Schaltanlagen

In einem elektrischen Energiesystem besteht eine Schaltanlage aus Trennschaltern, Sicherungen oder Leistungsschaltern, die zur Steuerung, zum Schutz und zur Trennung elektrischer Betriebsmittel dienen. Schaltanlagen werden sowohl zur spannungsfreien Abschaltung von Betriebsmitteln für Arbeiten als auch zur Behebung von Fehlern in nachgelagerten Anlagen eingesetzt. Diese Anlagen sind direkt mit der Zuverlässigkeit der Stromversorgung verbunden .

Die ersten zentralen Kraftwerke verwendeten einfache offene Messerschalter , die auf Isolierplatten aus Marmor oder Asbest montiert waren . Da die Leistungspegel und Spannungen rasant anstiegen, wurde das Öffnen manuell betätigter Schalter zu gefährlich, außer zur Trennung eines spannungsfreien Stromkreises. Ölgefüllte Schaltanlagen ermöglichen die Begrenzung und sichere Steuerung der Lichtbogenenergie. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts bestand eine Schaltanlage aus einer metallgekapselten Konstruktion mit elektrisch betätigten Schaltelementen und Ölleistungsschaltern. Heute sind ölgefüllte Anlagen weitgehend durch Druckluft-, Vakuum- oder SF₆- _Anlagen ersetzt worden , die die sichere Steuerung hoher Ströme und Leistungspegel durch automatische Anlagen ermöglichen.

Hochspannungsschaltanlagen wurden Ende des 19. Jahrhunderts zur Stromversorgung von Motoren und anderen elektrischen Maschinen erfunden. ^{[ 1 ]} Die Technologie wurde im Laufe der Zeit verbessert und kann heute mit Spannungen bis zu 1100 kV eingesetzt werden. ^{[ 2 ]}

Typischerweise befinden sich Schaltanlagen in Umspannwerken sowohl auf der Hoch- als auch auf der Niederspannungsseite großer Leistungstransformatoren . Die Schaltanlagen auf der Niederspannungsseite der Transformatoren können in einem Gebäude untergebracht sein, zusammen mit Mittelspannungs-Leistungsschaltern für die Verteilungskreise sowie Mess-, Steuerungs- und Schutzeinrichtungen. Für industrielle Anwendungen können Transformator und Schaltanlage in einem Gehäuse, einer sogenannten Kompaktstation (Unitized Substation , USS), kombiniert werden. Laut einer aktuellen Studie des Marktforschungsunternehmens Visiongain wird der weltweite Markt für Schaltanlagen bis 2029 voraussichtlich ein Volumen von 152,5 Milliarden US-Dollar erreichen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 5,9 % entspricht. Steigende Investitionen in erneuerbare Energien und die erhöhte Nachfrage nach sicheren und zuverlässigen elektrischen Verteilungssystemen werden dieses Wachstum voraussichtlich antreiben. ^{[ 3 ]}

Eine Schaltanlage besteht aus zwei Arten von Komponenten:

• Stromleitende Bauteile wie Schalter, Leistungsschalter, Sicherungen und Blitzableiter, die den Fluss elektrischer Energie leiten oder unterbrechen.
• Steuerungssysteme wie Schalttafeln, Stromwandler, Spannungswandler, Schutzrelais und zugehörige Schaltungen, die die stromführenden Komponenten überwachen, steuern und schützen.

Eine der grundlegenden Funktionen von Schaltanlagen ist der Schutz, d. h. die Unterbrechung von Kurzschluss- und Überlastströmen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Versorgung nicht betroffener Stromkreise. Schaltanlagen gewährleisten zudem die Trennung von Stromkreisen von der Stromversorgung. Darüber hinaus erhöhen sie die Systemverfügbarkeit, indem sie die Versorgung einer Last durch mehrere Stromquellen ermöglichen.

