Isoliergasdichteüberwachung auf Basis Referenzgasvergleich

Notwendigkeit einer temperatur-unabhängigen Dichteüberwachung

Bei der Dichtemessung in druckbeaufschlagten, gasisolierten Kammern dreht sich alles um die Physik. Druck, Dichte und Temperatur stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander. Die Beziehung wird durch Isochoren (konstante Zustandänderung) für jedes spezifische Isoliergas definiert. Die Isolierleistung eines gasisolierten Raumes wird durch eine definierte Dichte erreicht, die bei einer gegebenen Temperatur zu einem bestimmten Druck führt. In einem geschlossenen und gasdichten Raum bleibt die Gesamtdichte immer konstant, Temperaturschwankungen führen jedoch zu einer Variation des Systemdrucks.

Linien beispielhaft für konstante SF₆-Gasdichte (Isochoren): Druck- und Temperaturänderungen bei konstantem Volumen.

Ein Dichtewächter wird in der Regel über einen anpassbaren Prozessanschluss (b) direkt am Druckraum der Hochspannungsanlage (a) montiert. Die Dichtewächter von Trafag basieren auf einer Referenzkammer (c) mit integriertem Metallbalgsystem (d), die mit dem kundenspezifischen Isoliergas gefüllt wird. Das Metallbalgsystem ermöglicht eine direkte Temperaturkopplung von Druckraumgas und Gasfüllung in der Referenzkammer. Änderungen der Umgebungstemperatur wirken sich im gleichen Masse auf den Druck (isochore Zustandsänderung) im Gasraum aus wie auf den Druck in der Referenzkammer. Daher wird der Einfluss der Temperatur auf den Isoliergasdruck inhärent kompensiert und ein sehr präziser Isoliergasdruck @ 20 °C (entspricht der Dichte), bei jeglicher Umgebungstemperatur, auf der Anzeige (i) angezeigt. Es wird kein Fehlalarm durch temperaturbedingte Druckänderungen ausgelöst. Referenzkammer des Dichtewächters und der Druckraum der Hochspannungsanlage sind beide hermetisch geschlossene Systeme. Der Umgebungsdruck (z.B. Höhenaufstellung oder Wetterschwankungen) haben keinen Einfluss auf das Funktionsprinzip. Es handelt sich also um ein absolutes Überwachungsprinzip.

Der Druck, genauer gesagt die Dichte des zu überwachenden Isoliergasraumes wird über das äussere Balgvolumen (e) mit der vordefinierten Dichte des hermetisch abgeschlossenen inneren Balgvolumens (f) der Referenzkammer verglichen. Ändert sich die Dichte des Gasraums, betätigt das Balgsystem über eine Schaltstange und ein gefederten Schaltteller (g) bis zu vier unabhängige Mikroschalter (h). Jeder Mikroschalter kann werkseitig entweder auf steigenden oder fallenden Druck kalibriert werden. Das heisst, wenn die Dichte unter die vordefinierten Schaltpunkteinstellungen (SP) fällt, schliessen oder öffnen sich die Mikroschalterkontakte schrittweise. Die Schaltpunktgenauigkeit wird werkseitig bei -25°C, +20°C und 50°C geprüft.

Erschweren örtliche Umwelteinflüsse eine direkte Temperaturkopplung von Druckraum (a) und Referenzgassystem (c), z. B. bei Ausseninstallationen mit starker Sonneneinstrahlung oder schnell wechselnden oder extremen Witterungsverhältnissen, unterstützen speziell konstruierte Thermoabdeckungen die Temperaturbalance zwischen Druckraum und Referenzgassystem.

• Fülldruck (Dichte) Isoliergasraum: 6,1 bar abs. @ 20°C, reines SF₆
• SP1: 5,7 bar abs. @ 20°C, sinkender Warnschaltpunkt für Kammernachfüllung
• SP2: 5,5 bar abs. @ 20°C, sinkender Not-Aus Alarm-Schaltpunkt
• SP3: 5,5 bar abs. @ 20°C, redundanter sinkender Not-Aus Alarm-Schaltpunkt
• SP4: 6,4 bar abs. @ 20°C, steigender Hochalarmschaltpunkt bei Kammerüberdruck
• Werksseitig vorgefülltes Innenbalgvolumen der Referenzkammer: 5,7 bar abs. @ 20°C, SF₆,hermetisch dicht, gemäss SP1

Fällt der Isoliergasdruck des zu überwachenden Druckraums (a,e) durch Leckage ab, gewinnt das hermetisch abgeschlossene innere Balgvolumen (f) gegenüber dem sinkenden Druck im Gasraum an Vortrieb. Schaltstange mit Schaltteller (g) bewegen sich nach unten.

Wenn der Druck unter den Schaltpunkt 1 (SP1) bei 5,7 bar abs. @ 20°C fällt, schaltet der erste Mikroschalter und löst Erstalarm aus. Üblicherweise zeigt der Erstalarm an, dass der Druckraum nachgefüllt werden muss.

Sinkt der Druck weiter, im Beispiel unter 5,5 bar abs. @ 20°C, dann schalten meist zwei weitere, redundante Mikroschalter (SP2 und SP3). Standardmässig werden diese Schaltpunkte als Not-Aus verwendet; die Betriebs- und Funktionssicherheit der Anlage ist nicht mehr gewährleistet. Ein vierter Mikroschalter (SP4) kann z.B. verwendet werden, um unerwünschte Überdruckzustände während Nachfüllroutinen des Druckraums zu überwachen. Steigt der Druck über 6,4 bar abs. @ 20°C schaltet der Mikroschalter und löst Hochalarm aus.