DE4133947A1 - Sensor zum erfassen von zersetzungsprodukten eines in einer gekapselten elektrischen anlage befindlichen isoliergases - Google Patents
Sensor zum erfassen von zersetzungsprodukten eines in einer gekapselten elektrischen anlage befindlichen isoliergasesInfo
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Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Sensor zum
Erfassen von Zersetzungsprodukten eines in einer gekapselten
elektrischen Anlage befindlichen und vorzugsweise
Schwefelhexafluorid enthaltenden Isoliergases mit mindestens
einem ins Innere der Kapselung führbaren Indikator, welcher
nach Einbau des Sensors in die Kapselung zumindest mit einem
Teil seiner Oberfläche den bei Betrieb der Anlage gebildeten
Zersetzungsprodukten ausgesetzt ist, und bei dem mindestens
eine mittels einer Messung erfaßbare Eigenschaft in
Abhängigkeit vom Partialdruck der gebildeten
Zersetzungsprodukte geändert wird.
In gasisolierten elektrischen Anlagen sind
Isolatoroberflächen und spannungsführende Teile durch eine
im allgemeinen metallisch ausgebildete Kapselung vor
atmosphärischen Verunreinigungen geschützt. Im
Kapselungsinneren können jedoch aufgrund von
Teilentladungen, Korona oder vor allem Schaltlichtbögen
Zersetzungsprodukte des Isoliergases entstehen, welche bei
einem Isoliergas, wie SF6, zusammen mit kaum zu vermeidender
Restfeuchtigkeit zu Korrosion und Verminderung des
Oberflächenwiderstandes der Isolatoren führen können. Für
einen zuverlässigen Betrieb von gasisolierten gekapselten
Anlagen kann eine Bestimmung der schädlichen
Zersetzungsprodukte daher vor allem dann von großer
Bedeutung sein, wenn häufig und vor allem unter Last oder
bei Kurzschluß geschaltet wird.
Ein Sensor der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus
US-A-45 05 146 bekannt. Dieser Sensor ist in einem
transportablen Volumen angeordnet, welches bei Durchführung
einer Messung der Zersetzungsprodukte mit dem Innenraum
einer SF6-gefüllten, elektrischen Anlage verbunden wird. Der
Sensor weist als Indikator für die Konzentration der in der
Anlage gebildeten Zersetzungsprodukte einen zwischen zwei
Elektroden angeordneten Isolierkörper auf, dessen
Oberflächenwiderstand gemessen wird. Die Größe des mit
zunehmender Konzentration von Zersetzungsprodukten
abnehmenden Oberflächenwiderstandes ist ein Maß für die
Konzentration der in der Anlage befindlichen
Zersetzungsprodukte.
Ein solches Sensor ist vergleichsweise aufwendig, da er ein
an die Anlage anschließbares Volumen benötigt. Zudem wird
seine Genauigkeit bei Langzeitübermessungen durch die
Oberfläche des Isolators beeinflussende Vorgänge in der
Anlage, wie etwa Partikelwanderung, erheblich
beeinträchtigt.
Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist,
liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs
genannten Art anzugeben, welcher einfach und robust
aufgebaut ist und auch über lange Zeiträume eine Messung der
Isoliergas- Zersetzungsprodukte mit guter Genauigkeit
ermöglicht.
Der erfindungsgemäße Sensor ist äußerst preiswert und
erlaubt dennoch in sicherer Weise und ohne aufwendige
Wartung auch über längere Zeiträume hinweg eine zuverlässige
Messung der Menge der bei Betrieb einer SF6-gefüllten,
gekapselten elektrischen Anlage im Kapselungsinneren
entstehenden Zersetzungsprodukte. Zudem beansprucht der
erfindungsgemäße Sensor wenig Raum und kann mit geringem
Aufwand nachträglich in beliebige Anlagen eingebaut werden,
ohne deren Feldverteilung zu beeinflussen. Hierbei nutzt der
erfindungsgemäße Sensor die Erkenntnis aus, daß bei
geeignetem Aufbau und geeigneter Wahl der Materialien des
Sensors zumindest bestimmte Anteile der Zersetzungsprodukte
ins Innere des Sensors diffundieren und dort durch chemische
Reaktion mit Komponenten des Sensors meßbare Eigenschaften
des Sensors ändern, wie etwa sein mit einem Laser
erfaßbares Absorptions- oder Reflexionsvermögen für
Lichtstrahlen oder seinen mit einem Widerstandsmeßgerät
meßbaren spezifischen Widerstand.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher
erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Schnitt durch eine erste
Ausführungsform eines in die Metallkapselung einer
gasisolierten metallgekapselten
Hochspannungsanlage eingebauten Sensor nach der
Erfindung, und
Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Schnitt durch eine zweite
Ausführungsform eines in die Metallkapselung einer
gasisolierten metallgekapselten
Hochspannungsanlage eingebauten Sensor nach der
Erfindung.
