Einsatz von alternativen Gasen für SF6 im Höchstspannungsnetz

Dr. Bartosz Rusek

Amprion GmbH

Die Emission von SF6 in Deutschland

sinken absolut und spezifisch

2

Alternative Gase in HöS-Betriebsmittel | Oktober 2019 / B. Rusek

Gleichwohl steigt die globale Konzentration von

SF6 kontinuierlich an

Alternative Gase in HöS-Betriebsmittel | Oktober 2019 / B. Rusek3

Source: NOAA/ESRL South Pole, Antarctica – SF6 (LINK)

U.A. deswegen hat der ZVEI (Zentralverband

Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V.) eine

Roadmap zur Reduktion der SF6 Emissionen

erstellt und Empfehlungen zur Einführung von

SF6-Alternativen vorgeschlagen:

Förderung der Entwicklungsprozesse von

SF6-freien Lösungen bei den Herstellern.

Förderung zur Sammlung von Erfahrungen

mittels Pilotanwendungen.

Markteinführungsprogrammen oder staatlichen

Investitionszuschüssen, z.B. auch gestaffelt

nach GWP der SF6-Alternative.

„Abwrackprämie“ für ältere SF6-Schaltanlagen,

sowohl in der Hochspannung als auch in der

Mittelspannung.

Kürzere Abschreibungszeiträume oder höhere

Verzinsung für Kapitalkosten für SF6-freie

Alternativen im regulatorischen Bereich.

Was sind typische Anwendungsfälle von SF6 im Höchstspannungsnetz?

Gasverlustraten geringer als IEC-Standard (<0,5% p.a.)

Alternative Gase in HöS-Betriebsmittel | Oktober 2019 / B. Rusek4

Assettypische Verluste

in % p.a.

Leistungsschalter 0,4

Kombiwandler 0,1

GIS <0,2

GIL (N2/SF6) <<0,1

SF6-HöS-Leistungsschalter werden oft

im Grenzleistungsbereich betriebenDas Kurzschlussstromniveau ist sehr hoch

Amplituden der Erd- und 3-poligen-Kurzschlüsse nähern sich punktuell, sodass

Betrachtung der Nutzungsdauer der Schaltkammer erforderlich ist.

Beim Schalten von Kabeln und großen rotierenden Maschinen können fehlende

Nulldurchgänge auftreten, sodass eine große Lichtbogenspannung wichtig ist.

Gleiche Anforderungen treffen auch auf GIS-Leistungsschalter zu.

Alternative Gase in HöS-Betriebsmittel | Oktober 2019 / B. Rusek5

Verteilung der

Nennausschalt-

Kurzschlussströme

der HöS-

Leistungsschalter

Können diese Anforderungen auch mit alternativen Gasen erfüllt werden? Können diese Anforderungen auch mit alternativen Gasen erfüllt werden?

SF6-HöS-GIS-Tenn- und Erdungsschalter werden

zukünftig stärker belastet

Schalten von Kommutierungsströmen beim Sammelschienenwechsel

– Die Belastung des Netzes (u. A. durch WAFB) nimmt zu, sodass

Betriebsströme bis zu 3600A in 380-kV-Netz möglich sind.

Betriebserfahrung zeigt deutlich ansteigende Anzahl an Schalthandlungen

Abschalten von kleinen kapazitiven Strömen (z.B. Sammelschienen)

– Sehr schnelle transiente Spannungen mit ggf. vorhandenen Partikel

aufgrund des Kontaktverbrauchs müssen beherrscht werden.

Alternative Gase in HöS-Betriebsmittel | Oktober 2019 / B. Rusek6

Können diese Anforderungen auch mit alternativen Gasen erfüllt werden? Können diese Anforderungen auch mit alternativen Gasen erfüllt werden?

Übersicht über ausgewählte alternative Gase

Alternative Gase in HöS-Betriebsmittel | Oktober 2019 / B. Rusek7

Ga

s

Chemische Formel SF6

Clean Air

N2 + O2

C4 PerFluoroNitrile

(CF3)2CFCN

C5 PerFuoroKetone

(CF3)2CFC(O)CF3

CO2-equivalent (GWP) 22.800 0 2.210 1

Siedepunkt (°C) -64 <-183 -5 +27

Durchschlagfestigkeit bei

0,1MPa1 0,43 2,2 1,7

Ga

s-M

isch

un

g

Trägergas Kein, N2, CF4 - ~ 95% CO2~ 90% CO2

mit N2 oder. O2

CO2-equivalent (GWP) <22.800 0 230 … 490 <1

Siedepunkt (°C) -30 <-183 -25 -5

Toxizität LC50 (4h) ppmv - - 12.000 … 15.000 20.000

Lic

htb

og

en

Betriebsdruck [MPa] 0.6 ~ 1.8 0.67 … 0.82 0.7 … 0.8

Durchschlagfestigkeit (pu) 1 ~1 ~ 1 ~ 1

SLF Performance (pu) 1 k.A. (Vakuumröhre) 0.83 … 1 0.8 … 0.87

Wiederverfestigungs-

geschwindigkeit (pu)1 k.A. (Vakuumröhre) ~ 1 ~ 1

Zersetzungstemperatur

(K)

~ 2000

(reversib.)