Schaltanlagen sind so alt wie die Stromerzeugung selbst . Die ersten Modelle waren sehr primitiv: Alle Komponenten wurden einfach an einer Wand befestigt. Später wurden sie auf Holzplatten montiert. Aus Brandschutzgründen wurde das Holz durch Schiefer oder Marmor ersetzt . Dies führte zu einer weiteren Verbesserung, da die Schalt- und Messgeräte an der Vorderseite angebracht werden konnten, während die Verkabelung auf der Rückseite verlief. ^{[ 4 ]}

Schaltanlagen für niedrigere Spannungen können vollständig in Gebäuden untergebracht werden. Bei höheren Spannungen (über ca. 66 kV) werden Schaltanlagen typischerweise im Freien montiert und luftisoliert, was jedoch viel Platz benötigt. Gasisolierte Schaltanlagen sind platzsparender als luftisolierte, allerdings sind die Anschaffungskosten höher. Ölisolierte Schaltanlagen bergen die Gefahr von Ölaustritt.

Die Schalter können manuell betätigt werden oder über Motorantriebe verfügen, um eine Fernsteuerung zu ermöglichen.

Eine Schaltanlage kann ein einfacher, offener Trennschalter sein oder durch ein anderes Material isoliert sein. Eine effektive, wenn auch kostspieligere Bauform ist die gasisolierte Schaltanlage (GIS), bei der die Leiter und Kontakte durch ein unter Druck stehendes dielektrisches Gas isoliert sind . Weitere gängige Typen sind öl- und vakuumisolierte Schaltanlagen.

Die Kombination der Geräte im Schaltanlagengehäuse ermöglicht das Unterbrechen von Fehlerströmen in Höhe von Tausenden von Ampere. Ein Leistungsschalter (im Schaltanlagengehäuse) ist die primäre Komponente zur Unterbrechung von Fehlerströmen. Das Erlöschen des Lichtbogens beim Auslösen des Leistungsschalters (Unterbrechen des Stromkreises) erfordert eine sorgfältige Konstruktion. Leistungsschalter lassen sich in sechs Typen unterteilen:

Öl-Leistungsschalter nutzen die Verdampfung eines Teils des Öls, um einen Ölstrahl entlang des Lichtbogens zu erzeugen. Der beim Lichtbogen entstehende Dampf besteht hauptsächlich aus Wasserstoffgas . Mineralöl besitzt bessere Isolationseigenschaften als Luft. Sobald sich stromführende Kontakte im Öl trennen, zündet der Lichtbogen im Leistungsschalter im Moment der Kontakttrennung. Durch diesen Lichtbogen verdampft das Öl und zersetzt sich hauptsächlich zu Wasserstoffgas , wodurch sich eine Wasserstoffblase um den Lichtbogen bildet . Diese stark komprimierte Gasblase verhindert ein erneutes Zünden des Lichtbogens, nachdem der Strom den Nulldurchgang des Zyklus erreicht hat. Der Öl-Leistungsschalter zählt zu den ältesten Leistungsschaltertypen.

Leistungsschalter können Druckluft (Blitz) oder die magnetische Kraft des Lichtbogens selbst nutzen, um diesen zu verlängern. Da die Länge des Lichtbogens von der verfügbaren Spannung abhängt, erlischt er schließlich von selbst. Alternativ werden die Kontakte schnell in eine kleine, abgedichtete Kammer geschwenkt, wodurch die verdrängte Luft entweicht und den Lichtbogen ausbläst.

Leistungsschalter sind in der Regel in der Lage, den gesamten Stromfluss sehr schnell zu unterbrechen: typischerweise zwischen 30 ms und 150 ms, abhängig vom Alter und der Bauart des Geräts.

Gasleistungsschalter dehnen den Lichtbogen manchmal mithilfe eines Magnetfelds und verlassen sich dann auf die Durchschlagsfestigkeit von Gasen wie SF6, _um den gedehnten Lichtbogen zu löschen.

