Gasisolierte Schaltanlage

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Eine gasisolierte Schaltanlage (englisch gas-insulated switchgear, GIS) 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

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 Kohlenstoffdioxid (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

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

(c) I, Dingy, CC BY-SA 3.0

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 können. Bei Bersten der Schaltanlage und den schlagartig auftretenden Überdruck im Schaltanlagenraum kann im Extremfall auch das Anlagengebäude wie bei einer Gasexplosion gefährdet werden. Um durch austretendes Gas den Überdruck im Schaltanlagenraum zu beherrschen, werden bauliche Maßnahmen wie Absorberelemente in den Schaltanlagen, Druckentlastungskanäle und Druckentlastungsöffnungen in den Raumwänden zur Sicherung der baulichen Struktur vorgesehen.

Zum Nachweis der Eignung einer Schaltanlage hinsichtlich des Personenschutzes im Falle eines Störlichtbogens sind seit dem 1. Februar 2007 Störlichtbogenprüfungen bei Mittelspannungsschaltanlagen nach der Norm IEC 62271-200 durchzuführen. Für bereits vorhandene Schaltanlagen besteht Bestandsschutz.

Dabei sind 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.

Weblinks

Commons: Gasisolierte Schaltanlagen – Sammlung von Bildern

• Schaltanlagen beim Energiemuseum Berlin
• GIS für die Hochspannung von ALSTOM
• GIS für die Hochspannung (>52 kV) von Siemens
• GIS für die Hochspannung (>52 kV) von ABB

Einzelnachweise

1. ↑ Gasisolierte Schaltanlagen. wienernetze.at, archiviert vom Original am 27. Februar 2016; abgerufen am 27. Februar 2016.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.wienernetze.at 
2. ↑ ^{a b} H. Rebholz, W. Köhler, S. Tenbohlen: Dielektrische Festigkeit verschiedener Gase in GIS. Universität Stuttgart, 2005 (Online [PDF; 386 kB]). 
3. ↑ Breakthroughs in switchgear technology with eco-efficient gases as an alternative to SF6. (PDF) ABB, abgerufen am 4. August 2020 (englisch).