Abb. 1: Gasisolierte Schaltanlage für den Außenbereich

 

Eine gasisolierte Schaltanlage (englisch gas-insulated switchgear, GIS) ist eine vollständig gasdicht gekapselte Schaltanlage für Hochspannung und Mittelspannung, die zur Isolierung den oder die elektrischen Leiter mit Schwefelhexafluorid (SF₆) als Schutzgas umgibt. Damit sind, im Gegensatz zu luftisolierten Schaltanlagen, kompakte Schaltanlagen in engen Räumen realisierbar.

Grundlagen

Gasisolierte Schaltanlagen sind wesentlich kompakter als luftisolierte Schaltanlagen, weil SF₆ eine vierfach höhere Durchschlagsfestigkeit als Luft bei Normaldruck besitzt. Außerdem unterstützt SF₆ das Verlöschen von Funkenstrecken effektiver als Luft. Gasisolierte Schaltanlagen sind in der Regel für Innenräume konzipiert, können aber problemlos für das Außengelände umgerüstet werden.

Das Isolationsgas wird dabei unter Druck von 5 bar bis 10 bar gehalten, um die Isolationsfähigkeit sicherzustellen. Der Grund für den gegenüber Normaldruck erhöhten Gasdruck liegt darin, dass so die mittlere Weglänge der freien Elektronen im Gas reduziert ist. Durch die elektrische Feldstärke können Elektronen bei hohem Gasdruck im Mittel nicht so stark wie bei Normaldruck beschleunigt werden und stoßen an die SF₆-Moleküle.

Da SF₆ ein sogenanntes Treibhausgase mit einem GWP¹ von 23.900 ist, werden große Anstrengungen unternommen, um Leckagen zu verhindern. Mittlerweile gelten jedoch Ausnahmeregelungen für gasisolierte Schaltanlagen, die mit geringen Mengen austretenden Gases und geordneter Entsorgung begründet wurden. Weiters kann durch verschiedene Gasmischungen wie mit Stickstoff (N₂) und Kohlenstoffdioxid (CO₂) der absolute SF₆-Anteil am Isoliergas reduziert werden. Bei gasisolierten Rohrleitern (GIL) ohne Schaltvorgängen in den Rohrabschnitten kann so der SF₆-Anteil auf rund 5 % gesenkt werden. Allerdings weisen diese Mischgase eine höhere Empfindlichkeit für Verunreinigungen auf. Verunreinigungen führen zu einer Reduzierung der Isolationsfestigkeit, und bedingen einen höheren Gasdruck, was den mechanischen Aufwand und Anlagekosten steigern. https://www.hitachienergy.com/products-and-solutions/high-voltage-switchgear-and-breakers/gas-insulated-switchgear

Abb. 2: Gasisolierte Schaltanlage für den Innenbereich

 

Gasanalyse von SF₆

Zur qualitativen Kontrolle und Überwachung von SF₆ kann der INFRA.sens® SF₆ – AK2 / P eingesetzt werden, der Konzentrationen von 0 bis 100 Vol.-% SF₆ detektiert. Aufgrund der hohen Dichte des Gases wird ein spezielles Verfahren zur Linearisierung mit zugehörigem Druck, Nullpunkttemperatur und Endpunkttemperaturkompensation durchgeführt. Um die Reinheit des SF₆ möglichst genau bestimmen zu können wird eine hohe Genauigkeit der Linearisierungsfunktion zwischen 90-100 Vol.-% SF₆ gefordert. Auch dazu sind besondere Auswertealgorithmen erforderlich, um diese Anforderung optimal erfüllen zu können.