Leistungsschalter, die Kohlendioxid als Isolier- und Lichtbogenlöschmedium verwenden , funktionieren nach denselben Prinzipien wie ein Leistungsschalter mit Schwefelhexafluorid (SF₆ _{) . Da SF₆} ein deutlich klimaschädlicheres Treibhausgas als _CO₂ ist , lassen sich durch den Wechsel von SF₆ _zu CO₂ _die Treibhausgasemissionen über den gesamten Produktlebenszyklus um 10 Tonnen reduzieren. ^{[ 5 ]}

_{Aufgrund der EU-Vorgabe, die Verwendung von SF₆} -Gas in GIS bis 2024 schrittweise einzustellen , gab es branchenweite Bemühungen, alternative dielektrische Gase zu finden. ^{[ 6 ]} Zu den untersuchten Alternativen gehören verschiedene Gemische natürlicher Gase aus der Atmosphäre (Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff) sowie neue künstliche dielektrische Gase, die deutlich weniger klimaschädlich sind als SF₆ _. Alternative Gase zu SF₆ _weisen in der Regel schlechtere dielektrische Eigenschaften auf, sodass die GIS für die gleiche Nennleistung größer dimensioniert werden müssen und mehr Material für ihre Herstellung benötigen.

Hybrid-Schaltanlagen kombinieren Komponenten herkömmlicher luftisolierter Schaltanlagen (AIS) und SF₆ _- gasisolierter Schaltanlagen (GIS). Sie zeichnen sich durch eine kompakte und modulare Bauweise aus, die mehrere Funktionen in einem Modul vereint.

Vakuumschalter weisen minimale Lichtbogeneigenschaften auf (da außer dem Kontaktmaterial nichts ionisiert werden kann ). Der Lichtbogen erlischt daher bereits bei geringer Dehnung (< 2–8 mm). Nahe Nullstrom ist der Lichtbogen nicht heiß genug, um ein Plasma aufrechtzuerhalten, und der Stromfluss stoppt. Die Funkenstrecke kann dann dem Spannungsanstieg standhalten. Vakuumschalter werden häufig in modernen Mittelspannungsschaltanlagen bis 40.500 Volt eingesetzt. Im Gegensatz zu anderen Schaltertypen sind sie jedoch prinzipiell ungeeignet zum Unterbrechen von Gleichstromfehlern. Der Grund dafür ist, dass es bei Gleichstrom keine Nullstromphase gibt. Der Plasmalichtbogen kann sich durch die kontinuierliche Vergasung des Kontaktmaterials selbst nähren.

Leitungsschutzschalter und Sicherungen schalten ab, wenn der Strom einen voreingestellten sicheren Wert überschreitet. Sie können jedoch andere kritische Fehler, wie beispielsweise unsymmetrische Ströme – etwa wenn eine Transformatorwicklung Erdschluss hat –, nicht erkennen. Leitungsschutzschalter und Sicherungen allein können nicht zwischen Kurzschlüssen und Überlastung unterscheiden.

Der Differenzialschutz basiert auf dem Kirchhoffschen Stromgesetz , das besagt, dass die Summe der Ströme, die in einen Knotenpunkt eines Stromkreises hinein- oder herausfließen, null sein muss. Bei der Anwendung dieses Prinzips zum Differenzialschutz kann jeder Abschnitt eines Leiterpfades als Knotenpunkt betrachtet werden. Der Leiterpfad kann beispielsweise eine Übertragungsleitung, eine Transformatorwicklung, eine Motorwicklung oder eine Statorwicklung eines Generators sein. Diese Schutzart ist am effektivsten, wenn sich die beiden Enden des Leiterpfades in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. Das Verfahren wurde in Großbritannien von Charles Hesterman Merz und Bernard Price entwickelt . ^{[ 7 ]}

Für jede Wicklung eines Transformators, Stators oder eines anderen Geräts werden zwei identische Stromwandler verwendet. Die Stromwandler sind an den gegenüberliegenden Enden einer Wicklung angeordnet. Der Strom durch beide Enden muss identisch sein. Ein Schutzrelais erkennt jegliche Stromungleichheit und löst Leistungsschalter aus, um das Gerät zu isolieren. Im Falle eines Transformators würden die Leistungsschalter sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite auslösen.

