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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Isoliergasen in gasisolierten Schaltanlagen oder Prüfsystemen.
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Gasisolierte Schaltanlagen oder Prüfsysteme sind, im Unterschied zu luftisolierten Schaltanlagen, in der Theorie vollständig gasdicht gekapselte Systeme für die Hochspannungstechnik, die aus Isolationszwecken den elektrischen Innenleiter mit Isoliergas, insbesondere Schwefelhexafluorid (SF6), umgeben. In ihrer Bauweise sind gasisolierte Schaltanlagen wesentlich kompakter als luftisolierte Schaltanlagen, da Schwefelhexafluorid eine deutlich höhere Durchschlagsfestigkeit als Luft besitzt. SF6 ist unter Normalbedingungen ein farb- und geruchloses, ungiftiges Gas, das unbrennbar ist und sich äußerst reaktionsträge, ähnlich wie Stickstoff, verhält. Wegen seiner hohen Dichte, der hohen Ionisierungsenergie und der Eigenschaft, freie Elektronen zu binden, ist es in der Mittel- und Hochspannungstechnik ein gängig verwendetes Isoliergas.
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SF6 zählt jedoch auch zu den stärksten Treibhausgasen, was den Einsatz aus umwelttechnischen Gesichtspunkten höchst problematisch erscheinen lässt. Insbesondere gilt es die Freisetzung von SF6 außerhalb der Anlage zu minimieren, d. h. im besten Fall ganz auszuschließen. Als Obergrenze der Freisetzung von SF6 sieht der Gesetzbegeber eine maximale Leckrate von 0,5% pro Jahr für eine gasisolierte Schaltanlage oder ein gasisoliertes Prüfsystem vor, geregelt in der IEC 62271-203.
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Grundsätzlich sind aus dem Stand der Technik verschiedene Messverfahren bekannt. Beispielhaft sei hier auf die
US 6 205 846 B1 , die
EP 0 875 973 B1 oder auch die
DE 35 11 899 A1 verwiesen. Weiterhin sind aus dem Stand der Technik auch speziell entwickelte Dichtesensoren zur Überwachung einer Leckrate bekannt, wie etwa in der
US 6 125 692 A gezeigt.
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Da sich der Referenzwert der Leckrate auf ein komplettes Jahr bezieht, ist es technisch sehr anspruchsvoll, ein derart kleines Leck in gasisolierten Schaltanlagen oder Prüfsystemen zu detektieren. Beim einzig zuverlässigen Messverfahren wird um die gesamte gasisolierten Schaltanlage oder das gesamte gasisolierte Prüfsystem eine gegenüber der äußeren Atmosphäre gasdichte Kabine gebaut, in der dann das entwichene SF6 mittels hochempfindlicher Gassensoren nachgewiesen werden kann. Diese zusätzliche Kabine vor Ort zu errichten, ist jedoch zum einen kostenintensiv, aber auch zeitaufwändig, so dass sich diese Methode kaum auf dem freien Markt durchgesetzt hat. Zudem kann dadurch keine Aussage getroffen werden, an welcher Stelle genau die gasisolierte Schaltanlage oder das gasisolierte Prüfsystem undicht ist, da eine Emission von SF6 an allen Übergangsstellen zwischen den einzelnen Modulen, beispielsweise den Flanschen, den Dichtungsringen, den Schaltstangen, den Schrauben oder Kabelanschlüssen, auftreten kann und mittels dieser Methode lediglich der Gasgehalt innerhalb der Umhausung gemessen wird, der aus der kompletten Anlage, d. h. aus irgendeiner dieser genannten möglichen Fehlerstellen, austritt. Weiterhin misst man mit diesem Verfahren die Gaskonzentration innerhalb der gasdichten Umhausung zu zwei bestimmten Zeitpunkten und bestimmt damit, ob die maximal zulässige Leckrate von 0,5% pro Jahr eingehalten wird.
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Um Aussagen über die dielektrische Isolationsfestigkeit von gasisolierten Schaltanlagen oder Prüfsystemen treffen zu können, ist es aus dem Stand der Technik auch bekannt, eine Gasdichtemessung oder auch Gasdruckmessung innerhalb der Anlage durchzuführen. Da jedoch der Druck eine abhängige physikalische Größe der Temperatur ist, scheidet eine derart einfache Messung für die Bestimmung der Leckrate, die eine sehr hohe Genauigkeit erfordert, aus. Der Innendruck eines geschlossenen Körpers ändert sich mit der Temperatur seines Füllmediums, was das Messergebnis damit verfälschen und unbrauchbar machen würde. Die Dichte eines Körpers, definiert als Masse pro Volumen, wird beispielsweise in Gramm pro Kubikzentimeter oder Kilogramm pro Liter angegeben und bildet dabei ein Maß für die Gaskonzentration innerhalb der Anlage, unabhängig von der mittleren Gastemperatur innerhalb der Anlage.
