Schaltanlagen mit alternativen Isoliergasen

Im Bereich der Mittelspannung wird bereits ein breites Portfolio an Anlagen mit alternativen Isoliergasen angeboten. Bei der Hochspannung weitet sich die Technologie schrittweise aus, ausgehend von Spannungsebenen bis 145 kV hin zu Anwendungen bis 420 kV. Während vor einigen Jahren noch zahlreiche Kandidaten für Alternativgase konkurrierten, zeichnet sich langsam eine Konsolidierung der Technologien ab.

Luftbasierte Mischungen stellen die erste Technologie­strömung dar. Sie werden in Kombination mit Vakuum­schalt­kammern eingesetzt. Die Technologie ermöglicht mit <1 das tiefste GWP (Global Warming Potential), aber nicht zwangsläufig auch den kleinsten ökologischen Fussabdruck, denn es resultieren aufgrund der tieferen dielektrischen Festigkeit von Luftmischungen grössere Schlagweiten bzw. es werden höhere Gasdrücke nötig, die zu grösseren Baugrössen und höherem Materialeinsatz führen als vergleichbare SF₆-Anlagen.

Mischungen aus C₄F₇N als dielektrisch dominierende Komponente in Kombination mit den Hintergrundgasen CO₂, CO₂-O₂ oder N₂ stellen den zweiten Trend dar. Im Gegensatz zur Luftisolation eignet sich die C₄F₇N-CO₂-O₂-Mischung auch für die Lichtbogenlöschung bei Schalthandlungen, so dass kein Vakuumschalter nötig ist, der einer Skalierbarkeit der Technologie auf höhere Spannungsebenen im Wege stehen könnte. Die C₄F₇N-Technologie hat den Nachteil, dass das GWP zwar um den Faktor 50 bis 100 reduziert wird, aber dennoch ein Rest-GWP von einigen Hundert verbleibt. Aufgrund der vergleichbaren Baugrössen zu SF₆ kann mit der Technologie jedoch oft ein gleicher oder sogar geringerer ökologischer Gesamtfussabdruck erreicht werden als mit Anlagen mit Luftmischungen. Der Vergleich basiert auf der grauen Energie anhand des heutigen Energiemixes in der Herstellung. Dieser könnte sich im Falle einer CO₂-neutralen Herstellung noch leicht zu Gunsten der Luftmischungen verschieben. Die kleinere Baugrösse ist eine Folge der höheren dielektrischen Festigkeit der C₄F₇N-basierten Mischungen bzw. kleineren Schlagweiten im Vergleich zu Luftmischungen. Bei tiefen Temperaturen haben C₄F₇N-basierte Mischungen einen weiteren Nachteil: Bei Drücken, wie sie in der Hochspannung üblich sind, kann sich die Gasmischung teilverflüssigen. Für Anwendungen weit unter –30°C können deshalb nur geringste Anteile C₄F₇Nin der Gasmischung verwendet werden, um eine Verflüssigung dieser Komponente zu vermeiden. Die dielektrische Festigkeit wird dadurch nur noch marginal erhöht. Für Mittel­spannungs­anwen­dungen besteht dieses Problem nicht.

Luftmischungen oder reine CO₂-O₂- Mischungen wären für Tief­tempe­ratur­anwen­dungen vorteilhaft. Es sind auch Forschungs­aktivitäten zur Entwicklung von Schaltern basierend auf einer reinen CO₂-O₂-Mischung zu beobachten. Diese hätte den Vorteil, dass ein GWP <1 für einen Gas-Schalter (ohne den Einsatz von Vakuumschaltkammern) erreicht werden könnte. Die Marktreife dieser Technologie wurde aber bisher durch die Hersteller noch nicht vollständig nachgewiesen.

Aus ökologischen Gründen ist es wichtig, dass der Transfer weg von SF₆ zeitnah realisiert werden kann. Die Frage, welche der neuen Technologien sich durchsetzen wird, ist eher nebensächlich, denn alle diese Technologien können den ökologischen Fussabdruck der Betriebsmittel deutlich reduzieren (Tabelle 1). Der durch ihre parallele Existenz ausgelöste Wettbewerb ist aus Sicht des Autors für eine möglichst schnelle Ablösung von SF₆ sogar eher förderlich.

