DE4133947B4

DE4133947B4 - Sensor zum Erfassen von Zersetzungsprodukten eines in einer gekapselten elektrischen Anlage befindlichen Isoliergases

Info

Publication number: DE4133947B4
Application number: DE4133947A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Niemeyer
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 1991-10-14
Filing date: 1991-10-14
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2011-10-15
Also published as: DE4133947A1

Abstract

Sensor (4) zum Erfassen von Zersetzungsprodukten eines in einer gekapselten elektrischen Anlage befindlichen 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.

Description

Technisches Gebiet
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.
Stand der Technik
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-4,505,146 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 solcher 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.

Ein anderer Sensor der einen Indikator verwendet, ist aus DE 28 54 628 A1 bekannt. Ein Gasraum, der ein Isolationsgas wie beispielsweise SF₆ enthält, ist mit einer Öffnung versehen, an die ein Ventil angeschlossen ist. An das Ventil ist ein Prüfröhrchen anschliessbar, das mit einer Indikatorsubstanz gefüllt ist. Am Ende des Prüfröhrchens ist ein elastischer Ballon mit Hilfe eines Befestigungsringes angebracht. Um den Ballon befindet sich ein käfigartiges Gehäuse, das an dem Prüfröhrchen befestigt ist. Durch Öffnen des Ventils fliesst Gas durch das Prüfröhrchen in den Ballon, der sich dadurch dehnt. Sobald der Ballon das käfigartige Gehäuse berührt, wird das' Ventil geschlossen und das Prüfröhrchen kann von dem Ventil getrennt werden. Falls sich in der Gasprobe neben dem SF₆ Gas noch Zersetzungsprodukte befinden, erfolgt in der Indikatorsubstanz, beispielsweise Al₂O₃, ein Farbumschlag.

Auch ein solcher Sensor benötigt ein anschliessbares Volumen. Zudem handelt es sich um ein rein qualitatives Messverfahren.

Darstellung der Erfindung

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 geeigeter 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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 eine Aufsicht auf einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines in die Metallkapselung einer gasisolierten metallgekapselten Hochspannungsanlage eingebauten Sensor nach der Erfindung, und
2 eine Aufsicht auf einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines in die Metallkapselung einer gasisolierten metallgekapselten Hochspannungsanlage eingebauten Sensor nach der Erfindung.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In den beiden Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile. So bezeichnet in 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 dieses 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: 4HF + SiO₂ → SiF₄ + 2H₂O 2HF + Na₂O → 2NaF + 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 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

Sensor (4) zum Erfassen von Zersetzungsprodukten eines in einer gekapselten elektrischen Anlage befindlichen 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.
Sensor nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliergas Schwefelhexafluorid enthält.
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.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (14) höchstens eines der Zersetzungsprodukte durchlässt.
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.
Sensor nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompositmaterial beim Wirksamwerden des mindestens eines Zersetzungsproduktes sein Absorptionsvermögen für Licht ändert.
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.
Sensor nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompositmaterial beim Wirksamwerden des mindestens eines Zersetzungsproduktes seinen spezifischen elektrischen Widerstand ändert.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompositmaterial zwischen zwei nach Einbau des Sensors ins Innere der Kapselung geführten Elektroden angeordnet ist.
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.
Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in die äussere Mantelfläche der Hülse (9) ein in die Kapselung (1) einschraubbares Gewinde (13) eingelassen ist.
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.
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.