So berechnen Sie den Feuchtigkeitsgehalt in SF₆-gefüllten GIS- und GIL-Geräten

Verstehen von SF₆-Taupunkt, ppmv, Druck, Temperatur und Wasserdampfgehalt

In gasisolierten Schaltanlagen (GIS) und gasisolierten Übertragungsleitungen (GIL) wird Schwefelhexafluorid (SF₆) häufig als Isolier- und Lichtbogenlöschmedium verwendet. Die Aufrechterhaltung der richtigen Gasqualität ist für eine zuverlässige Isolationsleistung, die Lebensdauer der Geräte und einen sicheren Betrieb von entscheidender Bedeutung.

Unter den verschiedenen SF₆-Gasqualitätsparametern sindDer Feuchtigkeitsgehalt ist einer der wichtigsten zu überwachenden Faktoren.

Übermäßige Feuchtigkeit kann die dielektrische Leistung des Gases verringern und unter bestimmten Bedingungen zur Bildung korrosiver oder zersetzungsbedingter Nebenprodukte beitragen. Aus diesem Grund messen GIS- und GIL-Hersteller, Inbetriebnahmeingenieure und Wartungsteams routinemäßig den SF₆-Taupunkt oder die Feuchtigkeitskonzentration.

Doch oft stellt sich eine wichtige Frage:

Wenn ein SF₆-Analysator eine bestimmte Feuchtigkeitskonzentration meldet, wie viel Wasser ist dann tatsächlich im GIS- oder GIL-Fach vorhanden?

Die Antwort erfordert ein Verständnis der Beziehung zwischenTaupunkt, ppmv, Gasdruck, Temperatur und Gasvolumen.

1. Was bedeutet der SF₆-Feuchtigkeitsgehalt?

Wenn ein SF₆-Gasanalysator Feuchtigkeit meldet, kann das Ergebnis je nach Gerät und Anwendung in unterschiedlichen Einheiten ausgedrückt werden.

Zu den gängigen Einheiten gehören:

• Taupunkt (°C)
• Feuchtigkeitskonzentration (ppmv)
• Feuchtigkeitskonzentration (mg/m³)

Diese Parameter beschreiben die Menge an Wasserdampf, die in der SF₆-Gasphase vorhanden ist.

Zum Beispiel eine Lektüre von:

100 ppmv H₂O

bedeutet, dass der Wasserdampf unter den definierten Messbedingungen etwa 100 Volumenteile pro Million des Gasgemisches einnimmt.

Das tut esnichtbedeuten zwangsläufig, dass das gesamte GIS-Kompartiment nur eine feste Wassermenge enthält, die dem berechneten Gasphasenwasser entspricht.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da Feuchtigkeit auch von Dämmstoffen, Dichtungen und Innenflächen aufgenommen bzw. adsorbiert werden kann.

2. Taupunkt vs. ppmv

Taupunkt und ppmv beschreiben Feuchtigkeit auf unterschiedliche Weise.

Taupunkt

DerTaupunktist die Temperatur, bei der Wasserdampf unter einem bestimmten Druckzustand zu kondensieren beginnt.

Ein niedrigerer Taupunkt weist im Allgemeinen auf einen niedrigeren Feuchtigkeitsgehalt hin.

Beispielsweise ist SF₆ mit einem Taupunkt von −40 °C deutlich trockener als SF₆ mit einem Taupunkt von −20 °C.

ppmv

ppmv (parts per million by volume)drückt direkt die relative Konzentration von Wasserdampf im Gas aus.

Allerdings sollten Taupunkt und ppmv nicht als austauschbare Festwerte behandelt werden.

Die Beziehung zwischen Taupunkt und Feuchtigkeitskonzentration hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:Druck, Temperatur und die thermodynamischen Eigenschaften des Gasgemisches.

Daher müssen bei der Umrechnung einer Taupunktmessung in eine Feuchtekonzentration die Messbedingungen klar definiert werden.

