Isoliergase schützen luftisolierte und gasisolierte Schaltanlagen vor Ausfällen. Nicht nur reines Schwefelhexafluorid (SF6), sondern auch SF6-Gemische, N2, g3 und andere können diese Aufgabe übernehmen. WIKA ist ein führender Anbieter von Sensoriklösungen, die Unternehmen für Energieübertragung und -verteilung bei der Fernüberwachung der Qualität und Menge dieser Gase unterstützen.
Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen können mithilfe verschiedener Medien isoliert werden, wie Öl, „Dry Air“ und andere Gase wie beispielsweise SF6 und neue Gasgemische. Der herkömmlichste und effektivste Isolator ist SF6. Dessen Verwendung ist allerdings mit mehreren Gefahren verbunden insbesondere da diese synthetisch fluorierte Verbindung ein Treibhauspotenzial („Global Warming Potential“ – GWP) von etwa 24.000 aufweist. Dies ist der höchste Wert aller bekannten Gase. Kohlenstoffdioxid hat zum Vergleich ein GWP von 1.
Herausforderungen beim Einsatz von SF6
Unternehmen im Bereich Energieübertragung und -verteilung, die SF6 verwenden, müssen die Dichte überwachen, um Leckagen zu erkennen. Ebenso gilt es regelmäßig das Gas zu analysieren, um Verunreinigungen festzustellen. Auch wenn viele Unternehmen immer noch auf dieses Gas zur Isolierung von Schaltanlagen setzen, sind sie sich seiner Rolle beim Klimawandel bewusst und suchen nach Alternativen für SF6.
Ursachen für Ausfälle in Schaltanlagen
Die meisten Kraftwerke und Umspannwerke verwenden Luft oder ein Gas zur Isolierung ihrer Schaltanlagen. Luft ist zwar reichlich vorhanden, ungiftig und hat ein GWP von 0, ist aber nicht so effektiv beim Löschen von Lichtbögen. Infolgedessen muss der Gasraum in luftisolierten Schaltanlagen (AIS) etwa dreimal so groß sein wie bei gasisolierten Schaltanlagen (GIS). Sowohl AIS als auch GIS sind anfällig für Probleme, die ihre Effektivität verringern und zu Ausfällen von Schaltanlagen führen.
Herausforderungen bei der Luftisolierung:
- Schmutz und Staub
- Kontaktwiderstand
- Überlast
Herausforderungen bei der Gasisolierung:
- Gasleckage
- Feuchte, eine starke Verunreinigung für SF6-isolierte Schaltanlagen
- Zersetzungsprodukte, von denen viele giftig sind und GIS angreifen
Maßnahmen zum Schutz von Schaltanlagen
Die Überwachung des Zustands des Isolators ist ein wichtiger Schritt zur Vermeidung potenziell gefährlicher Situationen. Betreiber von AIS sollten den Teilentladungsstatus, die Temperatur und die Feuchte der Luft überwachen. Bei GIS ist es wichtig, Druck, Temperatur, Dichte und Feuchte des Gases zu überwachen. Schaltanlagen haben eine typische Lebensdauer von 20–50 Jahren, wobei gasbedingte Ausfälle 15–25 Jahre nach der Installation stark zunehmen. Daher ist die Überwachung vor allem in der zweiten Hälfte der Lebensdauer der Anlagen wichtig.
Möglichkeiten zur Überwachung von gasisolierten Schaltanlagen
- Reaktiver Ansatz: Bei diesem Ansatz löst ein mechanisches Gerät, z. B. ein Schaltkontakt, einen Alarm aus, wenn die Gasdichte auf einen bestimmten Wert gesunken ist. Mechanische Geräte haben eine Genauigkeit von 1–2,5 % der Spanne. Für die Feuchte können Techniker das Gas regelmäßig (alle 1 bis 6 Jahre) nach einem festgelegten Zeitplan manuell mit einem tragbaren Prüfgerät analysieren und den Gasdichtewächter ablesen.
