geringe Mengen SF 6 bei sehr geringem Überdruck. Schwefelhexafluorid (SF 6 ) ist ein Gas, das seit ca in verschiedenen Anwendungen in elektrischen Betriebsmitteln der Energieübertragung und -verteilung im Spannungsbereich größer 1000 V aufgrund seiner besonderen physikalischen Eigenschaften zum Schalten und Isolieren verwendet wird. Bild 4 Durchschlagsspannung von SF 6 Auf Grund seiner guten chemischen und physikalischen Eigenschaften und des ausgezeichneten Isoliervermögens hat SF 6 für die Beherrschung der Übertragungsspannungen > 1 kv optimale Voraussetzungen. Es ist ein elektronegatives Gas, dessen dielektrische Festigkeit verglichen mit Luft bei Atmosphärendruck etwa 3-mal so hoch ist (Bild 4). Durch Druckerhöhung kann das Isoliervermögen etwa auf das 10-fache gegenüber Luft gesteigert werden, dementsprechend reduziert sich der Platzbedarf für die erforderlichen Schaltanlagen. [5] Da das SF 6 -Gas aus sehr großen Molekülen besteht, kann es für die ganze Lebensdauer einer Anlage (ca. 40 Jahre) eingeschlossen werden, ohne dass nennenswerte Mengen davon entweichen. SF 6 ist ein inertes, nicht brennbares, untoxisches, ozon-unschädliches Isoliermedium jedoch mit hohem Treibhauspotential. Der Anteil von SF 6 -Emissionen aus elektrischen Betriebsmitteln > 1kV am gesamten Treibhauspotenzial in Deutschland 2003 beträgt weniger als 0,05%. Trotzdem hat sich die deutsche Energietechnikbranche unter anderem durch eine Selbstverpflichtung bei elektrischen Betriebsmitteln > 1kV zu einem verantwortungsbewussten Umgang mit SF 6 bekannt. SF 6 -Produzenten, Hersteller und Betreiber von SF 6 -haltigen elektrischen Betriebsmitteln verpflichten sich die Emissionen von SF 6 bei der Herstellung von elektrischen Betriebsmitteln, bei deren Inbetriebnahme und Betrieb sowie bei der Rückgewinnung, beim Recycling (einschließlich Re-Use) und bei der Beseitigung des SF 6 weitgehend zu minimieren. Auf Grund der erfolgreichen Umsetzung der Selbstverpflichtung von 1997 ist bereits eine Reduktion der Emissionsraten erreicht worden. Die Gesamtemissionen aus Schaltanlagen und -geräten haben sich seit 1995 auf Grund der Selbstverpflichtung - unter anderem durch verbesserte Fertigungs-, Montage- und Entsorgungsprozesse - bis heute um 50 % verringert. In einer Ökobilanzstudie [6] zur Energieverteilung im Mittelspannungsbereich wurden Aufschlüsse über die Beiträge zum Treibhauseffekt gegeben. Dabei wurde ein Umweltprofil mit einem Vergleich zwischen luftisolierten und SF 6 -isolierten Schaltanlagen erarbeitet. Die Studie wurde gemäß internationaler Normen durchgeführt und von einem unabhängigen Gutachter des TÜV NORD CERT geprüft. Es wurden hierfür repräsentative Netze der Energieverteilung in städtischen und ländlichen Gebieten analysiert. Demnach kommen 92 Prozent der durch die Energieverteilung - 4 -

5 bedingten Beiträge zum Treibhauseffekt durch Strom-Wärme-Verluste der Kabel, Freileitungen und Transformatoren zu Stande, nur acht Prozent gehen auf Schaltanlagen zurück. Auf der Ebene der Schaltanlagen ergaben sich ferner bei den vier untersuchten Kriterien Energiebedarf, Treibhauspotenzial, saurer Regen und Gewässerüberdüngung jeweils deutlich günstigere Bewertungen für den Einsatz von SF 6 -isolierten gegenüber luftisolierten Anlagen. So schnitt SF 6 unter anderem beim Treibhauspotenzial um rund 20 Prozent besser als Luft ab, weil auf Grund der kompakteren Bauweise der SF 6 -isolierten Schaltanlagen z. B. schon der Energieaufwand für das benötigte Material und für die Herstellung der Anlagen erheblich niedriger ist. Außerdem fallen in der Betriebsphase die Strom-Wärme-Verluste der Schaltanlagen geringer aus. Zusammenfassend hat die Studie also ergeben, dass Strom-Wärme-Verluste den Beitrag zum Treibhauseffekt in diesem Gebiet dominieren. Schaltanlagen haben nur