DE4038266A1 - Verfahren und vorrichtung zur pruefung der gasdichtigkeit von bauteilen, insbesondere sf(pfeil abwaerts)6(pfeil abwaerts)-dichtigkeit von kondensatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prüfung der Gas­ dichtigkeit von Bauteilen, insbesondere SF₆-Dichtigkeit von Kon­ densatoren, bei dem von Prüflingen entweichende Gase gemessen und angezeigt werden. Daneben bezieht sich die Erfindung auf die zu­ gehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Gasmeßgerät, insbesondere einem SF₆-Prüfgerät.

In den letzten Jahren wurde aus Umwelt- und/oder Kostengründen das Isolieröl speziell in Kondensatoren und auch in anderen, elektrisch hochbeanspruchten Bauelementen weitgehend durch Isoliergas, insbesondere durch SF₆, ersetzt. Hersteller solcher Bauelemente müssen den Kunden eine Gewährleistung auf die Funk­ tionssicherheit der Bauelemente von wenigstens 10 Jahren geben. Dabei muß garantiert werden, daß kein oder nur ein geringer, unkritischer SF₆-Verlust durch eventuelle Lecks auftritt!

Letzteres bedeutet für die Praxis, daß jedes Bauelement einzeln auf einen Gasverlust hin geprüft werden muß, was kosten- und zeitaufwendig ist. Bei großen Stückzahlen derartiger Bauelemente werden Prüftaktzeiten von weit unter einer Minute bei maximaler Empfindlichkeit gefordert.

Beispielsweise aus der Siemens-Zeitschrift, 35 (1965), Seiten 1204 bis 1205, ist ein Gasspürgerät zur Anwendung bei der Leck­ suche für SF₆-Testgas bekannt, das Konzentrationen von 10^-7 An­ teilen SF₆ in Luft nachweisen kann. Die hieraus resultierende theoretisch erreichbare Nachweisempfindlichkeit für eine Leckrate von 1·10^-6 mbar l/s wird aber nur unter günstigen und optimier­ ten Prüfrezipienten bei Taktzeiten von mindestens drei Minuten erreicht, wobei die Gassammelzeit mindestens zwei Minuten beträgt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Verfahren anzugeben und die zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit denen Nachweisempfindlich­ keiten von 10^-7 Anteilen SF₆ bei kurzer Ansprechzeit und möglichst kurzen Prüftaktzeiten realisiert werden können.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Prüflinge in vakuumdichten Behältern getestet werden und daß nach dem Ein­ bringen eines Prüflings in einen Behälter in einem ersten Verfah­ rensschritt der Behälter mit großer Saugleistung zunächst eva­ kuiert und dann in einem zweiten Verfahrensschritt aus dem Be­ hälter eine Gasprobe entnommen und einem Prüfgerät zugeführt wird. Vorzugsweise wird mit zwei Behältern im Wechselbetrieb gearbeitet.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren können also im ersten Schritt durch eine Evakuierung des Prüfbehälters bei darin befindlichen, mit SF₆ gefüllten Kondensatoren eventuell an der Außenhülle des Kondensatorbehälters anhaftende, die Messung störende SF₆-Moleküle von den äußeren Oberflächen desorbieren und werden somit vor der eigentlichen Messung abgepumpt. Diese Maßnahme ist deshalb not­ wendig, da sonst die desorbierenden SF₆-Moleküle die Gasmenge eines noch zulässigen SF₆-Lecks erheblich übersteigen können. Im zweiten Schritt wird dann durch kurzzeitiges Fluten mit getrock­ neter Luft und anschließendem erneuten Evakuieren nach Erreichen eines definierten Vakuumdruckes durch Umschalten von Ventilen die abgepumpte Gasmenge - bestehend aus Luft und einem geringen SF₆-Anteil, der durch ein eventuelles Leck des Kondensatorbehälters ausströmt - von dort durch das Meßsystem des SF₆-Prüfgerätes ge­ pumpt und es erfolgt unmittelbar eine Anzeige bei Anwesenheit von SF₆-Molekülen in der Gasprobe mit verdünnter Luft als Hauptbe­ standteil.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei der zu­ gehörigen Vorrichtung der eingangs genannten Art wenigstens ein Behälter für einen Prüfling vorhanden, der wechselweise an eine Vakuumsaugpumpe zur Erzeugung von Vakuum und an eine Probenent­ nahmepumpe zur Entnahme einer Probe anschließbar ist. Vorzugs­ weise sind zwei Behälter vorhanden, die alternierend wechsel­ weise mit der Vakuumsaugpumpe und/oder der Probenentnahmepumpe verbindbar sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zu­ sammenhang mit dem damit durchgeführten Meßzyklus. Die einzige Figur zeigt als pneumatisches Blockschaltbild eine Anlage zur Prüfung der SF₆-Dichtigkeit von Kondensatoren, die sich durch hohe Empfindlichkeit und geringe Taktzeit auszeichnet.

