Definition, Komponenten und Anwendungen für gasisolierte Schaltanlagen

Gasisolierte Schaltanlagen (GIS) ist ein elektrisches Gerät, das ein Gas wie Schwefelhexafluorid (SF6) verwendet, um verschiedene Teile eines Stromsystems zu isolieren und zu schützen. Es besteht aus in Metall eingeschlossenen Fächern, die Leistungsschalter, Trennschalter, Sammelschienen, Transformatoren, Erdungsschalter, Überspannungsableiter und andere Komponenten enthalten. GIS werden überwiegend für Mittel- und Hochspannungszwecke eingesetzt, insbesondere in Situationen, in denen der Platz begrenzt ist und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung ist.

In diesem Artikel wird GIS einschließlich seiner Vorteile, Nachteile und Verwendungsmöglichkeiten definiert. Darüber hinaus vergleichen wir GIS mit AIS, der traditionellen Form von Schaltanlagen, die Luft zur Isolierung nutzen.

Was ist eine gasisolierte Schaltanlage?

A gasisolierte Schaltanlagen(GIS) ist eine metallgekapselte Schaltanlage, die ein Gas wie SF6 als primäre Isolierung zwischen aktiven Teilen und dem geerdeten Metallgehäuse verwendet. Das Gas bietet eine hervorragende Durchschlagsfestigkeit, thermische Stabilität und beeindruckende Lichtbogenlöschfähigkeiten.

Die Hauptkomponenten eines GIS sind:

Leistungsschalter:Diese Geräte dienen dazu, den Stromfluss in einem Stromkreis zu unterbrechen, wenn ein Problem auftritt. Als Unterbrechungsmedium nutzen sie je nach Spannung und Zweck des Stromkreises entweder Vakuum oder SF6.

Trennschalter:Diese Geräte sind in der Lage, einen bestimmten Teil eines Stromkreises vom Rest des Systems zu isolieren, sodass Wartungs- oder Testarbeiten durchgeführt werden können, ohne das gesamte System zu unterbrechen. Sie nutzen SF6 als Isoliermedium und können entweder manuell oder ferngesteuert werden.

Sammelschienen:Diese Leiter verbinden verschiedene Abschnitte des elektrischen Systems, wie Generatoren, Transformatoren und Einspeisungen. Sie nutzen SF6 zur Isolierung und sind dreiphasig aufgebaut.

Transformer:Diese Geräte können den Spannungspegel eines Stromkreises ändern, indem sie SF6 als Isoliermedium verwenden. Sie können entweder als Leistungstransformatoren oder als Instrumententransformatoren klassifiziert werden, zu denen auch Stromwandler oder Spannungswandler gehören.

Erdungsschalter:Diese Geräte dienen der Sicherheit und Erdung, indem sie einen Teil des Stromkreises mit der Erde verbinden. Sie nutzen SF6 als Isolationsmedium und können entweder manuell oder aus der Ferne gesteuert werden.

Überspannungsableiter:Diese Geräte dienen dazu, Stromkreise vor Spannungsspitzen zu schützen, die durch Blitzschlag oder Schaltereignisse verursacht werden. Sie verwenden SF6 als Isoliermaterial und können in zwei Typen eingeteilt werden: Metalloxid-Varistoren (MOVs) oder Funkenstrecken.

Die Komponenten sind in einem Metallgehäuse untergebracht, das mit SF6-Gas unter einem bestimmten Druck gefüllt ist. Das Gehäuse ist in mehrere abgedichtete Abschnitte unterteilt, die durch gasdichte Trennwände getrennt sind. Die Abschnitte sind durch Gasleitungen und Ventile verbunden, die den Gasfluss und die Druckregulierung erleichtern.

Das Gehäuse ist mit Sensoren, Monitoren, Anzeigen, Alarmen und Steuergeräten ausgestattet, um den sicheren und effizienten Betrieb des GIS zu gewährleisten. Abhängig von den Umgebungsbedingungen und Designanforderungen kann das Gehäuse im Innen- oder Außenbereich aufgestellt werden.

