Intelligent, kompakt und zuverlässig: Innovationen im Schaltanlagen- und Umspannwerksdesign

Nov 16, 2023

Die neuen und aufkommenden Schaltanlagendesigns konzentrieren sich auf die Digitalisierung des Betriebs und die Reduzierung des Platzbedarfs von Umspannwerken. Eine der größten Herausforderungen für Übertragungs- und Verteilungsunternehmen beim Netzausbau sind Einschränkungen hinsichtlich der Vorfahrt (RoW). Um dieses Problem anzugehen, setzen Energieversorger zunehmend auf neue technologische Lösungen. Gasisolierte Schaltanlagen (GIS) werden zunehmend von Versorgungsunternehmen eingesetzt, da sie im Vergleich zu luftisolierten Schaltanlagen (AIS) deutlich weniger Fläche benötigen. Auch hybride Umspannwerke, die GIS und AIS kombinieren, bieten potenzielle Lösungen zur Minimierung des Platzbedarfs. Darüber hinaus gewinnt der Einsatz kompakter, flexibler und zuverlässiger digitaler, intelligenter und smarter Schaltanlagen an Bedeutung. Mit der Unterstützung des Internets der Dinge (IoT) ermöglichen digitale Schaltanlagen eine Datenverarbeitung, mit deren Hilfe Fehler und Störungen bereits im Vorfeld erkannt werden können, wodurch Systemausfälle vermieden und Energieverluste und -kosten minimiert werden können.

GIS: GIS ist im Wesentlichen kompakt und metallgekapselt und besteht aus Hochspannungsgeräten (HV) wie Leistungsschaltern und Trennschaltern. In GIS-Umspannwerken werden alle Komponenten, einschließlich Sammelschienen, Leistungsschalter, Stromwandler und Potenzialtransformatoren sowie andere Umspannwerksgeräte, in Modulen untergebracht, die mit Schwefelhexafluorid SF6-Gas gefüllt sind. Traditionell verwendet GIS SF6 als Isolationsmedium.

Der Einsatz von GIS-Umspannwerken gewinnt in Indiens Stromübertragungs- und -verteilungssegmenten zunehmend an Bedeutung, um Platzbeschränkungen wirksam zu begegnen. GIS-Umspannwerke benötigen etwa 35 Prozent weniger Platz als AIS-Umspannwerke, was zu geringeren Wartungskosten und einer geringeren Ausfallhäufigkeit führt. Obwohl die Anschaffungskosten von GIS-Umspannwerken etwa 50 Prozent höher sind als die ihrer AIS-Pendants, sind die Gesamtkapitalkosten vergleichbar.

GIS ist eine attraktive Alternative für dicht besiedelte Gebiete mit hoher Zuverlässigkeit, geringerem Wartungsaufwand und geringerer Umweltbelastung. GIS-Umspannwerke können sowohl im Innen- als auch im Außenbereich eingesetzt werden. Sie sind zuverlässig für den Mittel- und Niederspannungsbetrieb und eignen sich besonders für Industriestandorte, Krankenhäuser und Wohnungsbaugesellschaften, wo der Platz begrenzt ist. Aufgrund der geringeren Größe von GIS-Umspannwerken eignen sie sich außerdem gut für ökologisch sensible Gebiete, da sie den ökologischen Fußabdruck minimieren. Eines der Probleme beim zunehmenden Einsatz von GIS ist jedoch die weit verbreitete Verwendung von SF6 als Isolier- und Lichtbogenlöschmedium. SF6 wurde als Treibhausgas eingestuft und ist im Hinblick auf die globale Erwärmung äußerst wirksam.