~ 7000

(N2 reversib.)

> 920

(irreversib.)

~ 970

(irreversib.)

Zersetzungsprodukte

HF, SO2,

sulphur

compounds

Only if failure:

ozone

and nitrogen

oxides

HF, CO, COF2,

CF3CN, C2F5CN, C2F6

HF, CF4, C2F6, C5F10O,

C3F8, C4F10,C3HF7, C4F8,

C4F6, C3F6, C2F3N, C2N2 in

MV GIS with air

Die ersten SF6-freien

Produkte sind verfügbar

Beispiele für GIS170kV,1250A, 40kA, -5°C, AirPlus

170kV,3150A, 40kA, -50°C,Clean Air/Vakuum

145kV, 3150A, 40kA, -25°C, g3

Beispiele für Leistungsschalter72,5kV, 2750A, -50°C (CO2)

145kV, 3150A, -60°C, (Clean Air, Vakuumschalter)

72.5kV, 3150A, -30°C, (dry air, Vakuumschalter)

Beispiele Strom-/Spannungswandler

245kV (CVT), Clean Air

72,5…800kV, … 4800A, 63kA (fiber optic current sensor)

72,5…800kV, … 4800A, 63kA, (digital current sensor)

245kV, g3

Beispiel für GIL420kV, …6300A, -25°C, g3

Alternative Gase in HöS-Betriebsmittel | Oktober 2019 / B. Rusek8

Keine HöS-Produkte

Keine HöS-Produkte

Wenige HöS-Produkte

Wenige HöS-Produkte

Status und Folgerungen für HöS-Anwendung

Für ausgewählte Anwendungen gibt es Produkte mit alternativen Gasen.

Schaltaufgaben können mit Einschränkungen im Bereich Um<245kV

beherrscht werden.

Ein 1:1-Ersatz von SF6 im Bestand ist weiterhin nicht möglich.

Die zulässigen Betriebstemperaturen schränken die Einsatzfelder einiger

Gase ein.

Es ist mit höheren Leckageraten und höheren Betreibsaufwendungen zu

rechnen.

Alternative Gase in HöS-Betriebsmittel | Oktober 2019 / B. Rusek9

Einsatz als Isoliergas schon heute möglich. Einsatz als Isoliergas schon heute möglich.

Einsatz für Schaltaufgaben ist noch nicht ausreichend erforscht. Einsatz für Schaltaufgaben ist noch nicht ausreichend erforscht.

Pilotprojekt –

245-kV-Spannungswandler

Alternative Gase sind für Isolieraufgaben gut geeignet

Sammlung von Betriebserfahrung in einem Pilotprojekt

mit einem 245-kV-Clean-Air-Freiluft-Spannungswandler

– Umgang mit höherem Betriebsdruck

– Gashandling und Arbeitssicherheit

– Verhalten im realen Netzbetrieb

– Zuverlässigkeit und Redundanz

Zielvision: 245-kV-Kombiwandler

– Weiterentwicklung erforderlich

– Zusätzliche Herausforderung: Begrenzung der

Abmaße eines solchen Wandlers auf den

vorhandenen Freiraum im Anlagenlayout

Alternative Gase in HöS-Betriebsmittel | Oktober 2019 / B. Rusek10

Zusammenfassung

Reduktion der SF6-Emissionen ist ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz

Für den Einsatz alternativer Gase als Isoliermedium in neuen Geräten z. B.

in Wandlern, GIL, lange GIS-Ausleitungen gibt es erste Pilotprojekte

Diese Pilotprojekte ermöglichen die Klärung der noch offenen

Fragestellungen z. B. hinsichtlich Langzeitstabilität, Gas-Handling oder

Materialkompatibilität

Mit der Höherauslastung des HöS-Netzes bleiben die Anforderungen an das

Schaltvermögen der HöS-Schalter unverändert hoch, so dass für dieses

Einsatzfeld weiterhin Forschungsbedarf nach alternativen Gasen besteht.

Für HöS-Bestandsgeräte und für neue HöS-Schaltgeräte gibt es weiterhin

keine 1:1 Alternative zu SF6

Alternative Gase in HöS-Betriebsmittel | Oktober 2019 / B. Rusek11

Das starke Netz für Energie | www.amprion.net

Amprion GmbH

Rheinlanddamm 24

44139 Dortmund

bartosz.rusek@amprion.net