Ein Hochspannungs-Leistungsschalter ist ein unverzichtbares elektrisches Schaltgerät, das in Hochspannungsnetzen zum Einsatz kommt. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Schaltvorgänge unter normalen Bedingungen zu steuern und den Stromkreis unter außergewöhnlichen Bedingungen – beispielsweise bei Kurzschlüssen oder Überlastungen – automatisch zu unterbrechen, um das Stromnetz und die Anlagen vor Schäden zu schützen. Hochspannungs-Leistungsschalter werden üblicherweise in Umspannwerken, Schaltanlagen oder entlang von Stromleitungen installiert, um den stabilen Betrieb von Stromnetzen zu steuern und sicherzustellen.

Zu den wichtigsten Merkmalen von Hochspannungs-Leistungsschaltern gehören:

• Hochspannungsfähigkeit: Geeignet für Hochspannungsnetze wie 11 kV, 35 kV, 110 kV und andere Spannungsebenen.
• Kurzschlussstrom-Abschaltvermögen: Kann bei Störungen große Kurzschlussströme unterbrechen, um die Integrität des Systems zu gewährleisten.
• Trennfunktion: Ermöglicht die sichere Trennung der Stromversorgung während Wartungs- oder Reparaturarbeiten, um die Sicherheit der Mitarbeiter zu gewährleisten.
• Steuerung und Schutz: Neben den grundlegenden Schaltfunktionen bieten Hochspannungs-Leistungsschalter Steuerungs- und Schutzfunktionen wie beispielsweise Überlast- und Kurzschlussschutz.
• Betätigungsmechanismus: Kann manuell oder ferngesteuert betrieben werden, wobei elektrische oder pneumatische Mechanismen zum Einsatz kommen.
• Lichtbogenlöschleistung: Ausgestattet mit einer speziellen Lichtbogenlöschkammer, um Lichtbögen, die andernfalls zu Geräteschäden oder Sicherheitsrisiken führen könnten, wirksam zu löschen.
• Abdichtung: Bei Leistungsschaltern, die mit SF₆-Gas (Schwefelhexafluorid) betrieben werden, ist eine wirksame Abdichtung entscheidend, um die Stabilität des Gases zu gewährleisten und ein Austreten zu verhindern.

Arten von Hochspannungs-Leistungsschaltern

Hochspannungs-Leistungsschalter sind die wichtigsten Schaltgeräte in Stromversorgungssystemen und zeichnen sich durch eine große Vielfalt an Bauarten und Spezialfunktionen aus. Je nach den verwendeten Lichtbogenlöschmedien lassen sich Hochspannungs-Leistungsschalter wie folgt unterteilen:

1) Öl-Leistungsschalter

Leistungsschalter für Großmengenöl: Bei diesen Leistungsschaltern ist das Kontaktsystem in einem mit Transformatoröl gefüllten Behälter untergebracht, das sowohl als Lichtbogenlöschmedium als auch als Isolation zwischen den leitenden Bauteilen und dem geerdeten Behälter dient. Sie bieten zwar eine hohe Belastbarkeit und halten verschiedenen Witterungsbedingungen stand, sind jedoch groß, benötigen erhebliche Mengen an Öl und bergen ein erhöhtes Explosions- und Brandrisiko. Zudem sind sie wartungsintensiv und werden heute seltener eingesetzt.

Leistungsschalter mit minimalem Ölverbrauch: Bei diesen Leistungsschaltern ist die Lichtbogenlöschkammer in einem isolierten oder nicht geerdeten Metallzylinder untergebracht, wobei nur eine minimale Menge Transformatoröl zur Lichtbogenlöschung und zur Isolierung der Kontaktspalte verwendet wird. Dank ihres einfachen Aufbaus, des geringen Materialverbrauchs, ihrer kompakten Abmessungen, ihrer leichten Bauweise, ihrer stabilen Leistung und ihrer einfachen Bedienung sind sie kostengünstig und finden breite Anwendung.

2) Schalter mit Schwefelhexafluorid (SF₆-Schalter)

Da diese Leistungsschalter SF₆-Gas sowohl als Isolier- als auch als Lichtbogenlöschmedium nutzen, bieten sie eine hervorragende elektrische Isolierung und ausgezeichnete Lichtbogenlöschleistung. Sie ermöglichen eine hohe Schaltfrequenz, zeichnen sich durch verlängerte Wartungsintervalle, eine hohe Schaltleistung und eine kompakte Bauweise aus. Allerdings erfordern sie eine hohe Fertigungspräzision, eine wirksame Abdichtung sowie eine strenge Feuchtigkeits- und Gaskontrolle. SF6-Leistungsschalter werden häufig in Mittelspannungs-Stromversorgungsleitungen eingesetzt, insbesondere in Regionen wie Guangdong.