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Da die Gasdichtemessung unabhängig von der mittleren Gastemperatur funktioniert, ließen sich daraus, auf den ersten Blick betrachtet, auch Rückschlüsse auf die Gasleckrate ziehen. Betrachtet man jedoch die Temperaturverteilung innerhalb einer gasisolierten Schaltanlage oder einem gasisolierten Prüfsystem, so ergeben sich auf Grund des stromdurchflossenen Innenleiters oder der von außen temporär wirkenden Sonneneinstrahlung, über den Querschnitt der Anlage betrachtet, Temperaturdifferenzen bis zu mehreren zehn Grad Kelvin. Diese inhomogene Temperaturverteilung über den Querschnitt der Anlage führt zu Dichteunterschieden, die diese Messmethode bei einer geforderten Auswertegenauigkeit für die Bestimmung der maximal zulässigen Leckrate von gerade einmal 0,5% pro Jahr trotzdem ausscheiden lässt. Mit anderen Worten: Die Gasdichtemesssung ist nur heranziehbar, um eine Aussage über die Isolationsfähigkeit treffen zu können, nicht jedoch, um darüber eine zuverlässige Aussage über die maximal zulässige Leckrate von 0,5% pro Jahr zu ermitteln. Allein schon deshalb nicht, weil die am Markt erhältlichen Sensoren eine Toleranz in der Messgenauigkeit von in etwa 1% aufweisen, also das Doppelte von dem, was in der ICE 62271-203 als maximale Obergrenze pro Jahr festgelegt wurde. Weiterhin ist zu bemerken, dass die Isolationsfestigkeit von gasisolierten Schaltanlagen erst nach dem Verlust von größeren Mengen des Isoliergases (z. B. beim Absinken von einem bar) unterschritten wird. Deshalb ist die beschriebene Messunsicherheit für einen Dichtewächter zur Detektierung der Isolationsfestigkeit auch akzeptabel.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Überwachung von Isoliergasen in gasisolierten Schaltanlagen oder Prüfsystemen anzugeben, das auf einfache Art und Weise eine zuverlässige Aussage zur maximalen Leckrate von 0,5% pro Jahr erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die allgemeine erfinderische Idee besteht darin, ein kombiniertes Messverfahren, umfassend eine Druck- und Temperaturmessung innerhalb eines geschlossenen Gasraums der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems als Datenbasis zu nutzen, um daraus eine zuverlässige Aussage der entweichenden Gasrate der entsprechenden Anlage zu ziehen. Bereits seit längerem ist es dabei bekannt, dass sich sowohl die Messwerte des zeitlichen Verlaufs der Temperatur, verglichen mit den Messwerten des zeitlichen Verlaufs des Drucks, nach den selben Mustern ändern. Hat man mit dieser Datenbasis jedoch bisher die Dichtewerte innerhalb der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems zu den jeweiligen Messzeitpunkten zu ermitteln versucht, um daraus eine Aussage der Leckrate zu treffen, so musste man feststellen, dass die Auswertung der Messwerte auf Grund zu großer Streuungen dafür nicht geeignet waren. Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass hierfür ein zusätzliches Überlagern der beiden in ihrem Maximum auf 100% relativierten Funktionen, d. h. der grafisch ausgegeben Messwerte der Temperatur im Vergleich zu denen des Drucks, und eine anschließende Bestimmung des Zeitverzuges zwischen den entsprechenden Maxima oder Minima beider über die Zeit aufgetragener Messwerte notwendig sind. Wird nämlich unter Einbeziehung des Zeitverzuges der zugehörige Dichtewert der jeweiligen Messung der Temperatur und des Drucks mittels der realen Gasgleichung bestimmt, so lässt sich aus der grafischen Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs der entsprechend dazugehörigen Dichtewerte auf einfache Weise eine genaue Aussage der Leckrate von maximal zulässigen 0,5% pro Jahr ziehen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird damit eine einfache Möglichkeit geschaffen, die Konformität mit IEC 62271-203 tatsächlich in sehr kurzer Zeit (im Bereich von ein bis drei Tagen) nachzuweisen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird neben der Erfassung des Drucks und der Temperatur innerhalb des geschlossenen Innenraums der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems zusätzlich auch der Wert des Laststroms des Innenleiters mit in die Datenbasis der weiteren Auswertung einbezogen. Eine nachfolgende zuverlässige Aussage über die entweichende Gasrate der entsprechenden Anlage wird nur dann getroffen, wenn sich ein konstanter Laststrom eingestellt hat, der länger als der vorab bestimmte Zeitverzug Δt andauert. Ist das der Fall, sind die Werte um die thermischen Einflüsse des stromdurchflossenen Innenleiters eliminiert und die gefolgerten Rückschlüsse für die entweichende Gasrate pro Jahr nun aussagekräftig. Die gasisolierte Schaltanlage oder das gasisolierte Prüfsystem müssen damit nicht mehr, wie nach dem Stand der Technik erforderlich, abgeschaltet oder mit nur sehr geringem Laststrom, der keine thermischen Auswirkungen auf das Gesamtsystem ausübt, betrieben werden, sondern können in unveränderter Art und Weise weiterlaufen.