Feststoffisolierte Schaltanlagen: In feststoffisolierten Schaltanlagen (SIS) ist der Haupt-MV-Stromkreis im Allgemeinen in Isoliermaterialien (z. B. Epoxidharz) gekapselt. Grundsätzlich gibt es keinen Unterschied im Verhalten von SIS und AIS. Es gibt auch keine sichtbaren spannungsführenden Teile entlang des Hauptstromkreises. Bei rauen Umgebungsbedingungen tritt jedoch das Problem der Variation des elektrischen Feldes auf. Shielded SIS (2 SIS) ist eine fortschrittlichere Technologie mit drei konzentrischen Schichten: einem stromführenden Teil (Hauptleiter, Einsatz und Vakuumunterbrecher, der dauerhaft mit dem Netzwerk verbunden ist und Spannungsschwankungen ausgesetzt ist), einer Isolierschicht, die die Isolierung gewährleistet allen Betriebsbedingungen und einer leitfähigen Schicht, die die elektrische Kontinuität und eine wirksame Erdverbindung gewährleistet. Die 2SIS-Technologie bietet verschiedene Vorteile wie keine Alterung der Infrastruktur, keine dreiphasigen oder zweiphasigen Fehler und keine Störlichtbogeneffekte.

Hybridschaltanlage: Die Versorgungsunternehmen setzen zunehmend auf Hybridschaltanlagen, die die Komponenten der AIS- und SF6-GIS-Technologien kombinieren. Das kompakte und modulare Design ist besonders nützlich für Umspannwerke, die renoviert und erweitert werden müssen und derzeit AIS-Schaltanlagen verwenden. Hybridschaltanlagen sind besonders in Gebieten von Vorteil, in denen Land teuer oder begrenzt ist. In einer Hybrid-Umspannstation sind die Sammelschienen luftisoliert und alle anderen Geräte wie Leistungsschalter, Durchführungen, Sammelschienen, Verbindungselemente, Trennschalter, Stromwandler und Sensoren sind gasisoliert. Hybrid-Umspannwerke zeichnen sich durch einen kompakten Modulaufbau aus, der eine Vielzahl von Funktionen in einem Modul vereint. Die Anschaffungskosten von Hybrid-Umspannwerken sind etwa 20 Prozent höher als die von AIS, und diese Umspannwerke erfordern eine moderate Landfläche.

Vakuumschaltanlage: Vakuumschaltanlagen erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Die Vakuumunterbrechungstechnik arbeitet effizient in Mittelspannungsanwendungen. Es ist sicherer und zuverlässiger, wenn die Fehler- und Betriebshäufigkeit hoch ist. Vakuumschaltanlagen sind nahezu wartungsfrei. Es erfordert weniger Antriebsenergie in Leistungsschaltern und hat eine längere mechanische Lebensdauer. Bei einem gegebenen Kontaktabstand bietet Vakuum bei einem Bar eine etwa achtmal höhere Spannungsfestigkeit als Luft und eine viermal höhere Spannungsfestigkeit als SF6-Gas. Die Spannungsfestigkeit von Vakuum-Leistungsschaltern ermöglicht die Aufrechterhaltung einer sehr kleinen Kontaktlücke. Dieser kleine Kontaktabstand ermöglicht eine sichere Lichtbogenlöschung aufgrund der hohen dielektrischen Stärke des Vakuums und seiner schnellen Wiederherstellung des vollen dielektrischen Wertes nach einer Lichtbogenunterbrechung bei Stromnull. Dadurch eignen sich Vakuumschaltanlagen hervorragend zum Kondensatorschalten.

Ökoeffiziente Schaltanlagen: Die herkömmlichen Schaltanlagen und Umspannwerke verwenden SF6-Gas oder eine Kombination aus Kraftstoffen und Ölen in hydraulischen Mechanismen. Die Verwendung von SF6 als Isoliermaterial birgt jedoch eine Gefahr für die Umwelt. SF6 ist ein Treibhausgas mit einer atmosphärischen Lebensdauer von 3.200 Jahren und einem 23.500-mal stärkeren globalen Erwärmungspotenzial als CO2, das erhebliche Umweltschäden verursacht. Im Durchschnitt enthält eine typische Schaltanlage 1 kg SF6. Daher ist es wichtig, die SF6-Schaltanlage sicher zu entsorgen, um zu verhindern, dass das Gas in die Atmosphäre gelangt, da seine giftigen Nebenprodukte die menschliche Gesundheit beeinträchtigen.