Wie funktionieren gasisolierte Schaltanlagen?

Das Hauptprinzip des GIS-Betriebs besteht darin, SF6-Gas als Isolator und Lichtbogenlöscher zu verwenden. SF6-Gas hat gegenüber Luft als Isoliermedium mehrere Vorteile.

◆　Es hat eine höhere Spannungsfestigkeit als Luft, was bedeutet, dass es höheren Spannungen ohne Durchschlag standhalten kann.

◆　Es hat ein geringeres Molekulargewicht als Luft, was bedeutet, dass es eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat und Wärme effizienter ableiten kann.

◆　Es hat eine höhere Elektronegativität als Luft, was bedeutet, dass es freie Elektronen effektiver einfangen und die Ionisierung im Lichtbogen reduzieren kann.

Diese Eigenschaften machen SF6-Gas ideal für GIS-Anwendungen, bei denen der Platz begrenzt ist und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung ist.

Die Funktionsweise von GIS lässt sich am Beispiel eines dreiphasigen Leistungsschalters erläutern. Unter normalen Bedingungen sind die Kontakte des Leistungsschalters geschlossen und Strom fließt durch sie. Wenn im Stromkreis ein Fehler auftritt, beispielsweise ein Kurzschluss oder eine Überlastung, trennen sich die Kontakte und es entsteht ein Lichtbogen zwischen ihnen.

Der Lichtbogen besteht aus ionisiertem Gas, das Strom leitet. Der Lichtbogen erzeugt Hitze und Druck, die die Kontakte und andere Komponenten beschädigen können. Um dies zu verhindern, muss der Lichtbogen schnellstmöglich gelöscht werden.

Der Lichtbogenlöschprozess in GIS umfasst zwei Mechanismen: thermische Unterbrechung und dielektrische Unterbrechung.

Thermische Unterbrechung:Dieser Prozess beruht auf der Senkung der Temperatur des Lichtbogens durch Wärmeübertragung auf das nahegelegene Gas. Wenn der Lichtbogen kühler wird, steigt sein Widerstand, wodurch der Strom abnimmt, bis er an einem natürlichen Nulldurchgangspunkt des Stroms Null erreicht. In diesem Fall wird der Lichtbogen gelöscht.

Dielektrische Unterbrechung:Bei diesem System geht es darum, die Widerstandsfähigkeit des Gases gegenüber einem elektrischen Durchschlag zu erhöhen, indem die ionisierten Partikel im Weg des Lichtbogens eliminiert werden. Wenn der Lichtbogen gestoppt wird, dringt SF6-Gas in den Raum ein und fängt die ungebundenen Elektronen ein, wodurch Moleküle ohne Ladung entstehen, die keinen elektrischen Strom transportieren können. Die Fähigkeit des Gases, einem Durchschlag zu widerstehen, normalisiert sich schnell wieder und verhindert ein erneutes Zünden des Lichtbogens.

Nach Erlöschen des Lichtbogens schließen sich die Kontakte wieder und der Stromkreis ist wiederhergestellt. Ein Gasmanagementsystem überwacht und steuert den SF6-Gasdruck und sorgt außerdem für die Gasqualität und die Leckageerkennung.

Anwendungen für gasisolierte Schaltanlagen.

GIS wird aufgrund seiner Kompaktheit, Zuverlässigkeit und seines geringen Wartungsaufwands häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Einige der häufigsten Anwendungen von GIS sind:

Städtische oder industrielle Gebiete:GIS ist ideal für städtische oder industrielle Gebiete, in denen Platz knapp und die Verschmutzung hoch ist. GIS kann im Innen- und Außenbereich, auf Dächern, im Untergrund oder auf Offshore-Plattformen installiert werden, ohne die Umwelt oder die Ästhetik zu beeinträchtigen.

Stromerzeugung und -übertragung:GIS dient der Anbindung von Kraftwerken an das Netz sowie der Übertragung und Verteilung von Strom über große Entfernungen und über unterschiedliche Spannungsebenen hinweg. GIS können hohe Ströme und Spannungen verarbeiten und Schutz- und Steuerungsfunktionen für Energiesysteme bereitstellen.