3. So berechnen Sie die Wasserdampfmenge

Wenn die Feuchtigkeitskonzentration bereits in ppmv verfügbar ist, kann die ungefähre Menge an Wasserdampf in einem GIS- oder GIL-Kompartiment mithilfe der idealen Gasgleichung berechnet werden.

Die Gesamtgasmenge beträgt:

n = PV / RT

Wo:

• N= Gesamtgasmenge, mol
• P= absoluter Druck, Pa
• V= Gasvolumen, m³
• R= universelle Gaskonstante, 8,314 J/(mol·K)
• T= absolute Temperatur, K

Wenn die Feuchtigkeitskonzentration istC ppmv, die ungefähre Menge an Wasserdampf beträgt:

n(H₂O) = n * C / 1.000.000

Die entsprechende Wassermasse beträgt:

m(H₂O) = n(H₂O) * 18,015 g/mol

Dies liefert eine Abschätzung des in der Gasphase enthaltenen Wasserdampfes.

4. Beispiel: 1 m³ GIS-Abteil

Betrachten Sie ein vereinfachtes Beispiel.

Ein GIS-Fach verfügt über:

• Gasvolumen:1 m³
• SF₆-Absolutdruck:0,6 MPa
• Gastemperatur:20°C
• Feuchtigkeitskonzentration:100 ppmv

Rechnen Sie zunächst die Temperatur um:

T = 20 + 273,15 = 293,15 K

Verwendung:

n = PV / RT

wir erhalten ungefähr:

n ≈ 246 mol

Die Wasserdampfmenge beträgt also ungefähr:

246 * 100 / 1.000.000 = 0,0246 mol

Verwendung der Molekülmasse von Wasser:

m ≈ 0,0246 * 18,015 ≈ 0,44 g

Daher enthält die Gasphase unter diesen spezifischen Bedingungen ungefähr:

0,44 g Wasserdampf

Dieses Beispiel verdeutlicht einen wichtigen Punkt: Selbst eine relativ geringe Feuchtigkeitskonzentration kann einer messbaren Menge Wasser entsprechen, wenn das Gasvolumen und der Druck von Bedeutung sind.

5. Warum Druck und Temperatur wichtig sind

Die obige Berechnung kann nicht universell auf jedes GIS- oder GIL-System angewendet werden.

Bei gleichem Gasvolumen und gleicher Feuchtigkeitskonzentration führt eine Erhöhung des Absolutdrucks zu einer Erhöhung der Gesamtgasmenge in der Kammer und damit zu einer Erhöhung der entsprechenden Wasserdampfmenge.

Die Temperatur beeinflusst auch die Beziehung zwischen Gaseigenschaften, Dampfdruck und Taupunkt.

Aus diesem Grund sollte eine ordnungsgemäße Feuchtigkeitsbewertung mindestens Folgendes erfassen:

• Gasdruck
• Gastemperatur
• Gasvolumen, wenn die Gesamtwassermenge geschätzt wird
• Feuchtigkeitskonzentration oder Taupunkt
• Messbedingungen

Bei der praktischen SF₆-Prüfung sollten auch die Messmethode und die Probenahmebedingungen des Analysators berücksichtigt werden.

6. Stellt der berechnete Wert das gesamte Wasser im GIS dar?

NEIN.

Dies ist vielleicht der wichtigste Punkt bei der Interpretation von SF₆-Feuchtigkeitsmessungen.

Der berechnete Wert stellt eine Schätzung darWasserdampf, der in der Gasphase vorhanden ist.

Ein GIS- oder GIL-System kann auch Feuchtigkeit enthalten, die mit Folgendem verbunden ist:

• Feste Dämmstoffe
• Innenliegende Metalloberflächen
• Dichtungsmaterialien
• Adsorbierte Oberflächenfeuchtigkeit
• Restfeuchtigkeit, die während der Herstellung oder Installation eingebracht wird

Diese Materialien können nach und nach Feuchtigkeit an das SF₆-Gas abgeben.

Daher können sich die Feuchtigkeitsmesswerte nach Inbetriebnahme, Gasbefüllung, Evakuierung oder Trocknungsvorgängen ändern.