Aufgrund seines Treibhauspotenzials (GWP) ist auch die Lecksuche eine wichtige Anwendung, in der das INFRA.sens® SF₆ – AK20G / P von Wi.Tec eingesetzt werden kann. Dieser misst bis in den ppm-Bereich. Der kleinste mögliche Messbereich liegt bei 0-50ppm SF₆ mit einer Auflösung im ppb-Bereich

Da SF₆ einen hohen GWP-Wert hat, werden in Zukunft alternative Isoliergase gesucht. Diese sind z.B. CO₂, NOVEC 4710 etc. Als weitere Möglichkeit führte z.B. ABB im Jahr 2015 ein neues Isoliergas Air+ ein. Das neue Gasgemisch besteht aus Fluorketonen (C5F10O) und Kohlenstoffdioxid (CO₂) oder Stickstoff. Auch diese Gase können mit der INFRA.sens® Technologie gemessen werden. Außerdem können die Wi.Tec-Sensoren auch Reaktionsprodukte, wie CO, H₂S und SO₂ im Isoliergas messen.

Merkmale & Vorteile der Wi.Tec-Sensorik

• Verschiedene Messbereiche von 0-100Vol.-% SF₆ bis 0-50ppm SF₆ möglich
• Linearitätsfehler < 0,5 % FS (Fullscale)
• Inklusive Temperaturkompensation von 5 - 45 °C
• Inklusive Druckkompensation von 600 - 1200 mbar
• Sehr gute Langzeitstabilität über viele Jahre
• Wartungsarm

Abb. 2: SF₆-Gassensoren der Wi.Tec-Sensorik GmbH für unterschiedliche Gaskonzentrationen (von links: 0-100 Vol.-% SF₆, 0-2000ppm SF₆ und 0-50ppm SF₆)

 

SF₆ - Gasanalysatoren

Die Wi.Tec-Produkte sind als OEM-Sensoren für die Integration in Anlagen und Geräte konzipiert worden. Verschiedene Hersteller nutzen diesen Vorteil, um diese SF₆ Gassensoren optimal einsetzen zu können. Beispielhaft für diese Vorgehensweise sind die Geräte der Rapidox-Serie der Firma Cambridge Sensotec UK (https://www.sf6.co.uk/applications/).

Das Rapidox SF₆ 6100 Portable ist für die Kontrolle und Überwachung der Qualität von SF₆ in gasisolierten elektrischen Anlagen für Mittel- und Hochspannung ausgelegt. Durch den Einsatz der NDIR-Sensoren wird bei der Messung der Reinheit von SF₆-Gas eine sehr hohe Genauigkeit und Stabilität gewährleistet. Über einen Gasausgangsstutzen kann der Analysator an den Rapidox-Gasrückgewinnungsbeutel angeschlossen werden, um sicherzustellen, dass das gesamte entnommene SF₆-Gas zurückgewonnen wird.

Der interne SF₆-Gasdruck wird vom Analysator aufgezeichnet und protokolliert. Alle gemessenen Gase werden gleichzeitig analysiert und protokolliert, wobei nur wenige Minuten benötigt werden, um einen stabilen Messwert zu erhalten.

Abb. 4: Portabler SF6 Gasanalysator (Rapidox SF6 6100 Portable, Cambridge Sensotec UK) https://www.sf6.co.uk/products/

 

Der Rapidox SF₆ 6100 Bench Gasanalysator wurde für die Kontrolle und Überwachung der Qualität von SF₆-Gas in einer Reihe von Anwendungen entwickelt, einschließlich gasisolierter elektrischer Mittel- und Hochspannungsgeräte, SF₆-Gas-Reinheitstests, medizinischer Tests, Fertigung und laborgestützter Forschung und Entwicklung.

Bei der gleichzeitigen Analyse und Datenaufzeichnung von SF₆-, SO₂- und H₂O-Gasen (Taupunkt) werden außergewöhnlich genaue und stabile Messwerte erzielt. Das Gerät ist voll kompatibel mit dem Rapidox Gas Recovery Bag und verfügt über einen Gasauslassstutzen, an den der Analysator angeschlossen werden kann, um sicherzustellen, dass das gesamte SF6-Gas zurückgewonnen wird.

Abb. 5: SF₆ Gasanalysator als Tischgerät (Rapidox SF₆ 6100 Bench Gas Analyser, Cambridge Sensotec UK) https://www.sf6.co.uk/products/sf6-6100-bench/

¹ Global Warming Potential

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