Wat is een gasgeïsoleerd systeem (GIS)? Uitgebreide gids

Een Gasgeïsoleerd systeem (GIS) is een compact, elektrisch hoogspanningssysteem met componenten zoals schakelapparatuur, stroomonderbrekers, scheiders, en transformatoren zijn ondergebracht in een afgesloten behuizing gevuld met een isolerend gas, typisch zwavelhexafluoride (SF6), in plaats van lucht bij atmosferische druk. Dit ontwerp vermindert de benodigde ruimte aanzienlijk in vergelijking met luchtgeïsoleerde onderstations (AIS). Het gebruik van SF6-gas, met zijn superieure diëlektrische sterkte en boogdovende mogelijkheden, zorgt voor een veel kleinere voetafdruk, waardoor GIS ideaal is voor stedelijke gebieden, ondergrondse installaties, en andere omgevingen met beperkte ruimte. Het gesloten ontwerp beschermt de componenten ook tegen omgevingsfactoren zoals vervuiling, zoutnevel, en extreem weer, het vergroten van de betrouwbaarheid en het verminderen van onderhoud.

1. Invoering

Gasgeïsoleerde systemen (GIS) vertegenwoordigen een aanzienlijke vooruitgang in de elektrische hoogspanningstechnologie. Traditionele luchtgeïsoleerde onderstations (AIS) vereisen grote afstanden tussen onder spanning staande componenten vanwege de relatief lage diëlektrische sterkte van lucht. Dit resulteert in grote footprints van onderstations, waardoor ze ongeschikt zijn voor veel stedelijke en beperkte ruimtes. GIS technologie overwint deze beperking door alle delen onder spanning te omsluiten in een geaarde metalen behuizing gevuld met een onder druk staand isolatiegas, meestal zwavelhexafluoride (SF6).

Het concept van het gebruik van een gas als isolatiemedium is niet nieuw, maar de ontwikkeling van SF6 gas met zijn uitzonderlijke eigenschappen bracht een revolutie teweeg in het ontwerp van hoogspanningsapparatuur. SF6 heeft ongeveer een diëlektrische sterkte 2.5 naar 3 keer zo groot als lucht, waardoor een dramatische vermindering van de omvang van de apparatuur mogelijk is. Het heeft ook uitstekende boogdovende eigenschappen, waardoor het ideaal is voor gebruik in stroomonderbrekers.

2. Waarom gebruik maken van een Gasgeïsoleerd systeem?

De adoptie van GIS technologie wordt gedreven door een aantal belangrijke voordelen:

• Ruimtebesparend: Het belangrijkste voordeel van GIS is het compacte formaat. Een GIS onderstation kan zo weinig in beslag nemen 10% van de ruimte die een vergelijkbaar AIS-onderstation nodig heeft. Dit is vooral van cruciaal belang in stedelijke gebieden waar grond duur en schaars is.
• Hoge betrouwbaarheid: Het bijgevoegde ontwerp van GIS beschermt de interne componenten tegen omgevingsfactoren zoals vervuiling, zoutnevel, vochtigheid, en het binnendringen van dieren. Dit vermindert het risico op storingen aanzienlijk en verbetert de algehele betrouwbaarheid van het systeem.
• Verbeterde veiligheid: Alle onder spanning staande delen zijn ingesloten in een geaarde metalen behuizing, het minimaliseren van het risico op onbedoeld contact en het verbeteren van de veiligheid voor het personeel.
• Minder onderhoud: De afgesloten omgeving en het gebruik van SF6 gas, dat chemisch inert en niet-afbreekbaar is, vermindert de behoefte aan onderhoud aanzienlijk in vergelijking met AIS.
• Binnen- en ondergrondse installatie: GIS is geschikt voor zowel binnen- als buiteninstallaties. Het compacte formaat en het gesloten ontwerp maken hem ideaal voor ondergrondse onderstations, waardoor de visuele impact verder wordt geminimaliseerd.
• Esthetische uitstraling: GIS onderstations hebben een veel kleiner en esthetisch aantrekkelijker uiterlijk vergeleken met AIS-onderstations.