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Auf besonders einfache Art und Weise lässt sich das erfindungsgemäße Messverfahren für jede innerhalb der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems geschlossenen Kammer separat anwenden, indem man die Parameter Druck und Temperatur für diese Kammern einzeln ermittelt und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auswertet. Damit kann die mögliche Fehlerstelle auf die jeweilige geschlossene Kammer innerhalb der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems begrenzt werden, was dann die anschließende Behebung des Lecks enorm erleichtert.
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Das Verfahren soll nachstehend beispielhaft anhand von Zeichnungen noch näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 einen schematischen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens
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2 einen schematischen Ablaufplan einer bevorzugten weiterentwickelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
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3 ein Beispiel eines zeitlichen Verlaufs von Temperatur und Druck, relativiert in ihrem jeweiligen Maximum auf 100%
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4 ein Beispiel einer tendenziellen Dichteauswertung.
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Dem in 1 schematisch dargestellten Ablaufplan des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Überwachung von Isoliergasen in gasisolierten Schaltanlagen oder Prüfsystemen ist zu entnehmen, dass in einem ersten Verfahrensschritt zunächst einmal periodisch und mittels einer separaten Messung sowohl Druck als auch Temperatur innerhalb eines geschlossenen Gasraums der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems zu bestimmten Zeitpunkten zeitgleich bestimmt werden. Unter einer periodischen Messung wird im Rahmen der Erfindung beispielsweise ein Messintervall von jeweils 60 Sekunden bis einigen Minuten verstanden. Dafür sind wenigstens ein Druck- und ein Temperatursensor vorgesehen. Der Drucksensor wird über ein Ventil an ein definiertes Gasvolumen der gasisolierten Anlage angeschlossen. Als Drucksensoren kommen grundsätzlich alle aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren in Frage, die einen sehr feinfühligen, d. h. auf wenige Pascal reagierenden, Messbereich aufweisen. Auch bei dem Temperatursensor kann grundsätzlich jeder aus dem Stand der Technik bekannte Sensor eingesetzt werden, der eine Anzeigegenauigkeit von wenigstens 0,1 K besitzt. Werden mehrere Temperatursensoren, beispielsweise um den Umfang der gasisolierten Anlage, angeordnet, so wird in diesem Fall der Mittelwert der jeweiligen Messung als Datenbasis für die Temperatur zur weiteren Verarbeitung der Messwerte verwendet. Wird hingegen nur ein Temperatursensor eingesetzt, so wird dieser am höchsten Punkt der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems angeordnet und der eine gemessene Wert als Datenbasis für die weitere Verarbeitung verwendet.
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In einem weiteren Verfahrensschritt werden diese periodisch ermittelten Messergebnisse softwareunterstützt, in ihrem jeweiligen Maximum auf 100% relativiert, in einem kartesischen Koordinatensystem, mit der Abszisse als Zeitachse, aufgezeichnet und eingetragen. Dies kann für jede der ermittelten physikalischen Größen, d. h. der Temperatur und des Drucks, in einem separaten Koordinatensystem geschehen, oder einem gemeinsamen. In jedem Fall jedoch muss eine grafische Überlagerung der beiden auf 100% relativierten Funktionen über die Zeit erfolgen.
