Thermisches Ausschaltvermögen von Kohlenstoffdioxid in Leistungsschaltermodellen mit einseitig bewegtem Kontaktsystem

In Hoch- und Höchstspannungsnetzen der Energieübertragung und -verteilung (Us ?? 72,5 kV) werden heute Gasleistungsschalter unter Verwendung von Schwefelhexafluorid (SF6) als Lösch- und Isoliergas eingesetzt. Eine zukünftige Herausforderung für Hersteller und Netzbetreiber ist der Ersatz dieses starken Treibhausgases in gasisolierten Schaltanlagen und Leistungsschaltern. Aufgrund seiner guten Eignung zur Lichtbogenlöschung rückt dabei Kohlenstoffdioxid (CO2) in den Fokus der Untersuchungen. Erste marktverfügbare Leistungsschalter sowie Prototypen mit CO2-Füllung zeigen jedoch, dass der Einsatz der CO2-Technologie für Bemessungsspannungen von Ur ?? 145 kV eine Anpassung der Schaltkammern an die Eigenschaften des Löschgases erfordert. Im Fall von CO2 bedeutet dies die Ausnutzung der Kühlwirkung im Bereich des Stagnationspunkts im Isolierstoffdüsensystem. Zu diesem Zweck werden im Rahmen dieser Arbeit Untersuchungen des thermischen Ausschaltvermögens von CO2 in Leistungsschaltermodellen mit zweifacher Ausführung von Heizkanal und Heizvolumen in einem synthetischen Prüfkreis durchgeführt. Ausgangspunkt sind dabei Prüfanordnungen mit feststehendem Kontaktsystem. Im nächsten Schritt wird die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Prüfanordnungen mit einseitig bewegtem Kontaktsystem überprüft. Zur Analyse der physikalischen Prozesse während des Ausschaltvorgangs kommen CFDSimulationen (Computational Fluid Dynamics) zum Einsatz. Die Untersuchungen zeigen ein Maximum des thermischen Ausschaltvermögens bei einem absoluten Fülldruck von pabs = 10 bar. Gleichzeitig kann bei diesem Fülldruck die dielektrische Festigkeit der Schaltkammer gewährleistet werden. Der Einsatz eines einseitig bewegten Kontaktsystems führt im Vergleich zu Prüfanordnungen mit feststehendem Kontaktsystem zu einer Reduktion des thermischen Ausschaltvermögens um ca. 15%. Durch den Vergleich der Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen mit CFD-Simulationen können eine Absenkung der Temperatur im Düsensystem unter Werte von T = 2000 K
und eine gleichmäßige Beblasung des Schaltlichtbogens als wesentliche Auslegungskriterien für Schaltkammern in CO2 identifiziert werden. Die Anwendbarkeit dieser Designkriterien zur Auslegung von Schaltkammern mit realitätsnahen Dimensionen wird durch den Aufbau und Test eines Technologie- Demonstrators für einen Bemessungskurzschlussausschaltstrom von IK = 25 kA gezeigt. Die Modellierung der dielektrischen Wiederverfestigungscharakteristik des Technologie-Demonstrators lässt die Einsetzbarkeit für Bemessungsspannungen von Ur ?? 145 kV als möglich erscheinen.