Aufgrund der schädlichen Umweltauswirkungen von SF6, das häufig als Isoliermaterial in GIS verwendet wird, suchen Energieversorger und Technologieanbieter aktiv nach umweltfreundlichen Alternativen. SF6-freie Schaltanlagen der neuen Generation haben im Rahmen unserer gemeinsamen Bemühungen zur Erreichung der Klimaziele große Aufmerksamkeit erlangt. Das alternative C5-Fluorketon/Luft-Gasgemisch vereint gute elektrische Eigenschaften und reduziert gleichzeitig das Treibhauspotenzial um fast 100 Prozent im Vergleich zu SF6. Aufgrund der guten dielektrischen Eigenschaften eignet sich C5-FK als Isolationsmaterial in Schaltanlagen.

Digitale und intelligente Schaltanlagen: Intelligentere Übertragungs- und Verteilungsgeräte, einschließlich digitaler Schaltanlagen, sind sehr gefragt. Intelligente Schaltanlagen sorgen für Netzwerkstabilität, schützen Geräte und bleiben von Schwankungen der Netzwerklast unbeeinflusst. Der Einsatz intelligenter Schaltanlagen mit bidirektionaler Echtzeitkommunikation gewinnt an Bedeutung. Intelligente Schaltanlagen sind in der Lage, verschiedene Parameter zu messen und die Messwerte in Echtzeit an Energieversorger und Managementzentren zu übermitteln. Die Überwachung und Konfiguration von Systemen kann von einer Fernsteuerzentrale aus erfolgen. Die Systeme können elektrische Funken und andere Anomalien schnell erkennen und so Kurzschlüsse, Überlastungen, Komponentenausfälle usw. verhindern. Intelligente Schaltanlagen können auch den monatlichen Strombedarf innerhalb eines Lastnetzwerks vorhersagen. Intelligente Schaltanlagen sind einfach zu warten. Es hilft bei der intelligenten Energieverwaltung und der Reduzierung der Stromrechnungen. Mithilfe von IoT kann die Schaltanlage vorkonfiguriert und vorprogrammiert werden.

Ultrahochspannungsschaltanlagen (UHV): Der Bedarf an höherer Übertragungsleistung und geringeren Übertragungsverlusten pro Leitung treibt die Einführung von UHV-Stufen voran, die Nennspannungen von 800 kV, 1.100 kV und 1.200 kV umfassen. Der Einsatz von Metallgehäusen und SF6-Gasisolierung ermöglicht die Entwicklung kompakterer HV-Schaltanlagen. Die Power Grid Corporation of India hat in Bina eine 1.200-kV-Teststation eingerichtet, damit Hersteller ihre UHV-Geräte installieren und testen können. Typischerweise erfordern UHV-Wechselstromnetze Schaltanlagen, die den Schaltbedarf für den Normalbetrieb bewältigen und im Falle eines Kurzschlusses Schutz bieten können.

Unterm Strich erfüllen die neuen Schaltanlagendesigns die Anforderungen der Versorgungsunternehmen, die RoW-Anforderungen zu minimieren und einen nachhaltigen Betrieb zu fördern. Diese Fortschritte werden den schnellen Ausbau des Übertragungs- und Verteilungsnetzes des Landes erleichtern und die Energiewende unterstützen. Insgesamt werden die Modernisierung veralteter Infrastruktur und die Digitalisierung des Betriebs von Umspannwerken und Schaltanlagen einen großen Beitrag zur Gewährleistung einer zuverlässigen Stromversorgung im Land leisten und gleichzeitig die Betriebs- und Wartungskosten sowie Ausfälle minimieren.