In der Figur sind mit I und II zwei weitgehend gleich aufgebaute Testbereiche aus je einem vakuumdichten Leitungssystem bezeichnet, die parallel zueinander im Wechselbetrieb betrieben werden. Die Testbereiche I und II bestehen im wesentlichen aus zwei Behältern 1 und 2, in denen als Prüflinge 10 und 20 je ein SF₆-gefüllter Kondensator angeordnet sind. In den Bereichen I und II sind je­ weils gleichwirkende, steuerbare Ventile 11 bzw. 21, 12 bzw. 22, 13 bzw. 23, 15 bzw. 25 und 17 bzw. 27 sowie die beiden Bereichen I und II gemeinsamen Ventile 14 und 16 vorhanden. Insbesondere die Ventile 17 und 27 dienen zur automatischen Belüftung des Va­ kuumsystems bei Vorliegen von Fehlern in der Gesamtanlage.

Über die in der Figur ausgeführten pneumatischen Leitungen sind alle Ventile vakuumtechnisch in den Gesamtkreislauf eingebunden. An geeigneter Stelle sind Druckmeßfühler 18, 28 und 19 in den Leitungen angeordnet. Weiterhin sind ein Vakuum-Analog-Regler 30, ein Vakuummeß- und Anzeigegerät 40 für die Druckmeßfühler 18, 19 und 28, ein SF₆-Prüfgerät 50 sowie ein weiteres elektrisches Meß­ gerät 60, auf das nachstehend noch eingegangen wird, der pneuma­ tischen Leitungsanordnung zugeordnet. Es sind zwei Vakuumpumpen 70 und 80 vorhanden, von denen die eine Pumpe 70 ein vergleichs­ weise großes Saugvermögen und die andere Pumpe 80 ein vergleichs­ weise kleines Saugvermögen hat. Das Verhältnis der Saugvermögen der beiden Pumpen 70 und 80 kann beispielsweise etwa 10 : 1 be­ tragen.

Der Vakuum-Analog-Regler 30, das Vakuum-Meßgerät 40 und das SF₆- Prüfgerät 50 sind vom Stand der Technik vorbekannte Teileinheiten. Speziell beim hier verwendeten SF₆-Prüfgerät 50 handelt es sich um ein solches Gerät, wie es im wesentlichen in der Siemens-Zeit­ schrift 35 (1965), Seiten 1204 bis 1205 beschrieben ist, das nach dem Prinzip einer hochfrequenten Glimmentladung arbeitet. Zur gesamten Ablaufsteuerung der Messung einschließlich Erfassung und/oder Dokumentation der Meßdaten kann ein zentraler Prozeß­ rechner vorhanden sein, der insbesondere mit der Steuer- und Re­ geleinheit der Einzelventile für den Meßzyklus vernetzt ist.

