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Vakuum-Leistungsschalter: Barrieren durchbrechen am oberen Ende des Spannungsspektrums
Was während der Löschung eines Vakuumlichtbogens geschieht: schnelle Wiederherstellung des Plasma-Lichtbogens und rasche Stromwiederaufnahme
Wenn die Kontakte des Vakuum-Leistungsschalters öffnen, wird ein Metall-Dampf ionisiert und bildet einen Plasma-Lichtbogen. Bei extremem Vakuum (Druck < 10⁻⁴ Torr) lagern sich die geladenen Teilchen durch Vakuum-Deposition auf den Kontakten ab, wodurch die schnelle Wiederverbindung des Plasma-Lichtbogens innerhalb von 1–5 ms ermöglicht wird. Dies erlaubt zudem, dass die Stromhülle vor dem nächsten Spannungsimpuls des Systems eine schnelle Isolierung des Systems bereitstellt, sodass eine zuverlässige Steuerung des Lichtbogens genau beim ersten Zeitpunkt gewährleistet ist, zu dem der Strom auf Null absinken soll, sowie eine gezielte Steuerung der Lichtbogenbildung. Das Vakuumniveau ermöglicht für den Elektronenfluss eine mittlere freie Weglänge, die etwa das Tausendfache derjenigen von SF₆-Gas beträgt. Dies ist der grundlegende Grund dafür, dass Vakuum-Leistungsschalter bei der sicheren Unterbrechung elektrischer Ströme über Gas- und Luft-Leistungsschaltern liegen.
Unter-15-ms-Unterbrechungsgeschwindigkeit und bessere Nulldurchgangsunterdrückung als SF₆- und Luft-Leistungsschalter.
Bei der Fehlerunterbrechung können Vakuum-Schaltgeräte Fehler in 15 ms oder weniger beseitigen, was 30–50 % schneller ist als bei SF6- oder luftisolierten Systemen. Da sich ein Vakuum-Schaltgerät im Vakuum befindet, wird die Geschwindigkeit, mit der es eine Unterbrechung überwinden kann, nicht durch komplexe Gasströmungsmechanismen bestimmt – was jedoch bei gasisolierten Isolatoren der Fall ist. In der Spannungsklasse von 72,5 kV weist die Vakuum-Schaltgeräte-Technologie bei jenen störenden TRV-Werten (Transient Recovery Voltage) nahezu eine dreimal bessere Leistung als SF6 auf, verglichen mit dem, was die meisten Ingenieure als Durchschnittswert ansehen. Die meisten Ingenieure gehen davon aus, dass herkömmliche luftisolierte Schaltmechanismen mindestens 8 bis 10 Strom-Null-Durchgänge benötigen, bevor sie einen Lichtbogen zuverlässig unterbrechen können. Vakuum-Schaltgeräte hingegen sollen sämtliche Lichtbögen (bis zu 99,8 % Lichtbogenlöschung gemäß IEC 62271-100) innerhalb von zwei oder weniger Strom-Null-Durchgängen unterbrechen. Praxisnahe Anwendungen von Vakuum-Schaltgeräten haben zudem deutlich geringere Spannungsspitzen gezeigt. Praxisversuche haben außerdem ergeben, dass die Anzahl der Spannungsspitzen um ca. 40 % niedriger ist als bei gasisolierten Vakuum-Schaltern. Eine hohe elektrische Festigkeit ermöglicht eine kompakte und zuverlässige Hochspannungsintegration.
Innere elektrische Festigkeit des Vakuums (>30 kV/cm) und skalierbares Kontaktspalt-Design für Anwendungen im Spannungsbereich von 72,5–145 kV
Das Vakuum weist eine außergewöhnliche elektrische Festigkeit von über 30 kV/cm auf, wodurch eine effiziente Isolierung hochspannungsfähiger Systeme ohne zusätzliche Gase möglich ist. Diese Eigenschaft ermöglicht es Ingenieuren, den Kontaktspalt innerhalb der gängigen IEC-Nennspannungen von 72,5 kV bis 145 kV optimal zu dimensionieren. Im Gegensatz zu SF₆-Schaltern überzeugt die Vakuumtechnologie durch eine konstant hohe Leistungsfähigkeit unabhängig von Temperatur, Höhenlage und Luftfeuchtigkeit. Zudem entfallen bei der Vakuumtechnologie die Herausforderungen im Bereich Gasmanagement, was einen zuverlässigen Betrieb von Umspannwerken auch unter widrigen Umgebungsbedingungen gewährleistet.
