SF 6 -isolerade ställverk möter ökande krav ABB Calor Emag Schaltanlagen AG har vidareutvecklat det fabriksfärdiga och typprovade ställverket ENK och lanserat den nya serien ENK-2 på marknaden. Det nya ställverket är modulärt uppbyggt och avsett för tilllämpningar med nominell spänning på upp till 72,5 kv och kortslutningsbrytström upp till 40 ka. 965 levererade och driftsatte Calor- Emag världens första SF 6 -isolerade ställverk (GIS), dimensionerat för en märkspänning på 23 kv. På grund av sina många tekniska och ekonomiska fördelar har SF 6 -isoleringstekniken haft en avgörande inverkan på ställverksutvecklingen och har bidragit till ökad försörjningssäkerhet för elkonsumenterna. De isolerande egenskaperna hos SF 6 - gasen gör det möjligt att bygga ett gasisolerat ställverk ca 90 % mindre än ett konventionellt luftisolerat. Framför allt i tättbebyggda områden ger de gasisolerade ställverken nätplanerarna ökad frihet vid val av installationsplatser och optimering av nätkonstruktionen. Den kompakta konstruktionen gör det vidare möjligt att placera hela ställverket inomhus till en rimlig kostnad. Detta är en viktig aspekt då särskilda stadsplaneringsmässiga eller driftmässiga krav ställs, liksom på installationsplatser med krävande klimat, som hög luftfuktighet, hög salthalt eller kraftiga industriella föroreningar. Den inerta SF 6 -gasen i ställverkets inre fungerar inte bara som isolerande medium utan är samtidigt skyddsgas. Den förhindrar åldringsfenomen i form av föroreningar och oxidation. Komponenternas elektriska och mekaniska karakteristik behålls oförändrade. Ökad kapacitet för hårdare krav Nät med märkspänningarna 52 kv eller 72,5 kv finner vi framför allt i distributionsområden med liten geografisk utbredning. De första ENK-anläggningarna installerades för nära 20 år sedan i nät av denna typ [2]. Ställverken karakteriseras av sin kompakta utformning. Under årens lopp har mer än 000 ställverksfack levererats till 200 anläggningar i 30 länder. Den totala erfarenhetsbasen uppgår till 0000 fackdriftår. ENK-anläggningar installeras med särskilt stor fördel på platser där förhöjda krav ställs, som i de schweiziska högalperna, i afrikanska ökenregioner, i regnskogar i Malaysia och på Filippinerna och i de nordiska länderna, liksom i tillämpningar med särskilda krav på jordbävningssäkerhet som i Kalifornien eller där extrem utrymmesbrist råder som i Macao och på Taiwan [3]. Den ökande lasttätheten och de följaktligen tätare maskade näten har efter hand lett till ökande tekniska krav på ställverken. Dr. Harald Fink Erich Sonnenschein Bodo Zahn ABB Calor Emag Schaltanlagen AG Förutom den högre märkkortslutningsströmmen 40 ka var målet för utvecklingsprojektet att göra ställverket ändå kompaktare, att förenkla det lokala monterings- och driftsättningsarbetet och att minska underhållskostnaderna genom att välja självblåsande effektbrytare och hydrauliska manöverdon med energi lagrad i en fjäder. För att uppnå största möjliga kompatibilitet med befintliga ENK-ställverk måste ett viktigt konstruktionsmässigt krav uppfyllas, nämligen att varje installerat ENK-ställverk utan vidare ska kunna byggas ut med komponenter ur serie ENK-2. Modulär konstruktion tillåter specialanpassade anläggningar Till skillnad mot gasisolerade högspänningsställverk, där isolergasen håller ett tryck på ca 400 kpa, är ENK-anläggningarna konstruerade för att arbeta under atmosfärstryck. Detta innebär att kapslingen kan utföras enklare, liksom att risken för plötsliga gasläckage och därav följande förlust av isolerförmåga minskar. Det trefasiga metallkapslade SF 6 -ställverket är modulärt uppbyggt med ett antal olika delutrymmen, som samlingsskenerum I och II med frånskiljare eller jordare, integrerat effektbrytar- och utgångsrum samt anslutningsrum. visar ett ställverksfack med dubbla samlingsskenor i genomskärning. På framsidan finns styrutrustning och manöverdon. De kvaderformade kapslingarna för de enskilda delutrymmena består av stålplåt. Delutrymmena är elektriskt och mekaniskt förbundna med varandra via genomföringar av gjutharts. För att förenkla monterings- och driftsättningsarbetet, liksom för att undvika att syre och fukt blandas med isolergasen kan varje delutrymme evakueras separat. All styr- och manöverutrustning liksom alla kopplarmanöverdon är monterade på fackets framsida. ABB Tidning 5/996 2
