Gasisolierte Schaltanlage

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gasisolierte Schaltanlage

Eine gasisolierte Schaltanlage (GIS - Gas Insulated Switchgear) ist eine – im Unterschied zur luftisolierten Schaltanlage (englisch Air Insulated Switchgear – AIS) – vollständig gasdicht gekapselte Schaltanlage für Hochspannung und Mittelspannung, die zur Isolierung den oder die elektrischen Leiter mit Schwefelhexafluorid (SF6) als Schutzgas umgibt. Damit sind, im Gegensatz zu luftisolierten Schaltanlagen, kompakte Schaltanlagen in engen Räumen realisierbar.

Grundlagen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schaltfeld einer GIS für 110 kV
2 Stück 20 kV-Schaltschränke des Biomasseheizkraftwerkes Steyr, Links beginnend mit den Schaltfeldern: Trafoabgang, 2 mal schaltbarer Kabelabgang, Längstrenner, Messzelle; 3 mal Leistungsschalter

Gasisolierte Schaltanlagen sind wesentlich kompakter als luftisolierte Schaltanlagen, weil SF6 eine drei- bis vierfach höhere Durchschlagsfestigkeit als Luft bei Normaldruck besitzt. Außerdem unterstützt SF6 das Verlöschen von Funkenstrecken effektiver als Luft. Gasisolierte Schaltanlagen sind in der Regel für Innenräume konzipiert, können aber problemlos für das Außengelände umgerüstet werden. GIS haben luftisolierte Schaltanlagen im Bereich Innenraumanwendung durch ihre geringere Baugröße fast vollständig verdrängt. Luftisolierte Schaltanlagen in Mittelspannungsnetzen bis ca. 20 kV waren lange Zeit billiger in ihren Anschaffungs- und Unterhaltskosten, jedoch sind fernsteuerbare gasisolierte seit der Jahrtausendwende wesentlich billiger im Betrieb und sind herstellerabhängig wartungsfrei.[1]

Das Isolationsgas wird dabei unter Druck von 5 bar bis 10 bar gehalten, um die Isolationsfähigkeit sicherzustellen. Der Grund für den gegenüber Normaldruck erhöhten Gasdruck liegt darin, dass so die mittlere Weglänge der freien Elektronen im Gas, beschrieben durch das Paschen-Gesetz, reduziert ist. Durch die elektrische Feldstärke können Elektronen bei hohem Gasdruck im Mittel nicht so stark wie bei Normaldruck beschleunigt werden und stoßen an die SF6-Moleküle.[2]

Weil SF6 das schädlichste aller Treibhausgase ist, ca. 23.000-mal stärker als CO2, war diese Marktentwicklung aufgrund des drohenden Verbots zeitweise gestoppt. Mittlerweile gelten jedoch Ausnahmeregelungen für gasisolierte Schaltanlagen, die mit geringen Mengen austretenden Gases und geordneter Entsorgung begründet wurden. Weiters kann durch verschiedene Gasmischungen wie mit Stickstoff (N2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) der absolute SF6-Anteil am Isoliergas reduziert werden. Bei gasisolierten Rohrleitern (GIL) ohne Schaltvorgängen in den Rohrabschnitten kann so der SF6-Anteil auf rund 5 % gesenkt werden. Allerdings weisen diese Mischgase eine höhere Empfindlichkeit für Verunreinigungen auf, Verunreinigungen führen zu einer Reduzierung der Isolationsfestigkeit, und bedingen einen höheren Gasdruck, was den mechanischen Aufwand und Anlagekosten steigert.[2]

Als Alternative zu SF6 führte ABB im Jahr 2015 ein neues Isoliergas Air+ auf den Markt ein. Das neue Gasgemisch besteht aus Fluorketonen (C5F10O) und Kohlendioxid (CO2) oder Stickstoff. Im August 2015 wurde die erste Air+-isolierte Schaltanlage mit 170 kV und 24 kV vom Elektrizitätswerk der Stadt Zürich (ewz) in Betrieb genommen.[3]

Bauformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

GIS werden im Allgemeinen nicht als einzelner Leistungsschalter, sondern als Felder verkauft. Unter einem Feld versteht man den Leistungsschalter oder Lasttrennschalter, die Sammelschienen- und Leitungs(Kabel)trenner, den Leitungs(Kabel)erdungstrenner, die Strom- und Spannungswandler, die Kabelanschlüsse bzw. Freiluftdurchführungen und den Leistungsschalterantrieb.

Verhalten bei innerem Fehler[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

GIS in einer Freiluftanlage mit Kabelüberführungsstation für 420 kV

Im Falle eines Fehlers im Inneren der Schaltanlage kann es zu einem Störlichtbogen kommen. Dabei können sehr hohe Überdrücke und Erwärmungen auftreten, welche die Schaltanlage mechanisch und thermisch beanspruchen und unter Umständen zerstören kann. Zum Nachweis der Eignung einer Schaltanlage hinsichtlich des Personenschutzes im Falle eines Störlichtbogens sind Störlichtbogenprüfungen durchzuführen. Dabei sind seit dem 1. Februar 2007 nach IEC 62271-200 folgende Kriterien im Störfall einzuhalten:

  • Ordnungsgemäß gesicherte Türen und Abdeckungen öffnen sich nicht
  • Das Gehäuse reißt nicht auf und es dürfen keine Teile mit einer Masse von mehr als 60 g von der Anlage weggeschleudert werden
  • Es entstehen keine Löcher in den zugänglichen Seiten der Schaltanlage
  • Die Indikatoren werden nicht durch heiße Gase entzündet
  • Die Kapselung der Schaltanlage bleibt mit ihrem Erdungspunkt verbunden

Alle ab dem 1. Februar 2007 neu errichteten Mittelspannungsschaltanlagen müssen die neue Norm IEC 62271-200 erfüllen. Bereits vorhandene Schaltanlagen können weiter nach IEC 60298 (der alten Norm) betrieben werden, folglich besteht Bestandsschutz für alle Schaltanlagen, die vor diesem Stichtag in Betrieb genommen wurden.

Ein innerer Fehler in elektrischen Hochspannungsanlagen, darunter Störlichtbögen, kann im Extremfall auch das Anlagengebäude analog einer Gasexplosion gefährden. Um den durch Störlichtbögen entstehenden Überdruck im Schaltanlagenraum zu beherrschen, werden Maßnahmen wie Absorberelemente in den Schaltanlagen, Druckentlastungskanäle und Druckentlastungsöffnungen in den Raumwänden zur Sicherung der Schalträume eingebaut.

Hersteller[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Gasisolierte Schaltanlagen. wienernetze.at. Abgerufen am 27. Februar 2016.
  2. a b H. Rebholz, W. Köhler, S. Tenbohlen: Dielektrische Festigkeit verschiedener Gase in GIS. Universität Stuttgart, 2005 (Online (PDF-Datei; 386 kB)).
  3. Breakthroughs in switchgear technology with eco-efficient gases as an alternative to SF6. ABB, abgerufen am 7. April 2017 (englisch).