Integration erneuerbarer Energien:Mithilfe von GIS werden erneuerbare Energiequellen wie Windparks oder Solaranlagen in das Netz integriert. GIS kann flexible und zuverlässige Verbindungen sowie Spannungs- und Frequenzregelung für die intermittierende Stromerzeugung bereitstellen.

Eisenbahnen und U-Bahnen:GIS werden zur Stromversorgung von Eisenbahnen und U-Bahnen sowie zur Steuerung und zum Schutz ihrer elektrischen Systeme eingesetzt. GIS kann Verluste reduzieren und die Effizienz verbessern sowie Sicherheit und Zuverlässigkeit für Passagiere und Betreiber bieten.

Rechenzentren und Fabriken:GIS wird zur Stromversorgung von Rechenzentren und Fabriken eingesetzt, für deren Betrieb eine qualitativ hochwertige und unterbrechungsfreie Stromversorgung unerlässlich ist. GIS kann hohe Verfügbarkeit, Redundanz und Fehlertoleranz bieten und elektromagnetische Störungen und Oberwellen reduzieren.

Vergleich von gasisolierten Schaltanlagen mit luftisolierten Schaltanlagen.

Gasisolierte Schaltanlagen (GIS) bietet mehrere Vorteile gegenüber luftisolierten Schaltanlagen (AIS), bei denen es sich um herkömmliche Schaltanlagen handelt, die Luft als Isoliermedium verwenden. Einige der Vorteile von GIS sind:

Platzsparend:Geoinformationssysteme (GIS) können den Platzbedarf eines Umspannwerks erheblich minimieren und dessen Grundfläche im Vergleich zu luftisolierten Schaltanlagen (AIS) um bis zu 90 % verkleinern. Diese bemerkenswerte Reduzierung ist erreichbar, da GIS in einem ein- oder mehrstöckigen Gebäude untergebracht oder unter der Erde vergraben werden kann, wodurch die Notwendigkeit einer weitläufigen offenen Fläche, die AIS normalerweise für Installation und Wartung benötigt, entfällt.

Sicherheit:Die Technologie des geografischen Informationssystems (GIS) kann die Sicherheit von Personal und Ausrüstung erheblich verbessern, indem sie die mit stromführenden Teilen und Lichtbogengefahren verbundenen Risiken beseitigt. Darüber hinaus minimiert GIS die Wahrscheinlichkeit von Bränden, Explosionen oder Umweltverschmutzung, da es SF6-Gas in einem sicheren, auslaufsicheren Gehäuse enthält.

Zuverlässigkeit:Ein geografisches Informationssystem (GIS) kann die Zuverlässigkeit einer Stromversorgung verbessern, indem es die Anzahl beweglicher Komponenten und Verbindungen minimiert, die beschädigt werden oder fehlerhaft funktionieren können. Darüber hinaus hat GIS im Vergleich zu einem automatischen Identifikationssystem (AIS) eine längere Lebensdauer, da es weniger anfällig für Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Staub, Korrosion oder Verschmutzung ist.

Wartung:Der Einsatz von GIS kann die Wartungskosten senken und Ausfallzeiten minimieren, da es im Vergleich zu AIS weniger regelmäßige Wartung und Kontrollen erfordert. GIS ist mit Selbstdiagnosefunktionen ausgestattet, die Probleme identifizieren und Bediener benachrichtigen können, bevor sie eskalieren.

Dennoch weist GIS im Vergleich zu AIS Nachteile auf, insbesondere hinsichtlich der Kosten. GIS ist im Hinblick auf die Vorabkosten und die laufenden Betriebskosten teurer als AIS. Dies ist auf den Bedarf an fortschrittlicheren Technologien und Materialien sowie strengeren Qualitätsstandards und Testverfahren zurückzuführen.

Komplexität:GIS weist im Vergleich zu AIS ein höheres Maß an Komplexität in Design und Implementierung auf, da eine stärkere Koordination und Integration zwischen verschiedenen Komponenten und Systemen erforderlich ist, darunter Gasmanagement, Schutz, Steuerung, Kommunikation und andere.