Mit der Anordnung gemäß der Figur ist es möglich, an der Eingangs­ seite des SF₆-Lecksuchgerätes 50 den über das Drosselventil 16 von Atmosphärendruck auf einen Druck von bis zu 10 mbar redu­ zierten Gasstrom - bestehend aus verdünnter Atmosphärenluft mit einer SF₆-Konzentration von 10^-7- Anteilen - direkt dem Prüf­ rezipienten 1 bzw. 2 mit entsprechendem Unterdruck zu entnehmen. Es wird somit durch den Verdünnungseffekt eine entsprechende Ver­ kürzung der Zeitkonstanten zum SF₆-Nachweis, beispielsweise um einen Faktor von etwa 20 bei einer Druckverdünnung von 1000 mbar auf 50 mbar, erreicht. Gleichermaßen wird die Ansprechzeit des Prüfgerätes auf eine solche Zeit minimiert, die z. B. bei einem Leck von ca. 10^-6 mbar l/s im Sekundenbereich liegt. Schließlich werden - im Gegensatz zu den Lecksuchgeräten des Standes der Technik - keine Gassammelzeiten bei abgesperrten Rezipienten benötigt. Es ergibt sich vielmehr eine dynamische Meßweise zum Nachweis kleinster SF₆-Konzentrationen.

Es wurde erkannt, das obige Meßweise dann möglich ist, wenn fol­ gende Nebenbedingungen erfüllt sind:

• - Es müssen möglichst kleine und kurze Vakuumleitungen von den Rezipienten 1 bzw. 2 zum SF₆-Prüfgerät 50 vorhanden sein.
• - Eine exakte Regelung der in der Menge wechselnden Gasströme ist notwendig, weil das SF₆-Prüfgerät für eine einwandfreie Funktion der Glimm-Entladungsröhre Druckschwankungen von nur 1 bis 2 mbar an der Saugseite zuläßt.
• - Eine wartungsfreie Trockenfiltereinheit sollte vorhanden sein, da hierdurch die Luftfeuchte auf wenige Prozent der normalerwei­ se atmosphärischen Luft von etwa 40 bis 80% relative Feuchte getrocknet wird. Es hat sich gezeigt, daß dadurch die Kalibrier­ kennlinie eine weitere Verbesserung der SF₆-Nachweisempfindlich­ keit ergibt.

Mit der Vorrichtung gemäß der Figur ergibt sich bei der Lecksuche von mit SF₆-Isoliergas gefüllten Kondensatoren, die möglicherweise Undichtigkeiten aufweisen, folgender Meßzyklus:
Die Rezipienten 1 und 2 mit den darin eingebrachten Kondensatoren 10 bzw. 20 werden mit der größeren Vorpumpe 70 über die Ventile 11 bzw. 21 auf etwa 0,5 mbar evakuiert, um an der Kondensatorober­ fläche gegebenenfalls anhaftende SF₆-Moleküle zu beseitigen. Da­ nach erfolgt ein Belüften der Rezipienten 1 bzw. 2 über die Ven­ tile 12 bzw. 22. Hierauf wird erneut über die Ventile 11 bzw. 21 evakuiert, wobei nach Erreichen des Druckes von ca. 50 mbar die Einrichtung automatisch auf den Prüfmode umschaltet. In diesem Zustand haben die Ventile folgende Stellung: Das Ventil 14 ist zu, die Ventile 13 bzw. 23 sowie 15 bzw. 25 sind offen; die Ventile 11 und 12 im Bereich I bzw. 21 und 22 im Bereich II sind dagegen während des Prüfmodes geschlossen.

Im Falle einer geringen Undichtigkeit am Kondensator 10 bzw. 20 strömt das SF₆-Gas in den Rezipienten 1 bzw. 2 und wird mit der verdünnten Atmosphäre gemischt. Dieses Gemisch wird dann durch das Ventil 15 bzw. 25 zum SF₆-Prüfgerät 50 gefördert. Die abge­ pumpte Gasmenge wird dabei kontinuierlich über das Regelventil 16, das vom Vakuum-Analog-Regler 30 gesteuert ist, ersetzt. Dabei wird im wesentlichen Luft nachgeführt.

Die Luft strömt mit Atmosphärendruck durch einen Trockenfilter 29, wird vom Regelventil 16 gedrosselt und weiter durch das Ventil 14 geleitet, so daß sich am Ausgang des SF₆-Prüfgerätes 50 immer ein Druck von etwa 10 mbar einstellt. Wichtig ist, daß keine größeren Druckschwankungen - beispielsweise in der Größenordnung von ± 2 mbar ohne Umschalten der Ventile - über eine Zeitdauer von 1 bis 2 Sekunden auftreten, da sonst die Hochfrequenzentladung im SF₆-Prüfgerät 50 erlöschen kann und beim Erreichen des erneuten Solldruckwertes längere Zeiten, d. h. Minuten, zum Wiederzünden benötigt werden.