3) Vakuum-Leistungsschalter

Vakuum-Leistungsschalter nutzen die hohe Durchschlagfestigkeit des Vakuums zum Löschen von Lichtbögen und zeichnen sich durch schnelle Lichtbogenlöschung, lange Lebensdauer, eine leichte Bauweise und kompakte Abmessungen aus. Sie eignen sich für Umgebungen mit korrosiven oder brennbaren Bedingungen sowie für Anwendungen bei hohen oder niedrigen Temperaturen. Diese Schalter sind wartungsarm, allerdings relativ teuer und anfällig für Überspannungen, weshalb sie in Verteilungsnetzen gerne eingesetzt werden.

4) Luftleistungsschalter

Sie werden auch als Druckluft-Leistungsschalter bezeichnet und nutzen vorgespeicherte Druckluft sowohl zur Lichtbogenlöschung als auch als Antriebskraft. Mit ihrer hohen Lichtbogenlöschleistung, ihrer großen Stromunterbrechungsfähigkeit und ihrer schnellen Auslösung sind sie zwar effektiv, jedoch komplex im Aufbau, erfordern einen erheblichen Materialaufwand und benötigen zusätzliche Ausrüstung wie Druckluftsysteme. Diese Schalter werden in der Regel nur in Hochspannungsnetzen mit Nennspannungen von 110 kV und darüber eingesetzt.

5) Feststoff-Gas-Leistungsschalter

In diesen Leistungsschaltern zersetzt der Hochtemperaturlichtbogen feste, gasbildende Materialien, die Gas erzeugen, das als Lichtbogenlöschmedium dient.

6) Magnetische Leistungsschalter

Diese Leistungsschalter nutzen die elektromagnetische Kraft, die durch den durch sie fließenden hohen Strom erzeugt wird, um den Lichtbogen schnell zu strecken und in eine magnetische Lichtbogenlöschkammer zur Kühlung zu leiten. Magnetische Auslöseschalter sind sicher im Betrieb und wartungsfreundlich, allerdings sind sie komplex, groß und kostspielig, weshalb sie im Allgemeinen nur für Spannungsstufen unter 20 kV geeignet sind.

Jeder Typ von Hochspannungs-Leistungsschalter weist spezifische Vorteile auf und erfüllt je nach Lichtbogenlöschmedium und Anwendungsanforderungen bestimmte Aufgaben.

Häufige Ausfälle bei Hochspannungs-Leistungsschaltern

Hochspannungs-Leistungsschalter spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung und dem Schutz von Stromversorgungssystemen, und ihr Betriebszustand wirkt sich unmittelbar auf die Zuverlässigkeit und Stabilität der Stromversorgung aus. Aufgrund von Faktoren wie Konstruktion, Fertigungsqualität, Betriebsbedingungen, Wartungspraktiken, elektrischen Lasten und hohen Stromstößen können bei Hochspannungs-Leistungsschaltern jedoch im Laufe der Zeit verschiedene Störungen auftreten. Im Folgenden sind einige häufige Ausfälle von Hochspannungs-Leistungsschaltern und deren Ursachen aufgeführt:

• Isolationsfehler: Dies ist eines der häufigsten Probleme, darunter Ausfälle der inneren Isolierung, Ausfälle der äußeren Isolierung und Überschläge an der Porzellanhülse. Ausfälle der inneren Isolierung können durch Fremdkörper oder sich ablösendes Material im Inneren des Leistungsschalters verursacht werden. Übersprünge an der äußeren Isolierung oder an der Porzellanhülse können auf eine falsche Dimensionierung der Porzellanhülse, einen unzureichenden Kriechweg der äußeren Isolierung oder Qualitätsmängel an der Porzellanhülse zurückzuführen sein.
• Stromführende Fehler: Diese Fehler stehen in der Regel im Zusammenhang mit einer Überhitzung der Leitungen oder einem schlechten Kontakt. Ein schlechter Kontakt kann durch eine Fehlausrichtung der statischen Kontakte oder durch eine Kollision mit der Lichtbogenlöschdüse während des Betriebs verursacht werden.
• Betriebsstörung: Diese Art von Störung kann entweder auf mechanische oder auf elektrische Probleme zurückzuführen sein. Mechanisch gesehen kann sie durch einen Fehler im Antriebssystem des Betätigungsmechanismus verursacht werden, beispielsweise durch beschädigte, verschobene oder verformte Teile. Elektrisch gesehen kann die Ursache in Fehlfunktionen des Hilfsstromkreises oder des Steuerkreises liegen.
• Probleme im Betriebszyklus: Hochspannungs-Leistungsschalter sind so ausgelegt, dass sie einer bestimmten Anzahl von Schalt-, Öffnungs- oder Wiedereinschaltvorgängen standhalten. Treten Probleme mit dem Betriebszyklus auf, kann dies die normale Funktionsfähigkeit des Leistungsschalters beeinträchtigen.
• Dichtungsversagen: Ein Versagen der Dichtung kann zu Gasleckagen führen oder dazu, dass Verunreinigungen von außen in den Leistungsschalter gelangen, wodurch dessen Leistung und Sicherheit beeinträchtigt werden.
• Überspannungsfehler: Bei Hochspannungs-Leistungsschaltern kann es aufgrund von Überspannungsstößen zu Isolationsdurchschlägen oder sogar zu Bränden kommen, was zu erheblichen Ausfällen führen kann.
• Überlastfehler: Anhaltende Überlastzustände können zu einem Durchbrennen der Kontakte oder zum Ausfall der Sicherung führen, was den normalen Betrieb des Leistungsschalters beeinträchtigt.
• Häufiges Stolpern: Faktoren wie ein zu kleines Stromwandlerverhältnis, ein zu hoher Einschaltstrom oder Erdungs- bzw. Kurzschlüsse in der Leitung können zu häufigen Auslösungen der Leistungsschalter führen.

Um einen zuverlässigen Betrieb von Hochspannungs-Leistungsschaltern zu gewährleisten, sind regelmäßige vorbeugende Prüfungen und Wartungsarbeiten unerlässlich, um diese potenziellen Ausfälle frühzeitig zu erkennen und zu beheben. Mithilfe von Fehlerdiagnosetechnologien lassen sich Ort, Schweregrad und Ursache von Geräteausfällen schnell ermitteln, wodurch wertvolle Daten zur Unterstützung zustandsorientierter Instandhaltungsentscheidungen bereitgestellt werden.

Warum werden Hochspannungs-Leistungsschalter geprüft?

Zu den wichtigsten Gründen für die Prüfung von Hochspannungs-Leistungsschaltern gehört, sicherzustellen, dass diese:

• Gewährleistung eines sicheren Betriebs: Hochspannungs-Leistungsschalter sind entscheidende Schaltgeräte in Stromversorgungssystemen, und ihre Leistungsfähigkeit steht in direktem Zusammenhang mit dem sicheren und stabilen Betrieb des Stromnetzes. Durch Prüfungen wird sichergestellt, dass die Leistungsschalter Stromkreise je nach Bedarf präzise und schnell öffnen oder schließen können, wodurch der zuverlässige Betrieb des Stromversorgungssystems gewährleistet wird.
• Verhütung von Betriebsunfällen: Da Leistungsschalter in Stromversorgungssystemen eine entscheidende Rolle spielen, können Ausfälle zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten oder sogar zu Personenschäden führen. Regelmäßige Prüfungen ihrer mechanischen Eigenschaften können dazu beitragen, solche Vorfälle zu verhindern, indem potenzielle Fehler frühzeitig erkannt werden.
• Bewertung von Qualität und Leistung: Die Prüfung des Betriebsspannungsbereichs, der Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten, der Zeitabläufe sowie der Synchronisation von Hochspannungs-Leistungsschaltern liefert wichtige mechanische Leistungsdaten. Anhand dieser Parameter lässt sich die Qualität und Betriebssicherheit des Leistungsschalters genau beurteilen.
• Leitfaden für Wartung und Instandhaltung: Leistungsschalter müssen regelmäßig überprüft und gewartet werden, um ihre ordnungsgemäße Funktion sicherzustellen. Durch die Analyse der mechanischen Eigenschaften im Rahmen von Prüfungen lassen sich potenzielle Probleme erkennen und umgehend beheben. Die Prüfungen vermitteln den Betreibern zudem tiefere Einblicke in die Funktionsweise und die mechanischen Eigenschaften der Leistungsschalter, was eine effektivere Wartung und Reparatur ermöglicht.
• Steigerung der Systemeffizienz: Eine gründliche Prüfung der mechanischen Eigenschaften von Hochspannungs-Leistungsschaltern verringert das Risiko von Stromausfällen aufgrund von Schalterausfällen und erhöht dadurch die Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit des Stromnetzes.