In den beiden Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen
auf gleichwirkende Teile. So bezeichnet in Fig. 1 das
Bezugszeichen 1 eine mit SF6-Gas von beispielsweise einigen
Bar Druck gefüllte Metallkapselung einer
Hochspannungsschaltanlage. Die Metallkapselung weist eine
von außen ins Kapselungsinnere 2 geführte Bohrung 3 auf. In
die Bohrung 3 ist ein nicht bezeichnetes Innengewinde
eingelassen, in das ein Sensor 4 zum Erfassen von
Zersetzungsprodukten des im Kapselungsinneren 2 vorgesehenen
SF6 mittels eines O-Ringes 5 in gasdichter Weise
eingeschraubt ist. Der Sensor 4 enthält einen aus
Kompositmaterial aufgebauten und mit einem Teil 6 seiner
Oberfläche den bei Betrieb der Anlage im SF6 gebildeten
Zersetzungsprodukten ausgesetzten Indikator 7, welcher
zwischen zwei von außen ins Kapselungsinnere 3 geführten,
koaxial ausgerichteten Elektroden angeordnet ist. Die eine
der beiden Elektroden ist als Stift 8, die andere als Hülse
9 ausgebildet.
Der Stift 8 ragt mit seinem dem Kapselungsinneren
zugewandten Ende aus dem Kompositmaterial des Indikators 7
hinaus in einen mit dem Kapselungsinneren 2
kommunizierenden, von der Metallkapselung 1 dielektrisch
weitgehend abgeschirmten Teil der Bohrung 3. Sein nach
außen geführtes Ende ist hohl ausgebildet und dient der
Aufnahme eines stiftförmigen Steckkontaktes 10 eines mit
einem Widerstandsmeßgerät 11 verbundenen Steckers 12. Die
Hülse 9 ist mit ihrem dem Kapselungsinneren zugewandten Ende
über das Kompositmaterial des Indikators 7 hinaus ebenfalls
in den mit dem Kapselungsinneren 2 kommunizierenden, von der
Metallkapselung 1 dielektrisch weitgehend abgeschirmten Teil
der Bohrung 3 geführt. Auf ihrer äußeren Mantelfläche ist
ein mit dem Innengewinde der Metallkapselung
zusammenwirkendes Gewinde 13 eingelassen. Die innere
Mantelfläche der Hülse 9 dient der Führung und Kontaktierung
des Steckers 12. Die Hülse 12 kann mit Vorteil aus einer
serienmäßig erhältlichen Steckerdurchführung hergestellt
werden.
Das Kompositmaterial des Indikators 7 enthält eine Matrix
und einen in die Matrix eingebetteten Füllstoff. Die Matrix
ist im wesentlichen von einem chemisch inerten Material
gebildet, das für mindestens eines der Zersetzungsprodukte
durchlässig ist. Ein solches Material ist vorzugsweise ein
Polymer auf der Basis eines Duroplastes, wie insbesondere
ein Epoxid oder ein Polyester. Der Füllstoff ist derart
ausgewählt, daß er nach Eintreten des mindestens einen
Zersetzungsproduktes in den Indikator 7 mit diesem
Zersetzungsprodukt chemisch reagiert. Ein solche Füllstoff
kann bei einem SF6-haltigen Isoliergas mit Vorteil
Siliciumdioxid enthalten und etwa Quarz oder Glas sein.
Bilden sich nun aufgrund von Schaltvorgängen im Isoliergas
primäre Zersetzungsprodukte, wie beispielsweise SF4, so
hydrolysieren diese mit stets vorhandener Restfeuchtigkeit
und bilden als sekundäre Zersetzungsprodukte
Fluorwasserstoff. Für SF4 gilt hierbei folgendes
Reaktionsschema:
SF4+H2O → SOF2+(HF)2.