Platz- und Gewichtsvorteile: 30–40 % geringerer Platzbedarf in GIS- und Hybrid-Umspannwerken im Vergleich zu SF₆-Schaltern
Vakuum weist eine sehr hohe Durchschlagfestigkeit auf, wodurch deutlich kleinere Kontaktabstände zwischen Komponenten möglich sind. Dies führt zu kleineren Unterbrechern und damit insgesamt kompakteren Schaltern. Die eingesparte Fläche ist erheblich. Bei Vergleichen von gasisolierten Schaltanlagen (GIS), die Vakuumtechnologie statt SF6 verwenden, wird üblicherweise rund 30 bis 40 Prozent weniger Raum benötigt. Auch die Betätigungsmechanismen sind leichter – in einigen Fällen bis zu 60 %. Dies ist insbesondere für Hybrid-Umspannwerke von Vorteil, da es die Busleitungsführung und die Geschwindigkeit von Nachrüstungen verbessert. Bei Netzmodernisierungen in ganz Europa berichteten zahlreiche Unternehmen nach der Implementierung der Vakuumtechnik auf der Standardspannungsebene von 145 kV über einen zusätzlichen Platzgewinn von rund 35 %.
Langfristige Zuverlässigkeit bei hohem Schaltzyklus im Hochspannungsbereich und geringem Wartungsaufwand
Mehr als 20.000 Schaltvorgänge < 0,001 % Ausfallrate gemäß IEEE C37.09-2018
Vakuum-Leistungsschalter, die hermetisch versiegelt sind und daher nicht von ihrer Umgebung beeinflusst werden, können mehr als 20.000 mechanische Schaltvorgänge durchführen, wobei die Ausfallrate gemäß IEEE C37.09-2018 unter 0,001 % liegt. Da keine Stellen für Gasaustritt oder dynamische Dichtungen vorhanden sind, bleibt die elektrische Festigkeit über viele Jahre im Betrieb erhalten. Felderfahrungen zeigen, dass viele Versorgungsunternehmen bei 72,5-kV-Komponenten eine Einsatzdauer von rund 30 Jahren vor dem Austausch verzeichnen. Umgekehrt erzielen Betreiber bei neueren Konstruktionen etwa 40 % Kosteneinsparungen. Die Zuverlässigkeit dieser Konstruktionen wird dadurch erhöht, dass sie auf bewegliche Teile und Gleitkontakte verzichten, die bei wiederholten Kurzschluss-Ausschaltvorgängen typischerweise ausfallen.
Kein Gasmanagement, keine feuchtebedingten Probleme und keine toxischen Zersetzungsprodukte – dies beseitigt die Hauptausfallursachen von SF₆-Systemen.
Vakuum-Ausschaltsysteme umgehen drei wesentliche Schwachstellen des Druckgas-Systems:
Kein Gasmanagement: Kein SF₆-Management, keine Leckageerkennung und kein teures Rückgewinnungsgasmanagement
Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit: Die feuchtebedingte elektrische Durchschlagbildung, eine Hauptursache für SF₆-Schalterausfälle, wird vermieden.
Nichttoxisch: Keine Kontamination des Gassystems durch metallische Fluorid-Nebenprodukte
Als Ergebnis zeigten Versorgungsunternehmens-Fallstudien, dass sich der Wartungsaufwand um 75 % verringerte. Zudem konnten sie die in den EPA-Konformitätsaudits genannten durchschnittlichen jährlichen SF₆-Emissionsstrafen in Höhe von 740.000 US-Dollar vermeiden. Die Festkontakt-Ausführung vermeidet zudem die Kontakterosion und -zersetzung, die bei Gasunterbrechern nach wenigen Kurzschlussvorgängen auftritt.