3. Onderdelen van een GIS

• Stroomonderbrekers: Wordt gebruikt om foutstromen te onderbreken en delen van het systeem te isoleren. GIS stroomonderbrekers die doorgaans worden gebruikt SF6 gas voor zowel isolatie als boogdoving.
• Scheidingsschakelaars (Isolatoren): Wordt gebruikt om apparatuur zichtbaar te isoleren voor onderhoudsdoeleinden. Ze zijn niet ontworpen om de belastingsstroom te onderbreken.
• Aardingsschakelaars: Wordt gebruikt voor het aarden van spanningsloze apparatuur, het garanderen van de veiligheid tijdens onderhoud.
• Huidig Transformatoren (CT's): Wordt gebruikt om de stroom te meten die door de hoogspanningsgeleiders vloeit voor beschermings- en meetdoeleinden.
• Spanningstransformatoren (VT's): Gewend meet de spanning van het hoogspanningssysteem voor beschermings- en meetdoeleinden.
• Busbaren: De belangrijkste geleiders die de stroom dragen tussen verschillende onderdelen van de GIS.
• Overspanningsafleiders: Wordt gebruikt om de GIS tegen overspanningen veroorzaakt door blikseminslag of schakelhandelingen.
• Gasdichte behuizing: De geaarde metalen behuizing waarin alle componenten zijn ondergebracht en de SF6 gas. De behuizing is meestal gemaakt van aluminium of staal.
• Gasbewakingssysteem: Bewaakt de druk, dikte, en zuiverheid van het SF6-gas.

Figuur 1: Schematisch diagram van een typisch Gasgeïsoleerd systeem (GIS), waarbij de belangrijkste componenten worden weergegeven.

4. De rol van SF6 Gas

Zwavelhexafluoride (SF6) is kleurloos, geurloos, niet-giftig, en niet-ontvlambaar gas met uitzonderlijke diëlektrische en boogdovende eigenschappen. Deze eigenschappen maken het tot het ideale isolatiemedium GIS.

Belangrijkste eigenschappen van SF6 Gas:

• Hoge diëlektrische sterkte: SF6 heeft ongeveer een diëlektrische sterkte 2.5 naar 3 maal zo groot als lucht bij dezelfde druk. Dit zorgt voor veel kleinere spelingen tussen onder spanning staande componenten.
• Uitstekend boogdovingsvermogen: SF6 is zeer effectief bij het blussen bogen die optreden bij een stroomonderbreker onderbreekt de stroom. Het absorbeert de energie van de boog en koelt deze snel af, het voorkomen van herontsteking.
• Chemische stabiliteit: SF6 is chemisch inert en ontleedt niet onder normale bedrijfsomstandigheden. Dit zorgt voor stabiliteit en prestaties op de lange termijn.
• Thermische stabiliteit: SF6 heeft een goede thermische stabiliteit, waardoor het over een breed temperatuurbereik kan werken.
• Niet-toxiciteit: SF6 zelf is niet giftig. Echter, in aanwezigheid van een boog, het kan ontleden in bijproducten die giftig kunnen zijn. Correcte hanterings- en ventilatieprocedures zijn noodzakelijk.

Terwijl SF6 een zeer bruikbaar gas is voor GIS, het is ook een krachtig broeikasgas, met een aardopwarmingspotentieel (GWP) ongeveer 23,500 maal zo groot als koolstofdioxide (CO2). Vanwege dit, er is steeds meer aandacht voor het minimaliseren van de SF6-uitstoot en het vinden van alternatieve gassen.