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Wiederum in einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird der Zeitverzug Δt zwischen den entsprechenden Maxima oder Minima der beiden auf 100% relativierten, überlagerten und als Funktion der Zeit ausgegebenen Messwerte, also der Temperatur und des Drucks, bestimmt. Erklärt werden kann dieser Zeitverzug zwischen den Maxima oder Minima der sich nach den selben Muster ändernden Kurven der gemessen Temperatur und des Drucks mit der im Stand der Technik immer außer Acht gelassenen Trägheit des Systems für die Erwärmung des Isoliergases sowie aller gasumschließenden Zusatzkomponenten (Kessel). Je nach Innenvolumen der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems kann der Zeitverzug für die Erwärmung des Isoliergases sowie der Zusatzkomponenten mehrere zehn Minuten betragen. Die genaue Bestimmung der Zeitverzuges ist jedoch ausschlaggebend für eine nachfolgende Messergebnisauswertung zur Bestimmung der maximal zulässigen Leckrate.
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Erfindungsgemäß werden nun die zugehörigen Dichtewerte der jeweiligen separaten Messungen der Temperatur und des Drucks mittels der realen Gasgleichung unter Einbeziehung von Δt ermittelt und nachfolgend nichtflüchtig gespeichert. Erst diese Einbeziehung von Δt ermöglicht eine aussagekräftige Auswerten der Dichtewerte zum Zwecke der Bestimmung der maximal zulässigen Leckrate von 0,5% pro Jahr.
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Nach dem Stand der Technik wird die reale Gasgleichung ohne direkte Einbeziehung des zeitlichen Parameters t verwendet, da immer von einem eingeschwungenen System ausgegangen wird und man den Dichtewert ermittelt, indem man einen Druckwert P und einen Temperaturwert T des selben Zeitpunkts t0 heranzieht und man damit die Gleichung um diesen Parameter der Zeit gekürzt verwendet. Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass für die Leckrate nur dann eine Aussage mit Hilfe der realen Gasgleichung getroffen werden kann, wenn Δt mit in die Berechnung einbezogen wird, man also den Druckwert zum Zeitpunkt t1 und den Temperaturwert zum Zeitpunkt t1 + Δt in die reale Gasgleichung einsetzt.
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In einem nochmals weiteren Verfahrensschritt werden die so ermittelten und gespeicherten Dichtewerte grafisch über die Zeit aufgetragen und damit eine Tendenz durch einen Vergleich des aktuell ermittelten Dichtewertes mit einem oder mehreren zuletzt ermittelten Dichtewerten aufgezeigt. Sobald sich die entsprechenden Dichtewerte signifikant ändern, wird ein Warnhinweises für ein auftretendes Leck innerhalb der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems abgleitet. Ein derartiges Warnsignal wird somit beispielweise dann ausgegeben, sobald ein Wert des Dichteverlaufs 0,3%, bezogen auf den Maximalwert des Dichteverlaufs, unterschreitet.
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2 zeigt den schematischen Ablaufplan einer bevorzugten Ausführungsforms des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem neben der Erfassung des Drucks und der Temperatur innerhalb des geschlossenen Innenraums der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems auch der Wert des Laststroms des Innenleiters mit in die Datenbasis der weiteren Auswertung einbezogen wird, um daraus immer dann eine zuverlässige Aussage über die entweichende Gasrate der entsprechenden Anlage zu folgern, wenn sich ein konstanter Laststrom eingestellt hat, der länger als der vorab bestimmte Zeitverzug Δt andauert. Hierfür wird in dem ersten Verfahrensschritt zunächst einmal periodisch und mittels einer separaten Messung sowohl Druck, Temperatur als auch zusätzlich der Laststrom des Innenleiters innerhalb eines geschlossenen Gasraums der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems zu bestimmten Zeitpunkten zeitgleich bestimmt. Mit anderen Worten: Die Zeitpunkte für die Ermittlung von Druck, Temperatur und Laststrom sind jeweils identisch. Für die Messung des Laststroms des Innenleiters eignen sich dabei grundsätzlich alle aus dem Stand der Technik bekannten Messgeräte, wobei der Laststrom über den im jeweiligen Sammelschienenabschnitt der Schaltanlage installierten Stromwandler erfasst wird. Bei gasisolierten Prüfanlagen übernimmt die einspeiseseitige Stromüberwachung diese Aufgabe. Ist der Zeitverzug Δt zwischen den entsprechenden Maxima oder Minima der beiden auf 100% relativierten, überlagerten und als Funktion der Zeit ausgegebenen Messwerte, also der Temperatur und des Drucks, bestimmt worden, so werden im Unterschied zu dem in 1 beschriebenen Verfahren hier die zugehörigen Dichtewerte mittels der realen Gasgleichung immer nur dann ermittelt, wenn sich ein konstanter Laststrom eingestellt hat, der länger als der vorab bestimmte Zeitverzug Δt andauert. Durch diesen Verfahrensschritt werden besonders bevorzugt Temperatureinflüsse, die durch den stromdurchflossenen Innenleiter bedingt sind, eliminiert.