7 6 5 4 2 8 Ställverk ENK-2 med dubbel samlingsskena och kabelanslutning 3 0 9 I samlingsskenerummen sitter samlingsskenorna i form av rörledare, tillsammans med frånskiljare eller jordare. I det integrerade effektbrytar- och utgångsrummet finns en självblåsande SF 6 -brytare, utgångsfrånskiljare och primäranslutningarna för de ström- och spänningstransformatorer som vanligen placeras utanför SF 6 -rummet. I anslutningsrummet finns jordaren som klarar inkoppling mot kortslutning samt ändavslutningar för de mest skilda anslutningstyper. Det nyutvecklade ställverket ENK-2 har hög standardiseringsgrad trots att det tilllåter långtgående anpassning till olika kunders speciella krav. Genom olika förbättringar har ställverkets prestanda kunnat höjas (tabell ): Kortslutningar på 40 ka kan brytas vid 72,5 kv märkspänning Märkström på upp till 2500 A i samlingsskena och utgång Samlingsskena Gul SF 6 -gasutrymme 2 Kombinerad frånskiljare och jordare Röd Strömförande 3 Effektbrytare Grön Jordat 4 Strömtransformator Brun Isolatorer 5 Spänningstransformator 6 Frånkopplingsanordning 7 Snabbjordare 8 Kabelavslut 9 Manöverdon för effektbrytare 0 Manöverdon för frånskiljare/jordare Styr- och förreglingsreläer Tabell : Grundläggande tekniska data och mått för ställverkssystemet ENK-2 Storhet Tidigare Nyversion konstruktion Spänning kv 72,5 72,5 Stötström ka 63 80 /00 Korttidsström ka 25 3,5 /40 Kortslutningstid s 3 3 Driftström, samlingsskena och utgång A 600 2000 / 2500 Kortslutningsbrytström ka 25 3,5 /40 Fackbredd mm 200 200 Fackhöjd mm 2500 2865 Fackdjup, enkel kabelanslutning mm 2960 2960 dubbel kabelanslutning mm 3360 3360 Samlingsskenor med kombinerade frånskiljare och jordare I samlingsskenerum I 2 finns en trelägesomkopplare med den kombinerade funktionen av frånskiljare och jordare. I samlingsskenerum II däremot fungerar omkopplaren som frånskiljare. Samlingsskenorna i de båda rummen är placerade vertikalt över varandra. Samlingsskenerummen är indelade fackvis med skott och skengenomföringar. I jämförelse med ställverkskonstruktioner som har genomgående samlingsskenerum utan mellanliggande skott märks tydliga fördelar i samband med utbyggnad och underhållsarbete, eftersom tiden för evakuering och fyllning förkortas avsevärt. I händelse av fel begränsas problemet till ett fack. Fackstorleken är identisk i system med enkel och dubbel samlingsskena. I anläggningar med enkel samlingsskena utnyttjas endast det övre av de båda samlingsskenerummen. Förbindelseskenorna mot det integrerade effektbrytar- och utgångsrummet går 22 ABB Tidning 5/996
genom genomföringsplattor så att gasvolymerna i de olika rummen förblir fullständigt isolerade från varandra. Effektbrytare som klarar alla driftsituationer De självblåsande SF 6 -brytarna hanterar kortslutningsströmmar på upp till 40 ka. De är placerade i det integrerade effektbrytaroch utgångsrummet. Brytarna är utrustade med hydrauliska manöverdon av typ HMB 3 med energi lagrad i en fjäder. Brytarens släckprincip illustreras av 4. En avgörande fördel med den självblåsande brytaren är att ljusbågens energi utnyttjas för att bryta kortslutningsströmmen. Därför kräver en självblåsande brytare bara 0 till 20% av den energi som en pufferbrytare behöver. Vid brytning av små strömmar 4b är gasströmmen från kolvens rörelse tillräcklig för att blåsa ut ljusbågen. I händelse av kortslutning 4c ger ljusbågeenergin upphov till ett högt