Sich weiterentwickelnde Spannungsbereiche: Von Mittelspannung bis Hochspannung
Einsätze
Standardisierte Vakuum-Leistungsschalter haben Nennspannungen (12–145 kV) und 145-kV-Anlagen für Versorgungsunternehmen
Vakuum-Leistungsschalter haben sich kürzlich weiterentwickelt, um ihre Einsatzfähigkeit in Mittelspannungs- und Hochspannungssystemen mit 145 kV zu verbessern. Die Weiterentwicklung von Kontaktschaltmaterialien, Vakuumtechnik, Dichtungstechnik und elektromagnetischer Betätigung hat ihre Anwendung in 145-kV-Anlagen optimiert. Sie weisen eine Betriebsabschaltkapazität von bis zu 40 kA (d. h. < 20 ms) auf. Diese Leistungsschalter ersetzen größere Primärausrüstungslösungen in extrem breiten Temperaturbereichen von −40 bis +55 Grad Celsius sowie unter Berücksichtigung des Fehlens umweltschädlicher Gase.
Vakuum-Löschtechnologie für 245 kV: IEC 62271-100-Normen und Entwicklungen von Mehrfach-Löschkammer-Reihenschaltern
Hersteller haben die Vakuumtechnologie für Anwendungen mit 245 kV unter Verwendung von Serienschaltunterbrechern mit mehreren Unterbrechungsstellen kommerzialisiert. Im Wesentlichen werden mehrere Vakuum-Unterbrecher so zusammengeschaltet, dass die Spannung gleichmäßig auf mehrere Geräte verteilt wird, anstatt sich an einer einzigen Stelle zu konzentrieren. Diese Konstruktionen erfüllen kürzlich die IEC-62271-100-Norm für eine Ausschaltleistung von 245 kV / 50 kA – ein bedeutender Durchbruch für die Branche. Ein Prototypmodell ist so ausgelegt, dass es den Stromfluss innerhalb von zwei elektrischen Zyklen unterbricht und damit 40 % schneller ist als herkömmliche Einzelunterbrecher. Zusätzlich verwendet dieses Modell Kontaktsysteme aus Kupfer-Chrom (Cu/Cr), die den Abschaltstrom auf < 3 A reduzieren.
mehrere frühe Prototypmodelle wurden seit letztem Jahr in das europäische Stromnetz integriert. Die meisten Branchenexperten gehen davon aus, dass die Vakuumtechnologie langfristig SF6-Gas in Hochspannungsanwendungen ersetzen wird, bei denen Umweltbedenken im Vordergrund stehen.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Was ist der Hauptvorteil der Verwendung von Vakuum-Leistungsschaltern im Vergleich zu SF6- und Luftschalt-Systemen?
Bei Hochspannungssystemen weisen Vakuum-Leistungsschalter eine schnellere Wiederherstellung der elektrischen Festigkeit auf, was zu einer schnelleren Löschung des Lichtbogens und geringeren Spannungsspitzen führt. Dies bedeutet, dass Vakuum-Leistungsschalter deutlich effizienter arbeiten können als die anderen Systeme.
Was können Sie mir über das Design von SF6-Schaltern sagen, das es Vakuum-Stromunterbrechern ermöglicht, kompakter zu sein?
Da SF6-Schalter eine geringere elektrische Festigkeit aufweisen, benötigen sie größere Kontaktabstände. Daher benötigen Vakuum-Stromunterbrecher etwa 30–40 % weniger Platz als SF6-Schalter.
Vakuum-Leistungsschalter weisen eine Lebensdauer von über 20.000 Schaltvorgängen auf und weisen daher eine geringe Ausfallrate auf. Diese niedrige Ausfallrate bedeutet, dass sie etwa 30 Jahre lang zuverlässig betrieben werden können. Die geringe Ausfallrate und hohe Zuverlässigkeit führen dazu, dass Vakuum-Leistungsschalter gegenüber älteren Technologien etwa 40 % geringere Kosten verursachen, da weniger Wartung und Reparaturen erforderlich sind.
Gibt es beim Einsatz von Vakuum-Leistungsschaltern gegenüber SF6-Schaltern auch ökologische Vorteile?
Selbstverständlich! Vakuum-Leistungsschalter eliminieren die Notwendigkeit für Gas-Management-Systeme und sind zudem feuchtigkeitsunempfindlich. Es entstehen nahezu keine gefährlichen Nebenprodukte. Dadurch ergeben sich sowohl geringere Umweltkosten als auch geringere finanzielle Kosten im Vergleich zu SF6-Systemen.