Der Fluorwasserstoff diffundiert am den Zersetzungsprodukten
ausgesetzten Teil 6 der Oberfläche durch die vorzugsweise
aus einem Polymer gebildete Matrix ins Innere des Indikators
7 und kann nun mit dem in die Matrix eingebetteten Füllstoff
reagieren. Weist dieser Füllstoff Glas und/oder Quarz auf,
so können nun folgende chemische Reaktionen ablaufen:
4 HF+SiO2 → SiF4+2 H2O
2 HF+Na2O → 2 NaF+H2O.
2 HF+Na2O → 2 NaF+H2O.
Bei diesen Reaktionen bilden sich im Inneren des Indikators
7 Wasser sowie Natrium- und Fluorionen. Diese Ionen rufen im
Indikator eine ionische Leitfähigkeit hervor und setzen den
spezifischen elektrischen Widerstand des Indikators zwischen
den beiden als Stift 8 und Hülse 9 ausgebildeten Elektroden
herab. Dieser Widerstand kann mittels des von außen in
einfacher Weise einsteckbaren Widerstandsmeßgerätes 11
ermittelt werden.
Hierbei ist es ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen
Sensors 4, daß durch Wahl einer geeigneten Zusammensetzung
und Struktur des Kompositmaterials der Sensor 4 hinsichtlich
seiner Lebensdauer und Empfindlichkeit optimal an das
verwendete Isoliergas angepaßt werden kann.
Um dem Sensor 4 eine definierte Ansprechschwelle zu geben,
empfiehlt es sich, im Kompositmaterial mindestens eine
Materialkomponente vorzusehen, welche bis zu einem
vorgegebenen Wert der Konzentration bzw. des Partialdruckes
des reaktiven Zersetzungsproduktes, beispielsweise des SF4
bzw. des HF, das Wirksamwerden des Füllstoffes, d. h. die
Reaktion des Zersetzungsproduktes HF und des Füllstoffs Glas
oder Quarz, verhindert.
Der den gebildeten Zersetzungsprodukten ausgesetzte Teil 6
der Oberfläche des Indikators 7 kann mit einer die
Zersetzungsprodukte selektiv durchlassenden Schicht 14, etwa
auf der Basis eines Polymers, abgedeckt sein. Hierdurch wird
erreicht, daß lediglich ein besonders ausgewähltes
Zersetzungsprodukt, wie beispielsweise HF, in den Indikator
7 eintreten kann, und daß die Arbeitsweise des Sensors
möglicherweise beeinträchtigende, unerwünschte
Zersetzungsprodukte ferngehalten werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Sensors
nach der Erfindung ist anstelle eines Elektroden 8, 9 und
ein Widerstandsmeßgerät 11 enthaltenden Meßsystems ein das
Absorptionsvermögen von Lichtstrahlen 15 im Kompositmaterial
erfassendes Meßsystem vorgesehen. Dieses Meßsystem weist
eine im Kompositmaterial auf der Achse der Hülse 9 von
außen nach innen geführte Bohrung 16 auf, in der ein
Lichtleiter 17 von einer außerhalb der Metallkapselung 1
angeordneten Reflexionsmeßvorrichtung 18 bis in die Nähe
der Oberfläche 6 des Indikators 7 geführt ist.
Bei der Bildung von Zersetzungsprodukten wird bei dieser
Ausführungsform der Erfindung eine zwischen dem offenen Ende
des Lichtleiters 17 und der Oberfläche 6 verbleibende
Schicht 19 aus Kompositmaterial getrübt. Je mehr
Zersetzungsprodukte gebildet werden, desto trüber wird die
Schicht 19. Der Trübungsgrad und damit die Konzentration der
Zersetzungsprodukte wird durch Reflexion von Licht in der
getrübten Schicht 19 ermittelt. Das Licht wird hierbei von
einer in der Reflexionsmeßvorrichtung 18 vorgesehenen und
vorzugsweise als Laser ausgebildeten Lichtquelle über den
Lichtleiter 17 in die Schicht 19 geführt. In der getrübten
Schicht 19, insbesondere an deren Oberfläche 6,
rückgestreutes Licht 15 wird über den Lichtleiter 17 einem
Detektor der Vorrichtung 18 zugeführt und aus der Intensität
des zugeführten Lichtes die Konzentration der
Zersetzungsprodukte ermittelt.