Die Prüfung von Hochspannungs-Leistungsschaltern ist eine vorbeugende Maßnahme, die die Zuverlässigkeit des Stromnetzes stärkt, die Sicherheit gewährleistet und die Betriebseffizienz verbessert.

Vorbeugende Prüfungen an Hochspannungs-Leistungsschaltern

Um einen zuverlässigen und sicheren Betrieb von Hochspannungs-Leistungsschaltern zu gewährleisten, sind regelmäßige vorbeugende Prüfungen von entscheidender Bedeutung. Diese Prüfungen stellen die Unversehrtheit und Funktionsfähigkeit des Leistungsschalters sicher und beugen potenziellen Störungen vor, die zu Systemausfällen oder unsicheren Zuständen führen könnten. Zu den wichtigsten Prüfpunkten gehören:

1) Isolationswiderstandsprüfung

Die Isolationswiderstandsprüfung dient als grundlegende Beurteilung der Isolationsleistung eines Leistungsschalters. Durch die Messung des Widerstands bewertet diese Prüfung die Fähigkeit der internen Isolationsmaterialien des Leistungsschalters, unerwünschten Stromfluss zu unterbinden. Ein hoher Widerstandswert weist auf eine gute Isolierung hin, die für die Aufrechterhaltung der Betriebssicherheit und die Vermeidung elektrischer Störungen unerlässlich ist. Regelmäßige Isolationswiderstandsprüfungen tragen dazu bei, frühe Anzeichen einer Isolationsverschlechterung zu erkennen, ermöglichen so eine rechtzeitige Wartung und stellen sicher, dass der Leistungsschalter ordnungsgemäß funktioniert, um das Stromnetz zu schützen.

2) Prüfung des dielektrischen Verlustfaktors (tgδ)

Diese Prüfung ist von entscheidender Bedeutung für nicht-reine Keramikdurchführungen und Mehröl-Leistungsschalter mit Nennspannungen von 40,5 kV und darüber. Bei der Prüfung des dielektrischen Verlustfaktors (tgδ) wird der Energieverlust innerhalb der Isolierung gemessen, wenn eine Wechselspannung angelegt wird. Hohe dielektrische Verluste können auf eine schlechte Isolationsqualität oder das Eindringen von Feuchtigkeit hinweisen. Durch die Überwachung der tgδ-Werte können Betreiber den Zustand der Isolationsmaterialien beurteilen und so sicherstellen, dass diese Komponenten unter Hochspannungsbelastung sicher funktionieren. Diese Prüfung ist besonders wertvoll für die Überwachung des Alterungsprozesses der Isolation und die Planung von Wartungsintervallen.

3) Messung des Widerstands einer leitenden Schaltung

Diese Prüfung, die oft als Kontaktwiderstandsmessung bezeichnet wird, nutzt eine Zweipolbrücke, um die Qualität der Kontakte im Leistungsschalter zu bewerten. Korrekte Kontaktwiderstandswerte gewährleisten einen effektiven Stromfluss ohne übermäßige Erwärmung, die im Laufe der Zeit zu Fehlfunktionen oder Schäden führen könnte. Ein hoher Kontaktwiderstand kann auf Korrosion, eine schlechte Ausrichtung oder andere Probleme hinweisen, die die leitenden Teile des Leistungsschalters beeinträchtigen. Indem dieser Widerstand innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten wird, trägt diese Prüfung dazu bei, die Integrität des Stromkreises zu gewährleisten und eine Überhitzung zu verhindern, was insbesondere bei Hochspannungsanwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

4) Wechselspannungs-Durchschlagprüfung

Bei dieser Prüfung wird die Isolationsfestigkeit des Leistungsschalters unter hohen Wechselspannungsbedingungen bewertet. Die Wechselspannungsfestigkeitsprüfung wird sowohl im offenen als auch im geschlossenen Zustand separat durchgeführt, wobei dem Leistungsschalter eine hohe Wechselspannung angelegt und auf Anzeichen von Überschlag oder Durchschlag überwacht wird. Hält der Leistungsschalter der Spannung ohne Ausfall stand, gilt die Prüfung als bestanden, wodurch seine Isolationsfestigkeit bestätigt wird. Diese direkte und effektive Methode ist von grundlegender Bedeutung für die Bestimmung der Fähigkeit des Leistungsschalters, Hochspannungsbedingungen sicher zu widerstehen.