Ein Kurzschluss am Ende einer langen Übertragungsleitung verhält sich ähnlich wie eine normale Last, da die Impedanz der Leitung den Fehlerstrom begrenzt. Ein Distanzrelais erkennt einen Fehler durch Vergleich von Spannung und Stromstärke in der Übertragungsleitung. Ein hoher Strom in Verbindung mit einem Spannungsabfall deutet auf einen Fehler hin.

Es können verschiedene Klassifizierungen von Schaltanlagen vorgenommen werden: ^{[ 8 ]}

Eine einzelne Schaltanlage kann mehrere verschiedene Gerätetypen umfassen, zum Beispiel können sich luftisolierte Sammelschienen, Vakuumleistungsschalter und manuell betätigte Schalter alle in derselben Reihe von Schaltschränken befinden.

Nennwerte, Konstruktion, Spezifikationen und Details von Schaltanlagen werden durch eine Vielzahl von Normen festgelegt. In Nordamerika werden hauptsächlich IEEE- und ANSI -Normen verwendet, im Rest der Welt weitgehend die IEC- Normen, teilweise mit nationalen Abwandlungen oder Variationen.

Um einen sicheren Betrieb von Schaltanlagen zu gewährleisten, bietet die Schlüsselverriegelung vordefinierte Betriebsszenarien. Darf beispielsweise nur eine von zwei Versorgungsquellen gleichzeitig angeschlossen sein, kann die Verriegelungsschaltung vorschreiben, dass der erste Schalter geöffnet werden muss, um einen Schlüssel freizugeben, der das Schließen des zweiten Schalters ermöglicht. Komplexere Schaltungen sind möglich.

Innenschaltanlagen können auch auf interne Lichtbogenfestigkeit geprüft werden (z. B. nach IEC 62271-200). Diese Prüfung ist wichtig für die Sicherheit der Anwender, da moderne Schaltanlagen hohe Ströme schalten können. ^{[ 15 ]}

Schaltanlagen werden häufig mittels Wärmebildkameras geprüft , um ihren Zustand zu beurteilen und Ausfälle frühzeitig zu erkennen. Weitere Methoden umfassen die Teilentladungsprüfung (TE-Prüfung) mit stationären oder tragbaren Prüfgeräten sowie die Schallemissionsprüfung mit oberflächenmontierten Wandlern (für Ölanlagen) oder Ultraschalldetektoren in Freiluftschaltanlagen. Temperatursensoren an den Kabeln der Schaltanlage überwachen permanent die Temperaturentwicklung. SF₆- _Anlagen sind stets mit Alarmen und Verriegelungen ausgestattet, die vor Druckverlust warnen und den Betrieb bei zu niedrigem Druck verhindern.

Das zunehmende Bewusstsein für die Gefahren hoher Kurzschlussspannungen hat dazu geführt, dass Netzbetreiber den Betrieb von Erdungsschaltern und Schaltanlagen in geschlossenen Räumen vorschreiben. Viele europäische Energieunternehmen haben den Bedienern den Zutritt zu Schaltanlagenräumen während des Betriebs untersagt. Es sind Fernbedienungssysteme verfügbar, die es ermöglichen, Schaltanlagen von einem entfernten Standort aus zu bedienen, ohne dass ein Schutzanzug gegen Störlichtbögen getragen werden muss. Schaltanlagen erfordern kontinuierliche Wartung und Instandhaltung, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und für die Bereitstellung solch hoher Spannungen optimal ausgelegt zu sein. ^{[ 16 ]}

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