gastryck i självblåsvolymen, ett tryck som stänger backventilen i cylinderns botten och ger upphov till en kraftig gasström genom släckdysan. Gasen, som ännu är komprimerad på grund av kolvrörelsen, kan därefter strömma ut genom de avlastningsventiler som öppnas i underdelen. Samlingsskenerum I med kombinerad frånskiljare och jordare 2 Snabbjordare och slutningsrummet finns även ledningsjordaren ändavslutning 5 som klarar en inkopplingsström på Det nya ställverket är utrustat med en separat mindre gasvolym avsedd för enkel anslutning av kablar och skenor. Skenorna från det integrerade effektbrytar- och utgångsrummet till anslutningsrummet går via genomföringar i ett gastätt skott. I an- 00 ka och en kortslutningsström på 40 ka under 3 sekunder. Det finns flera anslutningsmöjligheter att välja bland för olika tillämpningar: Genomföringar för kablar enligt IEC 859 för enkel- och dubbelkabel Hydrauliskt manöverdon HMB med energin lagrad i en fjäder 3 Mättransformator för höga krav Mättransformatorerna, i synnerhet strömtransformatorn, har anpassats till dagens krav. I normalfallet används strömtransformatorer vars aktiva komponenter är ingjutna i harts, som har metalliserad utsida och som placeras utanför gasrummen. Vid speciellt höga krav, som tex vid extrema märkströmmar, kan i stället genomföringar med integrerade mättransformatorer användas. Alla sekundäranslutningar finns alltid åtkomliga från utsidan. En frånkopplingsanordning skyddar mättransformatorn mot dielektriska skador i samband med tex kabel- och anläggningsprovning. ABB Tidning 5/996 23
3 V 2 V 2 Strömbrytningsförloppet i en självblåsande SF 6 -brytpol 4 a b c V V 2 Sluten brytare Brytning av driftström Brytning av kortslutningsström Självblåsvolym Kompressionsvolym Fast kontakt 2 Rörlig kontakt 3 Släckdysa a b Stickkontaktdon för kablar med ledardiameter upp till 200 mm 2 och spänning upp till 72,5 kv Gjuthartsisolerade strömskenor Kabelgenomföring för enkelkabel eller kabelstickkontaktdon samt metalloxidavledare På kapslingsväggarna i anslutningsrummet kan kapacitiva belägg monteras för spänningsindikering. c Skåp för styrutrustning och manöverdon I styrskåpet 6 finns manöverdonen för effektbrytare, frånskiljare och jordare med sina styr- och förreglingskomponenter på sekundärsidan. Vidare finns densitetsgivare för övervakning av isoler- och släckgasen. I samma skåp finns fackets styrutrustning, inklusive kundspecifika komponenter. Digitala styr- och skyddssystem används i allt större utsträckning för styrning av driften i ENK-2-ställverk. Den minskande användningen av konventionell sekundärteknik för mätning, styrning, övervakning och skydd minskar också kostnaderna för projektering, kabeldragning, installation och driftsättning. Anslutningsrum med inkopplingssäker jordare 5 24 ABB Tidning 5/996
Aktivt skydd förebygger interna fel SF 6 -gasen har en skyddande verkan som dessutom förebygger förorening av och oxidation på kontakter och ytor, så att inget underhåll fordras på anläggningens aktiva och passiva komponenter. Den normala tillståndsövervakningen av isoleroch släckgasen, sammantagen med den logiska utvärderingen av signaler från skydds- och förreglingssystemet, gör att anläggningsfel i stort sett kan uteslutas. I det ytterst osannolika fallet att en ljusbåge skulle uppträda detekteras felet mycket snabbt och strömmen bryts inom loppet av 00 ms. Därmed minskar risken för ljusbågeskador på människor, utrustning och byggnader. Skulle gastrycket, trots de aktiva skyddsåtgärderna, nå otilllåten nivå, brister sprängblecket som finns i varje gasrum. Den utströmmande gasen leds av deflektorer i en sådan riktning att personer och utrustning inte skadas (passivt ljusbågskydd). Ljusbågshållfastheten har verifierats i enlighet med gällande standard. Miljöanpassat, gastätt och underhållsfritt 7 visar en typisk gasrumsindelning. Släckgassystemet för