5) Vakuumgradprüfung für Vakuum-Leistungsschalter

Vakuum-Leistungsschalter nutzen ein Vakuum, um elektrische Ströme ohne Lichtbogenbildung zu unterbrechen. Regelmäßige Prüfungen des Vakuumniveaus stellen sicher, dass dieses innerhalb des für einen effektiven Betrieb erforderlichen Bereichs bleibt. Ein zu niedriges Vakuumniveau kann die Lichtbogenlöschleistung des Leistungsschalters beeinträchtigen und zu Geräteausfällen oder Unfällen führen. Quantitative Messungen des Vakuumniveaus ermöglichen es, die Lebensdauer der Anlage vorherzusagen und Austausch- oder Reparaturmaßnahmen zu planen, was zu einem sicheren und langlebigen Betrieb von Vakuum-Leistungsschaltern beiträgt.

6) Prüfung der mechanischen Eigenschaften von Leistungsschaltern

Die Bewertung der mechanischen Eigenschaften des Leistungsschalters, wie beispielsweise Öffnungs- und Schließzeit, Geschwindigkeit und Synchronisation, ist für die Beurteilung seines Betriebsverhaltens von entscheidender Bedeutung. Bei dieser Prüfung wird untersucht, wie sich die mechanische Struktur, die Reibung und die gespeicherte mechanische Energie auf die Leistung auswirken. Eine korrekte Zeitsteuerung und Synchronisation sind entscheidend, um Fehlfunktionen zu verhindern, die zu Systemausfällen oder Gefahren für das Bedienpersonal führen könnten. Die Gewährleistung einer präzisen und zuverlässigen mechanischen Funktion trägt dazu bei, die Leistung des Leistungsschalters und die Zuverlässigkeit des Systems aufrechtzuerhalten, insbesondere in Umgebungen, in denen eine schnelle Fehlerisolierung erforderlich ist.

7) Prüfung des Primäreinspeisestroms:

Hochspannungs-Leistungsschalter sind im Betrieb hohen Strömen ausgesetzt. Durch den Einsatz eines Primäreinspeisungs-Stromprüfgeräts lässt sich die tatsächliche Betriebsstrombedingung simulieren. Durch regelmäßige Hochstromprüfungen können die Schalt- und Schließleistung des Leistungsschalters überprüft und potenzielle Ausfälle oder Unfälle frühzeitig erkannt werden, wodurch die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Stromnetzes erhöht wird.

8) Prüfung auf SF₆-Gasleckage und Wassergehalt

SF₆-Gas, das in SF₆-Leistungsschaltern zum Einsatz kommt, ist ein entscheidendes Isolations- und Lichtbogenlöschmedium. Dieses Gas muss eine hohe Reinheit und einen geringen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen, um effektiv zu funktionieren. Die SF₆-Gasleckage- und Mikrowasserprüfung dient der Beurteilung der Reinheit und Trockenheit des SF₆-Gases und stellt sicher, dass es weiterhin für die Isolierung und das Lichtbogenlöschen geeignet ist. Die Aufrechterhaltung eines angemessenen Gasgehalts und Feuchtigkeitsgehalts trägt dazu bei, dass SF₆-Leistungsschalter sicher und zuverlässig arbeiten, wodurch Risiken im Zusammenhang mit Gaszerfall oder -leckagen verringert werden.

9) Prüfungen an Isolieröl (für Öl-Leistungsschalter)

Bei Öl-Leistungsschaltern ist die Qualität des Isolieröls entscheidend für die Aufrechterhaltung der Isolations- und Kühlfunktionen. Prüfungen von Parametern wie wasserlöslicher Säure (pH-Wert), Säurezahl, geschlossenem Flammpunkt, Feuchtigkeit, Grenzflächenspannung, dielektrischem Verlustfaktor (tanδ), Durchschlagspannung, Volumenwiderstand und Gasgehalt im Öl liefern umfassende Einblicke in den Zustand des Öls. Darüber hinaus können durch die Analyse gelöster Gaskomponenten mittels Chromatographie beginnende Fehler erkannt werden. Regelmäßige Öltests tragen dazu bei, Probleme frühzeitig zu erkennen und sicherzustellen, dass die Isolations- und Lichtbogenlöschleistung von Öl-Leistungsschaltern innerhalb sicherer Grenzen bleibt.

Durch die regelmäßige Durchführung dieser vorbeugenden Prüfungen können potenzielle Probleme bei Hochspannungs-Leistungsschaltern frühzeitig erkannt und behoben werden, wodurch deren sicherer und zuverlässiger Betrieb gewährleistet wird.