- Proaktiver Ansatz: Sowohl analoge (4 … 20 mA) als auch digitale Geräte bieten ein Frühwarnsystem mit Fernüberwachungsfunktionen. Analoge Geräte überwachen kontinuierlich die Gasdichte in GIS und übermitteln diese Daten an eine Leitwarte oder eine andere zentrale Stelle. Analoge Geräte haben eine Genauigkeit von 1,5–2,3 % der Spanne für kompensierten Druck. Digitale Geräte überwachen nicht nur kontinuierlich die Gasdichte, sondern auch die Parameter Druck, Temperatur, Feuchte usw. So erhält man ein vollständigeres Bild vom Zustand des Isoliergases. Digitale Geräte haben eine Genauigkeit von 0,6–0,8 % der Spanne.
Reaktive versus proaktive Wartung von GIS
Reaktive versus proaktive Wartung von GIS
- Je mehr Parameter ein Sensor in Echtzeit erfassen und übermitteln kann, desto besser können die Betreiber auf Veränderungen im Zustand des Isoliergases reagieren und Maßnahmen zur Vermeidung von Sicherheitsproblemen ergreifen. Neben den Fernüberwachungsfunktionen ermöglichen analoge und digitale Sensoren auch die Vorhersage des Gaszustands und eine vorausschauende Wartung.
Wartung von gasisolierten Schaltanlagen
Die Techniker ergreifen im Bedarfsfall die erforderlichen Abhilfemaßnahmen, wie z. B:
- Abschalten des Geräts zum Reinigen und/oder Ersetzen des Gases mit einem Servicegerät
- Trocknen des Gases während des Betriebs der Schaltanlage
- Reparieren einer Leckage und Füllen des Gasraums
Vorhersage des Gaszustands: Der bessere Weg zum Schutz von Anlagen
Einmalige Rohdatenmessungen der Gasdichte können ein falsches oder irreführendes Bild von der Leistung einer Anlage vermitteln und zu Fehleinschätzungen wie unnötiger oder unzureichender Wartung führen. Auch Änderungen der Umgebungstemperatur und der Feuchte, die ständig schwanken, sind bei sporadischen oder periodische Messungen schwer zu erkennen. Durch die kontinuierliche Überwachung erhalten die Betreiber nicht nur ein genaueres Bild vom aktuellen Gaszustand, sondern auch von dessen Entwicklung. Sie können die Daten nutzen, um ein tieferes Verständnis auf der Grundlage historischer Daten zu erlangen und dieses Wissen dann für die vorausschauende Wartung und weitere Schritte verwenden. Wenn intelligente Sensoren verwendet werden, kompensiert das Gerät darüber hinaus automatisch die Umgebungsbedingungen, um eine genaue Gasdichte zu ermitteln.
Datenqualität bei der Vorhersage des Gaszustands
Große versus geringe Umgebungseinflüsse (zum Vergrößern anklicken)
Umgebungsbedingungen (Temperatur und Feuchte) sowie außergewöhnliche Auffälligkeiten haben einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit der Vorhersagen.
Aus der Abbildung wird ersichtlich, dass ein großer Einfluss der Umgebungsbedingungen in Kombination mit einer Auffälligkeit zu Beginn der Datenerfassung zu einer sehr unsicheren und ungenauen Vorhersage führt. Bei gleichen Umgebungsbedingungen, aber ohne die Auffälligkeit sind die Ergebnisse präziser. Geringere Umgebungseinflüsse liefern wiederum die präziseste Vorhersage.
Erschwerend kommt hinzu, dass die Feuchte in einem komplizierten Verhältnis zur Temperatur steht. Berücksichtigt man nur die rohen Messdaten, so kann der Feuchtezustand einer Anlage falsch eingeschätzt werden. Darüber hinaus herrscht in jedem Gasraum ein eigenes, einzigartiges Verhältnis zwischen Feuchte und Temperatur. Dieses Verhältnis kann aus historischen Daten extrahiert und kompensiert werden. Auf diese Weise kann eine temperaturkompensierte Gasdichte genau vorhergesagt werden.
Da sowohl die Datenqualität als auch die Temperaturkompensation einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit einer Vorhersage haben, ist es notwendig, intelligente Sensoren mit hoher Genauigkeit und Konsistenz zu verwenden und mit einem Anbieter zusammenzuarbeiten, der weiß, wie man die Daten aufbereitet, verwaltet und interpretiert.