Durch den Lufttrockner 29 kann die beim Fluten des pneumatischen Systems eingebrachte Luft einen definierten Wert von beispiels­ weise 3% relativer Feuchte gehalten werden. Es hat sich gezeigt, daß unter solchen Bedingungen das SF₆-Meßgerät 50 optimal arbei­ tet und die geforderte hohe Nachweisempfindlichkeit für SF₆ er­ füllt wird.

Es konnte nachgewiesen werden, daß bei der beschriebenen Vor­ richtung die kleinste nachweisbare SF₆-Volumenkonzentration in Luft, d. h. bei Atmosphärendurck, 10^-7 bis 10^-8 Anteile mit Gas­ sammelzeiten von etwa 2 min ist. Wird der Luftdruck jedoch im Rezipienten 1 bzw. 2 um den Faktor von etwa 20 reduziert - also auf 50 mbar -, so ergibt sich bei gleichem Konzentrationsnachweis von 10^-7 bis 10^-8 Anteile des SF₆ in Luft eine um den Faktor 20 schnellere Anzeige, ohne daß hierzu eine Gassammelzeit überhaupt erforderlich wäre.

Zur Verifizierung der Nachweisgenauigkeit kann in der beschriebe­ nen Anordnung ein sog. Testleck vorhanden sein. Dies besteht im einzelnen aus einer auf SF₆ geeichten Kapillare 35, beispiels­ weise mit einem Durchfluß von 6·10^-7 mbar l/s, die mit einem Behälter 37 für SF₆ verbunden ist und über ein Ventil 36 an das Prüfsystem angekoppelt werden kann.

Letzteres ist insofern von Bedeutung, weil die für den Meßzyklus entnommene Gasprobe gleich oder kleiner als die noch nachweisbare Grenzleckrate sein muß. Konkret heißt dies, daß das von der Pro­ benentnahmepumpe geförderte Volumen gegebenenfalls an die Grenz­ leckrate angepaßt werden muß. Hierzu kann ein einstellbares Dros­ selventil zwischen SF₆-Prüfgerät 50 und der Vakuumpumpe 80 dienen, das in der Figur nicht im einzelnen dargestellt ist. Beispiels­ weise wird ein derartiges im Feinbereich einstellbares Ventil durch eine entsprechend geeichte Kapillare - ähnlich wie die Kapillare 35 für das Testleck - realisiert. Durch eine bestimmte Vorgabe des Strömungsquerschnittes, die einer entsprechenden Drosselung des Gasstromes entspricht, kann bei dynamischer Meß­ weise die Nachweisempfindlichkeit gesteigert werden.

Bei der beschriebenen Vorrichtung zur Prüfung der Gasdichtigkeit von Prüflingen können zusätzlich auch Messungen von elektrischen Kennwerten der Prüflinge durchgeführt werden. Dies ist bei den Kondensatoren 10 bzw. 20 als Prüflinge insbesondere die Kapa­ zität C und der elektrische Verlustwinkel tan δ. Durch Zuordnung eines tan δ-/C-Meßgerätes 60 und Komplettierung der Prüfbehälter 1 bzw. 2 mit elektrischen Anschlüssen erfolgt die Messung der elek­ trischen Kennwerte, welche im Rahmen der Qualitätssicherung eben­ falls durch Einzelprüfung erfaßt werden müssen, im gleichen Arbeitsgang. Vorteilhafterweise sind dafür bei den Prüfbehältern 10 bzw. 20 mit vakuumdicht verschließbaren Deckeln 3 bzw. 4 die Deckel selbst mit elektrischen Durchführungen bzw. Anschlüssen 5 bis 8 versehen, so daß die Prüflinge 10 bzw. 20 "in situ" elek­ trisch kontaktiert und gemessen werden können.