Prüfungen im Lebenszyklus

Für Netzbetreiber ist der ökologische Fussabdruck nur eines von vielen Kriterien für die Technologiewahl. Die wohl wichtigsten Kriterien sind die Zuverlässigkeit und das Langzeitalterungsverhalten der Anlagen, da sie meist über 40 Jahre möglichst wartungsarm betrieben werden sollen. Die relativ grosse Anzahl an neu entwickelten «grünen» Produkten birgt aber das Risiko höherer Ausfallraten in der Anfangsphase aufgrund der sich in Aufbau befindenden Erfahrung der Hersteller. Entsprechend wichtig sind lückenlose Typen- und Routineprüfungen durch die Hersteller sowie ergänzende unabhängige Prüfungen über den Lebenszyklus der Anlagen.

Tabelle 2 gibt eine Übersicht über Prüfungsarten, die im Lebenszyklus gasisolierter Betriebsmittel zur Sicherstellung der Qualität eingesetzt werden. Der Prüfungszweck ist – je nach Lebenszyklusphase – die Designoptimierung, der Konformitätsnachweis, die Qualitätssicherung oder die frühe Erkennung von Alterungsprozessen.

Die für Hochspannungsschaltgeräte nötigen Typenprüfungen sind in EN 62271-203 aufgelistet. Kritisch ist sicher der Nachweis der dielektrischen Festigkeit der Anlage, das Schaltvermögen des Leistungsschalters und der weiteren Schaltgeräte, die Dichtigkeit der Anlagen, das Verhalten bei tiefen Temperaturen für C4F7N-Mischungen sowie allfällige Röntgenstrahl-Emissionen bei Vakuumschaltern. Letzteres ist vor allem relevant für die Möglichkeit, Vor-Ort-Prüfungen mit offenem Leistungsschalter durchzuführen – insbesondere zur Eingrenzung von Befunden.

Veränderungen über die Anlagen­lebens­dauer

Bild 1 zeigt auf, dass die Durch­schlags­spannung in Gasen in erster Näherung proportional mit dem Abstand der Isolationsstrecke wächst. Ein höherer Druck erhöht die Durch­schlags­spannung. Stark elektronegative Gase oder Gasmischungen werden mit Geraden grösserer Steigung abgebildet. Vakuum, Feststoff- und Öl-Isolationen weisen eine stärkere Krümmung der Durchschlagskennlinie im Vergleich zur Gasisolation auf. Mit letzterer kann somit bei entsprechend hohen Drücken und typischen Isolationsabständen eine höhere dielektrische Festigkeit erreicht werden, solange die Drücke über die Lebensdauer aufrechterhalten werden können und sich keine Fehlerstellen auswirken (deren Einfluss ebenfalls mit steigendem Druck zunimmt).

Der Betriebsdruck von gasisolierten Anlagen und die Gaszusammensetzung können sich über die Lebenszeit der Schaltanlage aufgrund von verschiedenen Mechanismen ändern. Prüfungen – besonders dielektrische Typen- und Routineprüfungen – müssen für den ungünstigsten Zustand der Schaltanlagen repräsentativ sein und werden daher bei Minimaldruck durchgeführt. Typenprüfungen für SF₆-isolierte Anlagen werden mit 97% reinem SF₆ durchgeführt, da sich der SF₆-Gehalt solcher Anlagen (mit Ausnahme von allfälligen Fehlern bei Füllvorgängen) über die Lebensdauer nicht wesentlich verändert.

Alternative Mischgase können zwei wesentliche Unterschiede zu SF₆ aufweisen. Einerseits kann eine Komponente der Mischung das dielektrische Verhalten dominieren und andererseits ist nicht a priori sichergestellt, dass sich Mechanismen, die zu Veränderungen im Gas führen, auf alle Komponenten der Mischung gleich auswirken. Deshalb muss die Gasqualität vor der Inbetriebnahme überprüft, die maximale Veränderung der Gaszusammensetzung im Laufe der Lebensdauer abgeschätzt und für Typenprüfungen eine bewusst ungünstige Gasmischung eingesetzt werden.

Die quantitativ auftretende Gasveränderung über die Lebensdauer hängt vom Mechanismus ab, der sie bewirkt. Es können sich auch parallel mehrere Mechanismen überlagern, was eine zuverlässige Voraussage der Gasveränderung im Einzelfall verunmöglicht. Es kann lediglich eine Worst-Case-Abschätzung ermittelt werden:

• Grosse Leckagen (interface leakage) verändern die Gaszusammensetzung nur unwesentlich.
• Kleine Leckagen (permeation leakage) weisen bei fluorierten Mischgasen aufgrund der unterschiedlichen Molekülgrössen oft eine stärkere Leckage des Hintergrundgases auf. Wenn die fluorierte Komponente die dielektrischen Eigenschaften dominiert, erhöht sich der Anteil der dielektrisch dominierenden Komponente und nach dem Nachfüllvorgang ergibt sich sogar eine höhere dielektrische Festigkeit. Andererseits muss eine allfällige Erhöhung der Verflüssigungstemperatur der Gasmischung durch diesen Effekt abgeklärt werden, die sich bei sehr tiefen Temperaturen auswirken könnte.

Schalthandlungen reduzieren meist die dielektrisch relevante Komponente stärker als die des Hintergrundgases.

Mehrere Nachfüllvorgänge mit einer Nachfüllflasche mit Nennmischverhältnis können eine Veränderung der Gaszusammensetzung über die Lebensdauer der Anlage bewirken.

Der ungünstigste Fall dieser Veränderung muss durch den Hersteller für vorliegende Produkte ermittelt werden. Wenn dadurch das Prüfresultat beeinträchtigt wird, müssen in Typenprüfungen die entsprechend schlechteren Gasmischungen verwendet werden.

In der Cigre-Broschüre 871 wird zwischen einer Nennmischung für die Befüllung der Schaltanlage und einer bewusst schlechteren Mischung zur Verwendung in Typentests unterschieden. Der Einfluss von Schalthandlungen auf die Gaszusammensetzung ist hierbei bereits intrinsisch Teil des Typentests, da im Anschluss an Schaltprüfungen ein sogenannter «Voltage Condition Check (VCC)» am selben Prüfling durchgeführt wird, ohne das durch den Test gealterte Gas auszutauschen. Bei Vor-Ort-Prüfungen wird generell mit der Nennmischung bei Nenndruck zur Qualitätssicherung geprüft, wie es auch für SF₆ üblich ist.

Fehlerstellen und ihre Auswirkung

Bild 2 gibt einen Überblick über mögliche Fehler in gasisolierten Schaltanlagen. Bei Vor-Ort-Prüfungen kommen Partikel oft aus verschiedenen Gründen vor:

Anlagen werden feldweise (oder auf grösseren Spannungsebenen komponentenweise) geliefert und erst vor Ort gekoppelt. Bei dem unvermeidbaren Öffnen von Gasräumen vor Ort können neue Partikel in die Gasräume eindringen.

Selbst in der Fabrik geprüfte Montageeinheiten, die vor Ort nicht geöffnet werden, schlagen manchmal vor Ort durch oder weisen Teilentladungen auf, weil sich Metallpartikel während des Transports, bei der Montage oder durch Gasströmungen beim Befüllen der Anlage vor Ort im Gasraum verschieben – von nicht feldkritischen (Werksprüfung) zu feldkritischen Orten (z. B. auf einen Isolator).

Durch Schalthandlungen können sich bei Prüfungen an den Schaltgeräten neue Partikel durch Abrieb gebildet haben.

Deshalb muss das Isolationsniveau bei der finalen Prüfung vor Ort (vor der Übergabe an den Betrieb) mit geeigneten Prüfmethoden sichergestellt werden.

Die Reduktion der Spannungs­festig­keit wirkt sich aufgrund der Fehler unterschiedlich aus, je nach der Art der Spannungs­belastung. Oft kann nahezu die volle AC-Spannung gehalten werden, während die Spannungs­festigkeit bei schnellen Belastungen wie bei einem Blitzstoss massiv reduziert wird. Dies stellt bei Routine- und Vor-Ort-Prüfungen Heraus­forde­rungen an die Detek­tier­barkeit solcher Fehler. Wird eine vergleichbare Detektier­barkeit wie bei Blitzstoss bei Verzicht auf eine Blitz­stoss­prüfung als Routineprüfung angestrebt, muss ergänzend zur AC-Spannung eine sehr sensitive Teil­entladungs­messung bei hoher Spannungs­amplitude erfolgen. Sonst kann es vorkommen, dass die vorhandenen Fehler kein messbares Signal erzeugen oder dass der tiefe Signalpegel von nicht selten nur 0,5 bis 2 pC nicht vom Hinter­grund­rauschen unterschieden werden kann. Der tiefe TE-Pegel korreliert hierbei nicht mit der Kritikalität der Fehlerstelle.

Teilentladungsverhalten von Alternativgasen und SF₆

Die systematische Untersuchung des Teil­entla­dungs­verhaltens bei alternativen Isolier­gasen für alle Fehler­typen und üblichen Gas­mischungen ist Ziel der Cigre-D1.78-Arbeitsgruppe. Die Gruppe plant eine systematische Literaturstudie sowie eigene Experimente. Da noch keine systematische Analyse der Literatur vorliegt, wird in Bild 3 exemplarisch eine Untersuchung von A. Pirker und U. Schichler [3] gezeigt, die sich mit diesem Thema beschäftigt. Die Beispiele sollen auf mögliche Einfluss­parameter hinweisen und aufzeigen, wie komplex das Verhalten von Gasisolation bei Fehlerstellen sein kann.

Bild 3 zeigt einen Vergleich zwischen dem Teilentladungsverhalten in Luft (Dry Air), N₂, CO₂ und SF₆ für die Fälle Spitze an Hochspannung, floatendes Teil und bewegliches Partikel bei einem Druck von 0,5 MPa. Im Falle von Partikeln ist nur ein geringer Einfluss der Gasart auf die TE-Einsatzspannung, die TE-Amplitude und das Teilentladungsmuster zu beobachten. Bei floatender Elektrode variiert vor allem die Einsatzspannung der Teilentladung mit der Gasart. Bei Spitzen auf Hochspannung scheint sowohl die Einsatzspannung als auch die Teilentladungsamplitude durch die Art des Gases beeinflusst zu werden. Die groben Züge der Muster sind bei unterschiedlichen Isoliergasen sehr ähnlich, sodass die Art des Fehlers unabhängig von der Gasart identifizierbar bleibt.

Erfahrungen aus Prüfungen

Die FKH hat Abnahmeprüfungen an allen in der Schweiz installierten Typen von Schaltanlagen mit alternativen Isoliergasen durchgeführt. Die Prüfungen haben gezeigt, dass es die üblicherweise durch die FKH verwendete Einspeiseart über die Steckbuchse des Kabelendverschlusses erlaubt, mit demselben Prüf­equipment Anlagen mit unterschiedlichen Isoliergasen zu prüfen, da für das Anschliessen der Prüfquelle vor und nach der Prüfung keine Gasräume geöffnet werden müssen. Fehlerstellen in Alternativgasanlagen erzeugen dabei anhand der bisherigen Erkenntnisse vergleichbare Teilentladungsmuster wie in SF₆. Die Anlagen sind in der Lage, die FKH-Prüfempfehlung [4] sowie die IEC-Normen zu erfüllen und die Vor-Ort-Prüfungen erfolgreich zu bestehen. An gewissen Stellen müssen aber noch Erfahrungen gesammelt werden – insbesondere bei AIS-Mittelspannungsanlagen (teilweise aufgrund von weniger strikten IEC-Normvorgaben) bestehen noch Schwierigkeiten, tiefe Teilentladungspegel zu erreichen.