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3 zeigt den zeitlichen Verlauf der periodisch ermittelten Temperatur 1 und des Drucks 2 in einer, in ihrem jeweiligen Maximum auf 100% relativierten, überlagerten Darstellung, angetragen über die Zeit. Wie aus dieser Figur ersichtlich, ändern sich die relativierten Kurven nach dem selben Muster, jedoch um einen gewissen Zeitfaktor versetzt. Mit anderen Worten: Das Maximum der grafischen Darstellung der Temperatur ist um den Zeitversatz Δt auf der Abszisse nach rechts verschoben. Aus dieser Darstellung lässt sich auf einfache Weise der Zeitverzug bestimmen, der dann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt zur genauen Bestimmung des zugehörigen Dichtewertes Berücksichtigung finden muss.
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In 4 sind die unter Einbeziehung von Δt mittels der Gasgleichung errechneten Dichtewerte der zu 2 gehörenden Temperatur- und Druckwerte dargestellt. Die Darstellung lässt erkennen, dass sich die ermittelten Dichtewerte links des Zeitpunkts t(0) im Rahmen nur sehr kleiner Streuungen bewegen. Ab dem Zeitpunkt t(0) hingegen ist ein starker Abfall der Dichtewerte feststellbar und damit ein Leck identifizierbar. Innerhalb von ca. 10 h fällt der Dichtewert um in etwa 0,3%. Es ist jedoch auch erkennbar, dass bereits ein Bruchteil dieser Leckrate mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hätte detektiert werden können.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann damit auf einfache und zuverlässige Weise die Leckrate einer gasisolierten Schaltanlage oder eines gasisolierten Prüfsystems erstmals qualitativ bestimmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Periodische separate Messung von Temperatur und Druck innerhalb eines geschlossenen Gasraums der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems zu einem bestimmten Zeitpunkt
- 2
- Grafische Aufzeichnung der in ihrem Maximum auf 100% relativierten, zu den periodischen Zeitpunkten ermittelten, jeweiligen Messwerte, d. h. der Temperatur und des Drucks, als Funktion der Zeit
- 3
- Grafische Überlagerung der beiden auf 100% relativierten Funktionen der Zeit
- 4
- Bestimmung von Δt, d. h. des Zeitverzuges, zwischen den entsprechenden Maxima oder Minima der beiden auf 100% relativierten, überlagerten und als Funktion der Zeit ausgegebenen Messwerte der Temperatur und des Drucks
- 5
- Ermittlung von den zugehörigen Dichtewerten der jeweiligen separaten Messungen der Temperatur und des Drucks mittels der realen Gasgleichung unter Einbeziehung von Δt
- 6
- Nichtflüchtige Speicherung des ermittelten Dichtewertes
- 7
- Aufzeigen einer Tendenz durch Vergleich des aktuell ermittelten Dichtewertes mit einem oder mehreren zuletzt ermittelten Dichtwerten
- 8
- Ableiten eines Warnhinweises für ein auftretendes Leck innerhalb der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems, sobald sich die entsprechenden Dichtewerte signifikant ändern
- 9
- Periodische separate Messung von Temperatur, Druck und Laststrom des Innenleiters innerhalb eines geschlossenen Gasraums der gasisolierten Schaltanlage oder des gasisolierten Prüfsystems zu einem bestimmten Zeitpunkt
- 10
- Ermittlung der zugehörigen Dichtewerte der jeweiligen separaten Messungen der Temperatur und des Drucks mittels der realen Gasgleichung sobald sich ein konstanter Laststrom eingestellt hat, der länger als der Zeitverzug Δt geflossen ist