Claims (23)

1. Verfahren zur Prüfung der Gasdichtigkeit von Bauteilen, ins­ besondere SF₆-Dichtigkeit von Kondensatoren, bei dem von Prüf­ lingen entweichende Gase gemessen und angezeigt werden, da­ durch gekennzeichnet, daß die Prüflinge in vakuumdichten Behältern getestet werden und daß nach dem Einbringen eines Prüflings in einen Behälter in einem ersten Verfahrensschritt der Behälter mit großer Saugleistung zunächst evakuiert und daß in einem zweiten Verfahrensschritt aus dem Behälter eine Gasprobe entnommen und einem Meßgerät zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim ersten Verfahrensschritt am Bau­ teil anhaftende Gasmoleküle desorbieren und abgepumpt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach dem ersten Verfahrensschritt ein kurzzeitiges Fluten des Behälters erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fluten mit getrockneter Luft er­ folgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Fluten auf einem gegenüber Atmosphärendruck geringeren Luftdruck erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim zweiten Verfahrensschritt als Gas­ probe ein Gemisch aus Luft und entweichendem Gas dem Meßgerät zugeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Messung von in der Gasprobe außer Luft vorhandenen Fremdgasanteilen eine Anzeige an einem An­ zeigegerät erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Wechselbetrieb mit zwei Behältern für Prüflinge gemessen wird, wobei jeweils in dem einen Be­ hälter der Meßzyklus abläuft und in dem anderen Behälter ein gemessener Prüfling durch einen neuen Prüfling ersetzt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß gleichzeitig die elektrischen Kenngrößen des Bauteiles gemessen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einem Kondensator die Kapazität (C) gemessen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einem Kondensator der elektrische Verlustwinkel (tan δ) gemessen wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 10 mit einem Gasmeßgerät, ins­ besondere einem SF₆-Prüfgerät, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens ein Behälter (1, 2) für einen Prüfling (10, 20) vorhanden ist, der wechselweise an eine Vakuumsaugpumpe (70) zur Erzeugung von Vakuum und an eine Pro­ benentnahmepumpe (80) zur Entnahme einer Probe anschließbar ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Behälter (1, 2) vorhanden sind, die wechselweise mit der Vakuumsaugpumpe (70) und/oder der Probenentnahmepumpe (80) verbindbar sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindung der Behälter (10, 20) mit der Vakuumsaugpumpe (70) und/oder der Probenentnahmepumpe (80) über steuerbare Ventile (11-17, 21-23, 25, 27) erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Steuer- und Regeleinheit zur An­ steuerung der Einzelventile (11-17, 21-23, 25, 27) nach Pro­ gramm für Meßzyklus vorhanden ist.

16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen SF₆-Prüfgerät (50) und Proben­ entnahmepumpe (80) ein einstellbares Drosselventil geschaltet ist.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß in die Förder­ leitungen Vakuummeßfühler (18, 28, 19) eingebaut sind, die mit einem zentralen Meßgerät (40) verbunden sind.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Behälter (1, 2) für die Prüflinge (10, 20) elektrische Anschlüsse für ein Meßgerät (60) aufwei­ sen.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse (5 bis 8) am Deckel (3, 4) der Behälter angebracht sind und die An­ schlüsse (5 bis 8) zumindest teilweise als vakuumdichte Durch­ führungen ausgebildet sind.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßgerät (60) ein tan δ-/C-Meßgerät zur Messung der elektrischen Kenndaten von Kondensatoren ist.

21. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zentraler Prozeßrechner zur Er­ fassung und/oder Dokumentation der Meßdaten vorhanden ist, der mit der Steuer- und Regeleinheit für den Meßzyklus vernetzt ist.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ein­ richtung (35 bis 37) zur Verifizierung der Nachweisempfindlich­ keit (sog. Testleck) vorhanden ist, die aus einer Kapillare (35) zum Durchlaß eines definierten Gasstromes besteht.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kapilare (35) mit einem Behälter (37) für SF₆ verbunden ist und über ein Ventil (36) wahlweise an den pneumatischen Kreislauf anschließbar ist.