einen recht geringen Anteil. Zudem hat sich im Bereich der Schaltanlagen gezeigt, dass das Treibhauspotenzial (GWP) einer GIS kleiner ist als einer AIS. Somit wurde durch die Studie die Erkenntnis gewonnen, dass sich die Verwendung von SF 6 als ökologisch sinnvoll erweist. Allgemein sei noch anzumerken, dass der Treibhauseffekt [7] ein natürliches Phänomen ist, das dazu beiträgt Leben auf der Erde überhaupt zu ermöglichen. Er entsteht durch die natürlichen Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan. Diese sind für die Strahlung der Sonne durchlässig, absorbieren jedoch die von der Erde reflektierte Infrarotstrahlung. Ohne die Treibhausgase würde die Wärme der Sonne in den Weltraum zurück reflektiert, und die Temperatur auf der Erde wäre niedriger. Die Treibhausgase halten also die Sonnenenergie in der Atmosphäre fest. Folge ist eine höhere Durchschnittstemperatur unseres Planeten im Vergleich zu der Temperatur, die sich dann einstellen würde, wenn es diesen Treibhauseffekt nicht geben würde. Die Wissenschaft schätzt, dass diese Temperaturerhöhung bis zu 33 ºC ausmacht (von 18 ºC auf die tatsächliche Temperatur von 15 ºC). Dieses natürliche Phänomen, das bei weitem die größte Komponente darstellt, und die Aktivitäten des Menschen tragen zum gesamten Treibhauseffekt bei. 5. Vergleich N 2 zu SF 6 Die dielektrische Festigkeit von Stickstoff (N 2 ) ist um den Faktor 2,5 bis 3 mal niedriger als die von SF 6. Eine Schaltanlage, die anstelle von SF 6 mit N 2 gefüllt ist, erreicht daher ein deutlich niedrigeres Isoliervermögen. Das hat mehrere Konsequenzen: bei gleichem Behälter und Fülldruck und ohne zusätzlichen Maßnahmen der Elektrodenpflege (Optimierung des elektrischen Feldes) hat die Schaltanlage eine um ein bis zwei Stufen reduzierte Bemessungsspannung, und kann daher auch nur für eine niedrigere Betriebsspannung eingesetzt werden (z.b. 36 kv SF 6 entspricht nur noch 12 kv N 2 ). Um die Verschlechterung des Isoliervermögens auszugleichen, müsste - bei identischer Anlagengeometrie - der Gasdruck entsprechend erhöht werden. Dies lässt jedoch die herkömmliche Konstruktion der Gehäuse von Mittelspannungsschaltanlagen und der Berstscheiben nicht zu, sie müssen dann grundsätzlich für den höheren Betriebsdruck bemessen sein. Dies geht bei quaderförmigen Gehäusen nur in engen Grenzen, bei höheren Drücken sind runde Gehäuse (Rohranlagen) notwendig. Der Betriebsdruck ist aber auch nach oben hin auf 3 bar (0,3 MPa) begrenzt, wenn die Schaltanlage nicht unter die Auflagen der europäischen Druckbehälterverordnung fallen soll. Weiterhin führt N 2 zu schlechteren Isoliereigenschaften an Grenzflächen - z.b. N 2 zu Gießharz, was sich in der Entstehung von Gleitentladungen auswirkt. Deshalb wird eine mit N 2 gefüllte Funktionseinheit (die nicht grundsätzlich dafür bemessen ist) in Summe nicht dieselbe Qualität und inhärente Sicherheit der Isolation aufweisen wie eine SF 6 -gefüllte Anlage. Für Stickstoff wäre eine andere Konstruktion (z.b. Isolatorformen mit Rippen zur Kriechwegverlängerung) notwendig. In Bezug auf die Wärmeübertragung ist die Wärmeleitung von N 2 geringfügig besser als von die SF 6 (Faktor 1,3) jedoch die Konvektion wesentlich schlechter (Faktor 0,4). In Summe ist die Wärmeabfuhr in N 2 -gefüllten Anlagen deutlich ungünstiger. Wenn die Schaltanlage nicht durch entsprechende konstruktive Maßnahmen (zusätzlicher Aufwand) gestaltet ist, kann sie mit N 2 -Füllung nur mit deutlich kleineren Betriebsströmen belastet werden. Konstruktiv haben allerdings einige SF 6 - isolierte Anlagen die Grenze erreicht, so dass typische Nennströme unter N 2 nicht mehr erreichbar wären (insbesondere 2500 A Anwendungen, und/oder 55 C Umgebungstemperatur). Beim Schaltvermögen gibt es den markanten Unterschied, dass SF 6 ein wesentlich höheres - 5 -