Claims (12)
1. Sensor (4) zum Erfassen von Zersetzungsprodukten eines
in einer gekapselten elektrischen Anlage befindlichen
und vorzugsweise Schwefelhexafluorid enthaltenden
Isoliergases mit mindestens einem ins Innere (2) der
Kapselung (1) führbaren Indikator (7), welcher nach
Einbau des Sensors (4) in die Kapselung (1) zumindest
mit einem Teil (6) seiner Oberfläche den bei Betrieb
der Anlage gebildeten Zersetzungsprodukten ausgesetzt
ist, und bei dem mindestens eine mittels einer Messung
erfaßbare Eigenschaft in Abhängigkeit vom Partialdruck
der gebildeten Zersetzungsprodukte geändert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Indikator (7) aus einem Kompositmaterial aufgebaut ist, das eine Matrix und einen in die Matrix eingebetteten Füllstoff enthält,
daß die Matrix im wesentlichen von einem chemisch inerten Material gebildet ist, das für mindestens eines der Zersetzungsprodukte durchlässig ist, und
daß der Füllstoff derart ausgewählt ist, daß er nach Eintreten des mindestens einen Zersetzungsproduktes in den Indikator mit diesem Zersetzungsprodukt chemisch reagiert.
daß der Indikator (7) aus einem Kompositmaterial aufgebaut ist, das eine Matrix und einen in die Matrix eingebetteten Füllstoff enthält,
daß die Matrix im wesentlichen von einem chemisch inerten Material gebildet ist, das für mindestens eines der Zersetzungsprodukte durchlässig ist, und
daß der Füllstoff derart ausgewählt ist, daß er nach Eintreten des mindestens einen Zersetzungsproduktes in den Indikator mit diesem Zersetzungsprodukt chemisch reagiert.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die den gebildeten Zersetzungsprodukten ausgesetzte
Oberfläche des Indikators mit einer die
Zersetzungsprodukte selektiv durchlassenden Schicht
(14) abgedeckt ist.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schicht (14) höchstens eines der
Zersetzungsprodukte durchläßt.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß im Kompositmaterial mindestens
eine Materialkomponente vorgesehen ist, welche bis zu
einem vorgegebenen Wert des Partialdruckes des
mindestens einen Zersetzungsproduktes das Wirksamwerden
des Füllstoffes verhindert.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Kompositmaterial beim
Wirksamwerden des mindestens eines Zersetzungsproduktes
sein Absorptionsvermögen für Licht ändert.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
eine den Zersetzungsprodukten ausgesetzte Schicht (19)
des Kompositmaterials Lichtstrahlen ausgesetzt ist, und
daß beim Bestrahlen in der Schicht (19) gebildetes
rückgestreutes Licht (15) über einen Lichtleiter (17)
einer Reflexionsmeßvorrichtung (18) zugeführt wird.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Kompositmaterial beim
Wirksamwerden des mindestens eines Zersetzungsproduktes
seinen spezifischen elektrischen Widerstand ändert.
8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Kompositmaterial zwischen zwei nach Einbau des
Sensors ins Innere der Kapselung geführten Elektroden
angeordnet ist.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Elektroden koaxial angeordnet sind, und daß
eine erste beider Elektroden als Stift (8) und eine
zweite als Hülse (9) ausgebildet ist.
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in
die äußere Mantelfläche der Hülse (9) ein in die
Kapselung (1) einschraubbares Gewinde (13) eingelassen
ist.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die innere Mantelfläche der Hülse
(9) der Führung eines den Stift (8) und die Hülse (9)
kontaktierenden und an ein Widerstandsmeßgerät (11)
angeschlossenen Steckers (12) dient.
12. Sensor nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Matrix des Kompositmaterials
überwiegend ein Polymer auf der Basis eines
Duroplastes, wie insbesondere eines Epoxids oder eines
Polyesters, und der Füllstoff ein
siliciumdioxidhaltiges Material, wie insbesondere Glas
oder Quarz, enthält.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4133947A DE4133947B4 (de) | 1991-10-14 | 1991-10-14 | Sensor zum Erfassen von Zersetzungsprodukten eines in einer gekapselten elektrischen Anlage befindlichen Isoliergases |
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