5. Alternatieven voor SF6 Gas

Vanwege het hoge GWP van SF6, de industrie onderzoekt en ontwikkelt actief alternatieve isolatiegassen GIS. Deze alternatieven zijn bedoeld om de impact op het milieu te verminderen en tegelijkertijd de prestaties en betrouwbaarheid van de auto te behouden GIS. Enkele mogelijke alternatieven zijn onder meer:

• **Fluoroketonen:** Deze hebben een aanzienlijk lager GWP dan SF6 en goede diëlektrische eigenschappen.
• **Fluoronitrilen:** Deze bieden ook een lager GWP en een goede diëlektrische sterkte.
• **Mengsels van gassen:** Het combineren van gassen zoals CO2, N2, en O2 met kleine hoeveelheden gefluoreerde verbindingen kunnen het totale GWP verlagen terwijl de prestaties acceptabel blijven.
• **Schone lucht (Droge lucht):** Terwijl lucht een lagere diëlektrische sterkte heeft dan SF6, Er wordt vooruitgang geboekt in het ontwerp en er wordt een hogere werkdruk geboekt "schone lucht" GIS is voor sommigen een haalbare optie spanningsniveaus.

De transitie naar alternatieve gassen is aan de gang, met voortdurende onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen gericht op het optimaliseren van de prestaties, kosten, en milieu-impact.

6. Bewaking en onderhoud van GIS

Al vergt GIS minder onderhoud dan AIS, Regelmatige controle en onderhoud zijn nog steeds essentieel zorgen voor de betrouwbaarheid op lange termijn en veiligheid. Belangrijkste aspecten van GIS-monitoring erbij betrekken:

• SF6 Gasmonitoring: Regelmatig monitoren van de druk, dikte, en zuiverheid van SF6 aardgas is cruciaal. Lekkages kunnen de isolerende eigenschappen van het gas verminderen en het risico op storingen vergroten. Gasdichtheid monitoren en lekdetectiesystemen worden voor dit doel gebruikt.
• Gedeeltelijke ontlading (PD) Toezicht: PD is een plaatselijke elektrische ontlading die kan optreden bij isolatiedefecten. PD monitoring kan vroege tekenen van isolatiedegradatie detecteren, waardoor tijdig kan worden ingegrepen voordat zich een grote storing voordoet. Technieken waarvoor gebruikt wordt PD toezicht in GIS inclusief UHF (Ultrahoge frequentie) sensoren, akoestische emissie (AE) sensoren, en HFCT (Hoogfrequente stroomtransformator) sensoren.
• Temperatuurbewaking: Oververhitting kan op verschillende problemen duiden, zoals slechte verbindingen, overmatige stroom, of isolatiedegradatie. Temperatuurmonitoring kan worden uitgevoerd met behulp van traditionele sensoren (thermokoppels, Rts), infrarood (EN) thermografie, of glasvezel sensoren. Op fluorescentie gebaseerd glasvezel sensoren zijn bijzonder geschikt voor GIS vanwege hun immuniteit tegen EMI, klein formaat, en hoge nauwkeurigheid.
• Bewaking van stroomonderbrekers: Bewaken van de werking van stroomonderbrekers, inclusief bedrijfstijden, contact slijtage, en mechanismeprestaties, is essentieel voor het garanderen van een betrouwbare foutonderbreking.
• Visuele inspecties: Periodieke visuele inspecties kunnen helpen bij het identificeren van externe tekenen van problemen, zoals gaslekken, corrosie, of schade aan de behuizing.

7. Toepassingen van GIS

• Hoogspanningsstations: GIS heeft de voorkeur Technologie voor hoogspanningsstations in stedelijke gebieden waar de ruimte beperkt is.
• Ondergrondse onderstations: Het compacte formaat en het gesloten ontwerp van GIS maken het ideaal voor ondergrondse onderstations.
• Offshore-platforms: GIS wordt vanwege zijn compacte formaat gebruikt in offshore windparken en olie- en gasplatforms, betrouwbaarheid, en weerstand tegen zware omgevingsomstandigheden.
• Industriële installaties: GIS wordt gebruikt in industriële installaties met hoge stroomvereisten, zoals staalfabrieken, aluminium smelterijen, en chemische fabrieken.
• Waterkrachtcentrales: GIS wordt vaak gebruikt in waterkrachtcentrales, waar de ruimte beperkt kan zijn en milieuoverwegingen belangrijk zijn.
• Mobiele onderstations: GIS kan tijdelijk worden gebruikt in mobiele onderstations voeding tijdens calamiteiten of onderhoud.