6 Lichtbogen-Löschvermögen besitzt als N 2. Es beruht auf dem thermischen Verhalten und dem Ionisationsverhalten. Ab etwa 1500 K wird SF 6 in seine atomaren Bestandteile zerlegt, ab etwa 4000 K ist diese Dissoziation vollständig. Dazu ist viel Energie notwendig, die dem Lichtbogen entzogen wird. Außerhalb des Lichtbogens, im Bereich niedrigerer Temperatur rekombinieren die Atome wieder zu SF 6 und die Energie wird wieder frei. Durch diesen Vorgang wird schnell viel Energie aus dem Lichtbogen transportiert, es verbleibt nur ein dünner, heißer Kern, der allein leitfähig ist. Im Nulldurchgang des Stromes kann dieser Kern sehr schnell unter 3000 K abgekühlt werden und das Gas ist nicht mehr leitfähig. Bei N 2 dagegen wird die Wärme nur durch Konvektion und Strahlung abgeführt. Der Durchmesser und das Volumen des heißen, leitfähigen Kerns ist ein Vielfaches und die Entionisierung dauert entsprechend länger und bedarf stärkerer Beblasung. Leistungsschalterraumes sowie dem Geräteschrank. Der Leistungsschalterraum sowie der Sammelschienenraum sind gasgefüllt. Es besteht keine gasseitige Verbindung der beiden Räume untereinander sowie zu Gasräumen benachbarter Felder. Die stromtragende Verbindung zwischen Leistungsschalter des Leistungsschalterraumes und dem Dreistellungs-Trennschalter im Sammelschienenraum erfolgt über Gießharzdurchführungen. Der Sammelschienenraum beinhaltet neben dem Dreistellungs-Trennschalter natürlich das Sammelschienensystem. Die Sammelschienenverbindung zum Nachbarfeld erfolgt über beidseitig an der Kapselung angeordnete Steckverbindungen. Auch für Lastschalter in RMU trifft zu, dass die Arbeitsweise der Löscheinrichtung mit dem Löschmedium eng abgestimmt ist. Da kleine Ströme in SF 6 nahezu von selbst verlöschen, kommen SF 6 -Lastschalter mit sehr einfachen Löscheinrichtungen aus. Deshalb sind SF 6 - Schalter für RMU, die ja nur kleine Ströme ausschalten können müssen, sehr einfach gestaltet und damit besonders wirtschaftlich. Würde man den unveränderten Schalter mit N 2 betreiben, wäre in einer RMU das Lastschaltvermögen anzuzweifeln. Erst recht sind dort Probleme bei Fehlerströmen zu erwarten, wie z.b. beim Ausschalten unter Erdschlussbedingungen, bei denen der Schalter Ströme gegen eine erhöhte wiederkehrende Spannung unterbrechen können muss. 6. Schaltanlagendetails am Beispiel ZX1.2 Bild 6 ABB-Leistungsschalterfeld ZX1.2 Bild 5 Einpoliger Übersichtsschaltplan typischer GIS- Felder ZX1.2 Jedes Kabelabgangsfeld besteht in seinem modularen Aufbau aus dem Leistungsschalterraum, dem Sammelschienenraum, dem Kabelanschlussraum, dem unteren Druckentlastungskanal, der Druckentlastung des Im montagefreundlichen 1,25 Meter hohen Kabelanschlussraum befinden sich die Haupt-Erdungsschiene, die Hochspannungskabel mit montierten Kabelstecker sowie Kabelhalterungen und eventuelle Überspannungsableiter. Optional kann der Kabelanschlussraum Ringkernstromwandler oder stromsensoren beinhalten. Zur Strom- und Spannungserfassung können wahlweise konventionelle Strom- und Spannungswandler und/oder Strom- und Spannungssensoren eingesetzt werden. Als Stromwandler werden Einleiterstromwandler sowie Wickelstromwandler verwendet

7 Auf Grund der Verwendung von magnetischen Kernen ist der Stromwandler nicht hysteresefrei. Induktive Spannungswandler können auch als Transformatoren geringer Leistung bezeichnet werden, bei denen die Sekundärspannung der Primärspannung praktisch proportional und phasengleich ist. Die Primär- und Sekundärwicklungen sind galvanisch voneinander getrennt. Der Stromsensor arbeitet nach dem Prinzip der Rogowski-Spule. Hierbei handelt es sich um eine Spule, die aus einer einheitlichen Wicklung auf einem geschlossenen, nicht magnetischen Kern konstanten Querschnitts besteht. Die im Sekundärkreis induzierte Spannung