Gasdichteüberwachung von alternativen Isoliergasen in SF₆-freien Schaltanlagen

Gasisolierte Schaltanlagen werden in Hoch- und Mittelspannungsnetzen eingesetzt. Das heute übliche Isoliergas SF₆ eignet sich zwar aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften sehr gut für die Verwendung in gasisolierten Schaltanlagen, ist aber gleichzeitig ein starkes Treibhausgas mit einem Global Warming Potential (GWP) von 22 800. Das GWP drückt aus, um wie viel stärker ein Gas im Vergleich zu CO₂ zur Klimaerwärmung beiträgt. Im Fall von SF₆ bedeutet dies, dass 1 Kilogramm SF₆ gleich viel zur Klimaerwärmung beiträgt wie 22,8 Tonnen CO₂. Deshalb wird die Verwendung von SF₆ bereits heute massiv eingeschränkt und mit der F-Gas-Verordnung in der EU auch für die Anwendung in Hochspannungsschaltanlagen ab ca. 2030 weitgehend verboten. SF₆ wird zunehmend durch umweltfreundlichere alternative Isoliergase ersetzt. Die Alternativgase lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: C₄FNbasierte Isoliergase wie EconiQ oder g³ und luftbasierte Mischungen (technische Luft) wie CleanAir. Die Gase beider Gruppen sind leichter als SF₆ und haben bei gleichem Druck eine geringere Isolierfähigkeit. Die Kammern der gasisolierten Schaltanlagen werden deshalb mit deutlich mehr Druck gefüllt, um die gleichen Isoliereigenschaften zu erhalten.

Wie werden alternative Isoliergase in Schaltanlagen überwacht?

Genau wie bei Schwefelhexafluorid wird auch bei den alternativen Isoliergasen eine auf die geforderten Isoliereigenschaften abgestimmte Menge Gas in die abgeschlossene Kammer der Schaltanlage gefüllt. Als Referenz wird zumeist der Druck bei 20 °C herangezogen. Während die Gasmenge in der abgeschlossenen, dichten Kammer gleichbleibt, ändert sich der Druck bei Temperaturveränderungen, z.B. im Tagesgang oder über die Jahreszeiten, massiv. Deshalb wird auch bei alternativen Isoliergasen die Dichte, also die konstant bleibende Gasmenge im Volumen, überwacht und nicht der Druck. Für die gleichen Isoliereigenschaften erfordern die Alternativgase allerdings einen höheren Druck als SF₆, und auch ihr Temperaturverhalten, ausgedrückt in Isochoren (Zustandsänderung bei konstantem Volumen), unterscheidet sich von demjenigen von SF₆. Gasdichtewächter müssen deshalb speziell auf die höheren Drücke und die individuellen Eigenschaften der Gase ausgelegt werden. Da die Dichte der Alternativgase bei gleichen Isoliereigenschaften massiv geringer ist als bei SF₆, müssen auch die elektronischen Gasdichtesensoren bezüglich des Messbereichs speziell ausgelegt werden.

Wie unterscheiden sich Gasdichtewächter für alternative Isoliergase von Gasdichtewächtern für SF₆?

Das bewährte Referenzkammer- Messprinzip der Trafag-Gasdichtewächter wird für Alternativgase unverändert übernommen. Aufgrund der höheren Drücke, die bei Alternativgasen notwendig sind, wurde das gesamte Messsystem neu für einen Messbereich bis 13 bar (Absolutdruck) qualifiziert. Der Hauptunterschied zu Gasdichtewächtern für SF₆ liegt in der Füllung der Referenzkammer. Diese wird mit einem Gasgemisch gefüllt, das die Isochorensteigung des Alternativgases abbildet, also die Steigung der Linie des gleichen spezifischen Volumens (= Dichte) im Druck-Temperatur-Diagramm. Die Schaltpunkte sowie die Skalierung der Anzeige werden auf die effektiven Werte des Alternativgases abgestimmt.

Wie unterscheiden sich Gasdichtesensoren für alternative Isoliergase von Gasdichtesensoren für SF₆?

Neben der Eignung für die höheren Drücke muss das Sensorsystem auch für die tiefere Dichte der Gase kalibriert werden. Das einzigartige Messprinzip der Trafag-Gasdichtesensoren, das direkt die Dichte – ohne Umweg über Druck und Temperatur – misst, eignet sich für die Messung der Dichte von Gasen aller Art. Um auch tiefere Dichten genau messen zu können, wurde die Auflösung der Auswerteelektronik erhöht. Von der grösseren Genauigkeit profitieren mittelfristig auch die schwereren Gase wie SF₆. Einmalig müssen für jedes Gasgemisch jene Parameter messtechnisch ermittelt werden, die für die genaue Linearisierung des Ausgangssignals und im Fall der digitalen Sensoren (RS485 Modbus) für die Umrechnung in Druck bei 20 °C notwendig sind. Diese Parameter werden bei der Herstellung der Dichtesensoren vor der Kalibrierung im internen Chip gespeichert.

Können die integrierten Prüf-, Wartungs- und Füllventile auch bei alternativen Isoliergasen eingesetzt werden?

Die patentierten, direkt im Gasdichtewächter integrierten Ventile zur periodischen Überprüfung der Schaltpunkte, zur Gasentnahme für die Offlineanalyse sowie zum Befüllen bzw. Nachfüllen des Isoliergastanks eignen sich auch für den Betrieb mit Alternativgasen. Die Ventile wurden bereits bei der Entwicklung auf die höheren Drücke der alternativen Isoliergase ausgelegt. Auch die verwendeten Dichtungsmaterialien sind geeignet für den Einsatz mit den heute üblichen alternativen Isoliergasen. Die Abdeckkappen der in die Trafag- Gasdichtewächter integrierten Ventile sind in den üblichen Farben gekennzeichnet: Grün für C₄FN-basierte alternative Isoliergase, Blau für Luftmischungen und Orange für SF₆ .

Die Messbereiche für alternative Isoliergase integrieren sich nahtlos in das bestehende und das zukünftige Trafag-Sortiment an Gasdichtewächtern, Gasdichtesensoren und Hybrid-Gasdichtewächtern (kombinierte Gasdichtewächter und -sensoren). Damit können mit minimalem Anpassungs- und Schulungsaufwand sowohl Neuanlagen direkt für Alternativgase ausgelegt als auch bestehende Anlagen im Rahmen einer Überholung mit SF₆ -freien Isoliergasen ausgerüstet werden. Mit der seit vielen Jahren bewährten Technik können so auch die umweltfreundlichen Anlagen der Zukunft zuverlässig überwachtwerden, für einen sicheren und störungsfreien Betrieb.

* EconiQ ist eine Marke von Hitachi Energy
g³ ist eine Marke der General Electric Company
CleanAir (Saubere Luft) ist ein von Siemens Energy verwendeter Begriff

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