effektbrytarens tre poler utgör en enhet. Driftövertrycksområdet ligger mellan 500 och 600 kpa och övervakas av en densitetsvakt. Isolergasens driftövertrycksområde ligger mellan 0 och 20 kpa. Kapslingens stålplåtar kapas, stansas och borras av automatiska numeriskt styrda plåtbearbetningsmaskiner. Kapslingen är utvecklad för moderna monteringsmetoder och uppfyller gällande tryckkärlsföreskrifter. Den färdiga kapslingen med sina lock och tryckavlastningselement kan evakueras. Det integrerade effektbrytar- och utgångsrummet tillsammans med anslutningsrummet, utgör en övervakningsenhet. Anslutningsrummet kan avskiljas via en frånkopplingsbar extern förbindel- Ställverksfack ENK-2 för 40 ka utan dörr till styrutrustning och manöverdon 6 seledning. Varje samlingsskenesystem Efter avslutad svetsning följer tryck- och övervakas separat. I samlingsskenans längsriktning är varje grupp om fyra rum inbördes förbundna via filter. I varje delrum finns torkmedel som är avsett att absorbera fukt på komponenternas ytor eller i isolatorerna och därmed sörja för hög gaskvalitet under lång tid. Alla kapslingar utsätts för ett flertal test inom ramen för kvalitetssäkringssystemet. täthetsprov på de olika delrummen i varje kapsling. Kapslingen evakueras då till 2 Pa (2 x 0-2 mbar). Läckhastigheten bestäms med helium och en massaspektrometer. Optimal tillverkningsteknik lägger grunden för gastätheten, och provningssystemet garanterar att varje enskilt ställverksfack i serie ENK-2 med marginal uppfyller de täthetskrav som ställs. ABB Tidning 5/996 25
samtidigt som transportarbetet blir enklare 4 Isoler- och släckgassystem för ett ställverksfack ENK-2 Effektbrytarpol 3 Samlingsskenerum 2 Effektbrytar- och utgångsrum 4 Anslutningsrum Modulär uppbyggnad ger brett användningsområde Det valda modulära konceptet tillåter en mängd olika varianter, som ställverk med dubbla samlingsskeneutgångar, sektioneringsbrytarfack och kopplingsbrytarfack liksom mät- och jordarfack. Provning av funktionssäkerhet och jordbävningshållfasthet Den elektriska och mekaniska funktionssäkerheten i anläggningar baserade på ENK-2 har verifierats genom en mängd typprovningar enligt olika standarder, som IEC och DIN VDE. Tryckkärlskonstruktionen uppfyller de krav som föreskrivs av Europanormen EN 50 068. Som komplement genomfördes även prov med avseende på jordbävningshållfastheten. Tyska Forskningsinstitutet för Flyg och Rymdfart (DLR) i Jülich utförde proven på sitt skakbord. Dels utfördes en jordbävningssimulering med 30 sekunders 3 3 2 varaktighet och med markaccelerationer på upp till 0,8 g, och dels fastställdes anläggningens samtliga egenfrekvenser med svep vid 0,g genom frekvensområdet 0,5 Hz till 35 Hz, varpå anläggningen utsattes för 0,5 g sinusvåg vid resonansfrekvenserna. Proven genomfördes med utgångspunkt från erfarenheter fravn såväl representativa som extrema belastningsfall. Fullständig funktionsförmåga hos apparaterna bestod såväl under som efter proven. Inga som helst förändringar i utrustningen kunde konstateras efter avslutad provning. Enkelt och billigt i transport, montering och underhåll Varje ställverksfack i serie ENK-2 utgör samtidigt en enskild monterings- och transportenhet. De mindre måtten i jämförelse med jämförbara typer minskar utrymmesbehov och byggnadskostnader, 7 och billigare. Effektbrytar- och utgångsrummet fylls med isolergas redan från fabriken och ska inte öppnas vid installationen. Detsamma gäller anslutningsrummen vid utförande med stickkontaktdon. Samlingsskenerummen förses med transportförslutningar och fylls med gas före utleverans från fabriken. Då de olika facken kopplas ihop med varandra på installationsplatsen öppnas samlingsskenerummen hastigt, för att efter sammankopplingen åter evakueras och fyllas med gas. 8 visar en ENK-2-anläggning med fyra fack. Samtliga aktiva komponenter inuti gasvolymen är i praktiken underhållsfria. För