Verfügbarkeit:GIS ist möglicherweise nicht immer so zugänglich wie AIS, insbesondere in Situationen, in denen ein Fehler innerhalb einer Abteilung auftritt, der mehrere Komponenten betrifft. Dies liegt daran, dass GIS im Vergleich zu AIS typischerweise einen größeren Zeit- und Ressourcenaufwand für die Fehlererkennung und -behebung erfordert. Daher hängt die Entscheidung, ob man sich für GIS oder AIS entscheidet, von einer Reihe von Faktoren ab, darunter Standortbedingungen, technische Anforderungen, wirtschaftliche Überlegungen und individuelle Vorlieben.

Typen und Modelle gasisolierter Schaltanlagen.

Von verschiedenen Herstellern sind gasisolierte Schaltanlagen in verschiedenen Ausführungen und Ausführungen erhältlich. Einige der häufigsten Typen sind:

Isolierte Phasen-GIS:Bei diesem Typ ist jede Phase des Stromkreises separat in ihrem Fach montiert. Dieser Typ benötigt mehr Platz als andere GIS-Typen, verhindert jedoch Phasenfehler.

Integriertes dreiphasiges GIS:Bei diesem Typ sind alle drei Phasen des Stromkreises in einem einzigen Fach untergebracht. Dieser Typ reduziert den Platzbedarf im Vergleich zu isolierten Phasen-GIS um ein Drittel.

Hybrid-GIS:Bei diesem Typ wird eine Kombination aus isolierten Phasen- und Dreiphasenelementen verwendet. Dieser Typ bietet ein Gleichgewicht zwischen Platzersparnis und Fehlervermeidung.

Kompaktes GIS:Bei diesem Typ ist mehr als ein Funktionselement in einem einzigen Fach untergebracht. Beispielsweise können ein Leistungsschalter, ein Trennschalter und ein Stromwandler in einem Modul kombiniert werden. Dieser Typ reduziert den Platzbedarf im Vergleich zu anderen GIS-Typen weiter.

Hochintegriertes System (KIS):Bei diesem Typ ist die gesamte Umspannwerksausrüstung in einem einzigen Gehäuse gekapselt. Dieser Typ bietet eine Komplettlösung für eine Außenstation in einer einzigen Einheit, wodurch externe Anschlüsse überflüssig werden und die Installationszeit verkürzt wird.

Abschluss.

Gasisolierte Schaltanlagenist eine Art elektrisches Gerät, das ein Gas wie SF6 als primäres Isolations- und Lichtbogenlöschmedium verwendet. Es besteht aus metallumschlossenen Fächern, in denen verschiedene Komponenten des Stromversorgungssystems untergebracht sind, wie z. B. Leistungsschalter, Trennschalter, Sammelschienen, Transformatoren, Erdungsschalter, Überspannungsableiter usw.

GIS bietet gegenüber luftisolierten Schaltanlagen mehrere Vorteile, wie Platzersparnis, Sicherheit, Zuverlässigkeit und geringer Wartungsaufwand. GIS hat jedoch auch einige Nachteile, wie z. B. hohe Kosten, Komplexität und in manchen Fällen eine geringere Verfügbarkeit.

GIS wird häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in städtischen oder industriellen Gebieten, bei der Stromerzeugung und -übertragung, bei der Integration erneuerbarer Energien, bei Eisenbahnen und U-Bahnen, in Rechenzentren und in Fabriken. Abhängig von der Spannungsebene und den Designanforderungen sind unterschiedliche Typen und Modelle von GIS von verschiedenen Herstellern erhältlich.

GIS ist eine moderne und fortschrittliche Technologie, die effiziente und zuverlässige Lösungen für Energiesysteme bieten kann. Es ist jedoch wichtig, ihre Eigenschaften, Vor- und Nachteile sowie Anwendungen zu verstehen, bevor Sie den Typ der Schaltanlage für ein bestimmtes Projekt auswählen.