Beispielsweise kann ein GIS nach dem Trocknen zunächst einen relativ niedrigen Feuchtigkeitswert anzeigen, der Wert kann sich jedoch später erhöhen, wenn Restfeuchtigkeit aus internen Materialien in das SF₆-Gas wandert.

Daher handelt es sich bei der Feuchtigkeitsprüfung nicht nur um eine einmalige Berechnung.Ebenso wichtig sind die Trendüberwachung und ordnungsgemäße Inbetriebnahmeverfahren.

7. Wie wird die SF₆-Feuchte in der Praxis gemessen?

Vor Ort verwenden Ingenieure normalerweise einen SF₆-Gasanalysator, um folgende Parameter zu messen:

• SF₆-Reinheit
• Taupunkt / Feuchtigkeit
• SO₂
• Andere Zersetzungsprodukte, abhängig von der Konfiguration des Analysators

Bei der routinemäßigen Inbetriebnahme und Wartung von GIS und GIL ermöglichen tragbare Analysegeräte den Ingenieuren, Messungen direkt an der Ausrüstung durchzuführen, ohne die gesamte Gasfüllung zu entfernen.

Ein multifunktionaler Analysator kann besonders nützlich sein, da die Gasqualität selten allein durch die Feuchtigkeit bestimmt wird.

Zum Beispiel KSTONEsKS30-3 SF₆-Gasanalysatorist für routinemäßige SF₆-Gasqualitätsprüfungen konzipiert und kombiniert Messungen wie SF₆-Reinheit, Taupunkt und SO₂ in einem Gerät.

Für Anwendungen, die unterschiedliche Gasqualitätsparameter erfordern, ist dieModulare SF₆-Gasanalysatorserie KS30kann entsprechend den Testanforderungen des Kunden konfiguriert werden.

8. Von der Feuchtemessung zum Gasqualitätsmanagement

Die Feuchtigkeitskontrolle sollte als Teil einer umfassenderen SF₆-Gasmanagementstrategie betrachtet werden.

Ein typischer GIS/GIL-Arbeitsablauf zur Gasqualität kann Folgendes umfassen:

Gasbefüllung → Inbetriebnahmemessung → regelmäßige Inspektion → Gasrückgewinnung → Gasqualitätsprüfung → Behandlung oder Reinigung → Wiederverwendung

Während dieser Prozesse hilft eine genaue Feuchtigkeitsmessung Ingenieuren zu bestimmen, ob SF₆-Gas für die weitere Verwendung geeignet ist oder einer weiteren Behandlung bedarf.

In Kombination mit SF₆-Rückgewinnungs- und Gashandhabungsgeräten kann die Feuchtigkeitsanalyse auch dazu beitragen, ein systematischeres Gasmanagement zu unterstützen und unnötige SF₆-Verluste zu reduzieren.

Abschluss

Die Berechnung der Feuchtigkeit in SF₆-gefüllten GIS- und GIL-Geräten erfordert mehr als nur das Ablesen einer Zahl von einem Analysegerät.

Taupunkt, ppmv, Druck, Temperatur und Gasvolumen hängen eng zusammen, und jeder Parameter liefert unterschiedliche Informationen über den Zustand des Gases.

Wenn die Feuchtigkeitskonzentration in ppmv bekannt ist, kann die ideale Gasgleichung verwendet werden, um die Menge an Wasserdampf in der Gasphase abzuschätzen. Dieser berechnete Wert sollte jedoch nicht mit der Gesamtfeuchtigkeitsmenge verwechselt werden, die im gesamten GIS- oder GIL-System enthalten ist.

Für ein zuverlässiges SF₆-Gasmanagement sind genaue Messungen, konsistente Probenahmebedingungen und eine angemessene Interpretation der Ergebnisse unerlässlich.

KSTONE liefert SF₆-Gasanalysatoren und Gashandhabungsgeräte für GIS, GIL und andere SF₆-isolierte elektrische Geräte und unterstützt Ingenieure dabeiPrüfung, Rückgewinnung, Behandlung und Wiederverwendung von SF₆-Gasqualität.