Keynote auf der ICEC 2020 Alternative für die SF6-Gastechnik

Christian Franck, ETH Zürich

»Aus Sicht der Hochspannungstechnik und der elektrischen Isolation ist SF6 perfekt, hat aber ein Treibhauspotenzial von 23.500. Ein Kilogramm SF6 in der Atmosphäre hat daher den gleichen Effekt wie 23,5 Tonnen CO2.«
Christian Franck, ETH Zürich »Aus Sicht der Hochspannungstechnik und der elektrischen Isolation ist SF6 perfekt, hat aber ein Treibhauspotenzial von 23.500. Ein Kilogramm SF6 in der Atmosphäre hat daher den gleichen Effekt wie 23,5 Tonnen CO2.«

Die International Conference on Electrical Contacts – kurz ICEC – öffnet vom 15. bis 18. Juni 2020 Experten aus aller Welt die Türen. Die Vorträge decken dabei ein breites Spektrum rund um elektrische Kontakte ab.

Inhaltliche Schwerpunkte der ICEC 2020 sind unter anderen aktuelle Technologien, wie Starkstrom-Verbinder oder ruhende und bewegliche Schaltkontakte, sowie Spezialanwendungen, Simulationen, Elektromobilität und neuartige Schalttechnologien. Ebenfalls inhaltlich abgedeckt werden die physikalischen Grundlagen elektrischer Kontakte und deren Materialien, Schaltlichtbogen und Lichtbogenverhalten.

Zu diesem Thema referiert etwa Keynote-Speaker Prof. Dr. Christian Franck von der ETH Zürich. Beim Schließen und Öffnen elektrischer Kontakte entstehen die sogenannten elektrischen Lichtbögen, die auf Dauer die Kontaktflächen zerstören können. Als Professor für Hochspannungstechnik an der ETH Zürich liegen Francks Schwerpunkte in der Hochspannungsgleichstromtechnik (HGÜ). Im Fokus stehen dabei zwei Forschungsrichtungen: Die Übertragung auf Freileitungen in hybrider AC-DC-Technik und Stromunterbrechung. »Die meisten Freileitungen dieser Welt werden mit Wechselspannung betrieben und fast immer ist mehr als ein Drehstromsystem auf einem Mast anzutreffen. Möchte man die Energieübertragungskapazität dieser existierenden Freileitung erhöhen, ohne große bauliche Änderungen vorzunehmen, dann kann man diese mit Gleichspannung betreiben.« Für die Punkt-zu-Punkt-Verbindung über eine große Strecke sei so eine reine HGÜ-Leitung sinnvoll und existiert auch in einigen Ländern. In eng vermaschten Netzen, zum Beispiel in Europa, fehle allerdings die Möglichkeit der Ab- und Verzweigungen entlang dieser Leitung. »Das ist der große Vorteil von Wechselstromübertragung. Wenn man also jetzt von einer bestehenden Leitung nur ein Wechselspannungssystem auf Gleichstrom umrüstet und den Rest beibehält, dann kann man das Beste der beiden Systeme kombinieren.« Allerdings ergibt sich daraus eine Situation, die es bisher noch nicht im Betrieb gibt: sehr eng beieinander liegende hohe elektrische Gleich- und Wechselfelder. »Hier kommt es zu Wechselwirkungen, deren Auswirkungen wir verstehen wollen. Insbesondere die Veränderung der Koronaentladungen, eine Geräuschentwicklung und elektrische Verluste sowie die gegenseitige Kopplung der Ströme durch die Ionen dieser Korona. Dafür haben wir verschiedene Experimente aufgebaut und neue Simulations-Tools entwickelt.«

Keynote auf der ICEC 2020

Auf der ICEC 2020 selbst spricht er über Hochspannungs-Gasisolationssysteme und zukünftige Forschungen zu Schaltlichtbögen. Anders als die von der Öffentlichkeit wahrgenommenen Bauten in der Übertragungstechnik – also Freileitungen und große Umspannwerke – kommen in städtischen Gebieten mit wenig Platz sogenannte gasisolierte Schaltanlagen in Umspannwerken zum Tragen. Diese sind dem Experten zufolge wesentlich kompakter – etwa um den Faktor 10 – und lassen sich in Gebäuden unterbringen. Daher sind sie oft nicht sichtbar. »Das Hauptisolationsgas ist heute SF6. Aus Sicht der Hochspannungstechnik und der elektrischen Isolation ist dieses perfekt, hat aber ein Treibhauspotenzial von 23.500. Ein Kilogramm SF6 in der Atmosphäre hat daher den gleichen Effekt wie 23,5 Tonnen CO2. Wir forschen an alternativen Gasen und Gasmischungen, um dies zu ersetzen.« Dafür haben die Forscher numerische und experimentelle Methoden entwickelt, um eine große Anzahl an möglichen Molekülen zu screenen und die besten Kandidaten zu identifizieren. »Die aussichtsreichsten Moleküle charakterisieren wir hinsichtlich der Anwendung für die Hochspannungsisolation. Dies ist zunächst mal ein elektrisches Problem, aber sobald eine Gasmischung enger in Betracht gezogen wird, müssen natürlich auch die Fragen wie Materialstoffverträglichkeit und Kontaktübergangswiderstandsentwicklung betrachtet werden.«

Im Vortrag präsentiert er Alternativen zu SF6 und klärt über Pre-Standardisierungsinitiativen auf, etwa die Cigre WG B3.45, D1.67 oder A3.41. Diese versuchen, Gemeinsamkeiten und geeignete Vergleichsmessungen zu identifizieren. Weitere Anstrengungen umfassen eine internationale Versuchsinitiative, die die Spannungsfestigkeit verschiedener alternativer Gasgemische vergleicht sowie Experimente an herstellerunabhängigen Schaltgeräten zum Vergleich der Unterbrechungsleistung durchführt. Eines der dafür genutzten experimentellen Werkzeuge ist eine flexible Impulsstromquelle, mit der sich anspruchsvolle Stromformen erzeugen lassen und die erweiterte Tests ermöglicht, zum Beispiel die Bestimmung von Black-Box-Parametern des Schaltlichtbogens für den Einsatz in Entwicklungstests.