servicen på effektbrytaren gäller frikostigt tilltagna underhållsintervall. Den tillåtna ström-tid-integralen för kontaktbyte möjliggör i de flesta fall decenniers drift utan att brytaren behöver demonteras. Manöverdonen på fackets framsida kräver ett minimum av underhåll. Med konstruktionen av serie ENK-2 har betydande fördelar med avseende på transport, installation och underhåll kunnat realiseras: Minskade transport- och byggkostnader genom jämförbara anläggningar Minskade indstallations- och driftsättningskostnader, enklare lokal hantering av SF 6 I princip underhållsfria aktiva komponenter, långa underhållsintervall för SF 6 -effektbrytaren och kopplarnas manöverdon Flera installationer under projektering Typprovade och fabriksfärdiga ENK--anläggningar har skaffat sig ett gott rykte på marknaden under de senaste 20 åren. Den nya serien gasisolerade ställverk ENK-2, med kapacitet för märkspänningen 72,5 kv och kortslutningsbrytströmmar upp till 40 ka kommer i första hand att utnyttjas i maskade nät med särskilt hög 26 ABB Tidning 5/996
energitäthet. De första beställningarna på anläggningar av denna typ har redan kommit in. Som exempel kan nämnas ett kraftbolag i Qatar som har beställt elva ställverk med totalt över 60 fack. Avgörande för kunden var bland annat följande faktorer: Minimalt utrymmesbehov i kombination diseringsgrad, lätt anpassas till varierande kundkrav och förutsättningar. Systemet kan på ett enkelt sätt byggas ut. Kraftbolaget vinner betydande fördelar och kostnadsminskningar genom de optimalt utformade aktiva komponenterna som brytare, frånskiljare och mättransformatorer, liksom genom den ökande användningen med installationsvänlig konstruktion av integrerad styr- och Hög person- och driftsäkerhet, framför allt det aktiva skyddet som skyddar mot interna fel I princip underhållsfria aktiva komponenter och manöverdon Fullständig gastäthet under anläggningens hela livslängd, med en evakueringsbar kapsling Därutöver karakteriseras ENK-2-anläggningar av sin höga operatörskomfort, sin ergonomiskt goda utformning och sin långtgående miljöanpassning. Det modulära systemet kan, trots sin höga standar- skyddsteknik [4]. Det digitala styrsystemet PYRAMID med programmerbara mikroprocessorbaserade moduler erbjuder ytterligare fördelar, i form av omfattande funktionsövervakning och självdiagnostik, goda möjligheter till om- och utbyggnad liksom enkel hantering via ett översiktligt användargränssnitt [5]. Möjligheten att använda belastningsanpassade givare i stället för konventionella mättransformatorer minskar kostnaderna för projektering, kabeldragning, lokal installation och driftsättning. Givartekniken Ställverk ENK-2 för 72,5 kv och 25 ka 8 gör det möjligt att bygga ändå kompaktare och billigare ställverk med ökad funktionsomfattning [6]. Referenser [] Brückner, P.; Flöth, H.: Vollisolierte gekapselte Schaltanlagen für Reihe 0 mit sehr kleinem Raumbedarf. ETZ-A Elektrotechn. Zeitschrift 86 (965) 7, 98 204. [2] Leonhardt, G.; Petry, H.; Sonnenschein, E.: Die stahlblechgekapselten SF 6 -Schaltanlagen für Nennspannungen bis 72,5 kv. Calor-Emag-Mitt. (979), 3 2. [3] Kesseli, R.; Schrader, P.-H.; Sonnenschein, E.: Stahlblechgekapselte SF 6 - Schaltanlage für 52 kv bis 72,5 kv. etz 2 (99) 4, 70 75. [4] Ebbinghaus, W.; Fink, H.; Münch, R.: Integrierte Schutz- und Leittechnik. ETZ Elektrotechn. Zeitschrift 3 (99) 8, 470 475. [5] Systemübersicht PYRAMID-Leittechnik in Schaltanlagen. ABB-Druckschriftenbestell-Nr. DEACE 024 95 D. [6] Aufermann, A.; Fink, H.; Leonhardt, G.: Schaltanlagentechnik der Zukunft. etz Elektrotechn. Zeitschrift 4 (993) 6, 000 003. Författarnas adresser Dr. Harald Fink Erich Sonnenschein ABB Calor Emag Schaltanlagen AG Postfach 220 D-40832 Ratingen Fax: +49 (0) 202/2-73 Bodo Zahn ABB Calor Emag Schaltanlagen AG Postfach 00 35 D-6828 Mannheim Fax: +49 (0) 62/386-245 ABB Tidning 5/996 27