ist proportional der zeitlichen Änderung des Primärstromes. Beim Spannungssensor findet das Prinzip des ohmschen Spannungsteilers Anwendung. Das Ausgangssignal ist über den Arbeitsbereich des Sensors linear. [8] Als Erdschlusswandler werden spezielle Ringkernwandler eingesetzt. Da alle Energiekabel eines Schaltfeldes durch den Wandler geführt werden, muss die Öffnung des Wandlers entsprechend groß bemessen sein. Aufgrund ihrer Baugröße werden Erdschlusswandler in der Regel unterhalb des Schaltfeldes im Kabelkeller montiert. Die Gasräume der einzelnen, aneinandergereihten Schaltfelder sind nicht untereinander verbunden. Der Betriebsdruck der einzelnen Gasräume wird durch separate Dichtesensoren (temperaturkompensierte Drucksensoren) überwacht. Das Unterschreiten des Pegels für Warnmeldung für Isolation(120 kpa) eines Gasraumes wird angezeigt. Der Betrieb des Leistungsschaltfeldes bei Druckausgleich (100 kpa) ist möglich, wenn der SF 6 -Gehalt des Isoliergases mindestens 95% beträgt. 7. Überblick zur Sekundärtechnik Im Laufe der Weiterentwicklung der Schaltanlagentechnik und deren Sekundärtechnik wurden verschiedene Ansätze verfolgt, die sich Schritt für Schritt auf dem Markt als unverzichtbare Komponente - z. B. digitale Schutzrelais etablieren konnten. Für die Stellungserfassung werden auch heute noch zwangsgeführte Hilfsschalterkontakte verwendet. In modernen Schaltanlagen finden jedoch vermehrt induktive Näherungssensoren Verwendung, die bereits millionenfach in der Automatisierungstechnik eingesetzt werden. Zur zusätzlichen Anzeige sind am jeweiligen Gerät LEDs in den Stellungssensoren integriert. Mechanische feldinterne Verriegelungen wurden durch den Einsatz von Sperrmagneten vereinfacht. Ferner ermöglicht dieser Einsatz auch die Verriegelung von feldübergreifenden Funktionen. Inzwischen bieten moderne Kombigeräte und Leittechniksysteme auch komplexe Verriegelungslösungen an. Teilweise werden die Verriegelungsinformationen sogar über die Leittechnik realisiert. Die Verdrahtung der Sekundärtechnik erfolgte ursprünglich über eine Parallelverdrahtung von Feldebene zur Stationsebene, was zur Folge hatte, dass eine Vielzahl an Kupferadern eingesetzt werden musste. Durch den Einsatz von Lichtwellenleitern wurde der Verdrahtungsaufwand reduziert und die Übertragungsrate erheblich erhöht. Für die Leittechnikanbindung gibt es eine Vielzahl an Protokollen wie SPAbus, MODBUS, Profibus-DP bzw. -FMS, DNP 3.0, MVB, LON. Die Verknüpfung unterschiedlicher Protokolle erfolgt mittels eines Gateways. Der Forderung seitens der Anwender nach interoperabelen Kommunikationssystemen wie zum Beispiel IEC /-103 /-104 wurde also entsprochen. Darüber hinaus beschreibt IEC den Anschluss von verteilten Systemen - wie Schutzfunktionen, Messwerterfassung, Aktoren, Sensoren - die mittels Ethernetverbindungen kommunizieren. Autor: Andreas Reimüller, März 2005 Literatur [1] Aufermann A.; Fink, H.; Hyrenbach M.; Reimüller A.: Neue gasisolierte Schaltanlage für alle Mittelspannungsanwendungen. etz, Heft 18/2001 [2] SF 6 in Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen VDN, ZVEI, Oktober 2004 [3] Baur A.; Büscher A.; Meier H.; Merisowsky I.; Neumann C., Plöger F.; Reimüller A. Einsatz und Betrieb von SF6-isolierten Mittelspannungsschaltanlagen unter ökologischen Gesichtspunkten ETG-Fachbericht 98, 1.März 2005 [4] TK501/01 ZX1.2 technischer Katalog ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH, Ratingen [5] Schwefelhexaflourid Produktbroschüre Solvay Flour und Derivate [6] Ökobilanzstudie SF 6 -GIS-Technologie in der Energieverteilung Mittelspannung Hannover 2003 [7] Capiel HV-ESDC1-R The Greenhouse Effect [8] Burger J.; Rijanto H.; Schels W. Integrierte Schutz- und Steuerungstechnik mit Stromund Spannungssensorik - ETG-Fachtagung, 14.Februar