Künftige Arbeiten

Schaltanlagen mit C₄F₇N-Mischungen und Luftisolation bieten schon heute einen gleichwertigen Ersatz für SF₆-Anlagen auf den Spannungsebenen, für welche sie verfügbar sind. Dabei gilt es zu beachten, dass sich Fehlerstellen wegen der höheren Drücke bei Betriebsmitteln mit Alternativ­gas­gemischen eher noch stärker auswirken als bei SF₆. Bei neuen Betriebsmitteln mit alternativen Isoliergasen sollte deshalb noch mehr Fokus auf eine zuverlässige Routine- und Vor-Ort-Prüfung gelegt werden, um Fehlern vorzubeugen und die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Bisher sind in der Vor-Ort-AC- und Teil­entl­adungs­prüfung von Anlagen mit verschie­denen Isolier­gasen durch die FKH keine grundlegend neuen Effekte aufgetreten, welche das Nach­weisen oder die Inter­pretation von Fehlerstellen erschwert hätten. Für statistisch breit abgestützte Aussagen muss aber noch eine grössere Anzahl Alternativ­gasanlagen geprüft werden. Anhand der bisherigen Erkenntnisse können die bewährten FKH-Prüfempfehlungen für GIS-Anlagen (in der neuen CIGRE TB920 [5] unter «Swiss practice» aufgeführt) auch für Alternativ­gas­anlagen angewendet werden. Weiter wird die Technologie­entwicklung auch von regulatorischen und politischen Prozessen mit beeinflusst. Mit der PFAS-Verordnung und der verschärften F-Gas-Verordnung schränkt die EU die Verwendung von Substanzen mit Umwelt­schädi­gungs­potenzial zukünftig auch in der Hochspannung stärker ein. In einem nach der Spannungsebene etappierten Zeitraum von 2026 bis 2032 wird die Verwendung von Gasen mit GWP < 1000 in Neuanlagen voraussichtlich in der EU verboten und die Verwendung von Gasen mit GWP < 1 stark begünstigt.

Fazit

Es ist nur eine Frage der Zeit, bis SF₆ flächendeckend auf allen Spannungs­ebenen in Neuanlagen durch ökologischere Alternativen abgelöst wird. Aber bereits mit den bisherigen Anlagen leistet die Energiebranche einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung des Energiesystems, denn die Strominfrastruktur ermöglicht den Ersatz fossiler Energieträger durch erneuer­bare Energien unter anderem in der Mobilität und in der Bereitstellung von Wärme. Zuverlässige Schaltanlagen mit alternativen Isoliergasen werden hierfür künftig zentral sein.

Referenzen

[1] C. Franck, A. Chachereau, J. Pachin, «SF6-Free Gas-Insulated Switchgear: Current Status and Future Trends», IEEE Electrical Insulation Magazine, vol 37(1), 01/2021.

[2] S. Neuhold., T. Brügger, R. Bräunlich, G. Behrmann, H. D. Schlemper, U. Riechert, P. Müller, M. Lehner, E. Schneiter, P. Sigrist, «Return of experience: The CIGRE UHF PD sensitivity verification and on-site detection of critical defects», CIGRE Paris, 26.–31.8.2018.

[3] A. Pirker, U. Schichler, «Partial Discharges of Defects in Different Insulating Gases: N2, CO2, Dry Air and SF6», 12th IEEE International Conference on the Properties and Applications of Dielectric Materials – Xi’an – China, 2018.

[4] S. Neuhold, «Technischer Hintergrund der FKH-Prüfempfehlungen für GIS-Anlagen»; FKH-Fachtagung zum Thema Isolationskoordination; Windisch, Schweiz; 2022.

[5] CIGRE TB 920; «Concepts for on-site HV testing of GIS after installation, extension, retrofit or repair», 2023.