Intelligente Sensoren für die Fernüberwachung von Isoliergasen
Dichte verschiedener Isoliergase (zum Vergrößern anklicken)
Je mehr Informationen die Betreiber über die Isoliermedien ihrer Anlagen haben, desto besser können sie Ausfälle und gefährliche Bedingungen verhindern. WIKA bietet auf Temperatur und Druck basierende Sensoren an, die mit der richtigen Konfiguration leicht zur Berechnung der aktuellen Dichte verschiedener Gase angepasst werden können. WEgrid, eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von WIKA, bietet eine Reihe von intelligenten Sensoren an, die den Zustand aller Arten von Isoliergasen vorhersagen, darunter: SF6, N2, SF6/N2-Gemische, CO2, O2, CF4 (Tetrafluormethan), Luft, g3 (ein Syngas mit Novec 4710 von 3M). Unabhängig von der Anlage oder dem Isoliermedium können die WIKA-Gasdichtesensoren für spezielle Anwendungen konfiguriert werden.
WIKA-Messumformer: Maßgeschneidert für die Überwachung von Isoliergasen
Gasdichtesensoren der Typenreihe GD-20
WIKA bietet verschiedene Messgeräte für die zuverlässige Überwachung von SF6 und alternativen Isoliergasen an. Eines davon ist der GD-20. Die analoge Ausführung konzentriert sich auf die Gasdichte und überträgt einen temperaturkompensierten Druckmesswert mittels eines 4 … 20 mA-Ausgangssignals. Die digitale Ausführung verfügt über eine RS-485-Schnittstelle, die über das Modbus®-RTU-Protokoll kommuniziert, und liefert neben der Gasdichte auch Druck- und Temperaturdaten. Der GDHT-20 ist ein hochwertiger Messumformer, der alles kann, was die digitale Ausführung des GD-20 kann, plus die Messung des Feuchtegehalts des Isoliergases. Dieser zusätzliche Parameter ermöglicht die Überwachung nach den CIGRE-Richtlinien für Stromnetze sowie nach den IEC-Normen.
GD-20-W: Kabellose Überwachung von Isoliergasen
Zusätzlich zu kabelgebundenen Sensorlösungen bietet WIKA mit dem GD-20-W eine kabellose Alternative zur kontinuierlichen Überwachung der Gasdichte in Schaltanlagen. Der Sensor misst nicht nur die Gasdichte, sondern auch Temperatur und Druck und überträgt die Daten zuverlässig über das LoRaWAN®-Protokoll. Dank der integrierten Batterie arbeitet der GD-20-W völlig autark, ohne externe Stromversorgung. Eine intelligente Alarmfunktion erkennt kritische Veränderungen frühzeitig und kann sofort eine Warnung auslösen, bevor sicherheitskritische Zustände eintreten. Diese Kombination aus hoher Messgenauigkeit und drahtloser Übertragung ermöglicht eine effiziente vorausschauende Instandhaltung.
Ausblick: SF6 und Alternativgase
SF6 wird zwar auch in naher Zukunft das wichtigste Isoliergas bleiben, doch weniger schädliche Alternativen und andere klimafreundliche Technologien sind bereits in Sicht. Auch die Regierungen treiben diesen Vorstoß voran. Im Jahr 2022 schlug die Europäische Kommission vor, den Einsatz von fluorierten Treibhausgasen in neuen Mittelspannungsschaltanlagen bis 2026 und in Hochspannungsschaltanlagen bis 2031 zu verbieten. In etwa ein Dutzend US-Bundesstaaten gibt es Initiativen und Verordnung zur schrittweisen Abschaffung von SF6-gefüllten GIS.
Hinweis
WIKA ist ein weltweit führender Anbieter von Geräten zur Analyse und Überwachung sowohl herkömmlicher als auch alternativer Isoliergase. Darüber hinaus bieten wir eine umfassende Projektplanung für Unternehmen im Bereich Energieübertragung und -verteilung an – von der Konstruktion und Montage der Geräte bis hin zur Datenverwaltung und Analyse mithilfe unserer eigenen Software. Wenden Sie sich an uns, wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie wir Ihrem Betrieb zu mehr Sicherheit und Nachhaltigkeit verhelfen können. Auf der WIKA-Webseite erhalten Sie außerdem vielfältige Informationen zum Thema Energieübertragung und -verteilung (SF6) sowie zu unseren SF6-Gas-Lösungen, insbesondere auch zu unseren Gasdichtesensoren (u.a. Typ GD-20 und Typ GDHT-20).
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Informieren Sie sich weiterhin im folgenden Video über die SF6-Expertise von WIKA: