Wissens-Zwinker: Konzentrationsmessung von SF₆ in Isolationsgasgemischen für Leistungstransformatoren

Freitag, 6 Juni, 2025

Wissens-Zwinker: Konzentrationsmessung von SF₆ in Isolationsgasgemischen für Leistungstransformatoren

Was ist ein Wissens-Zwinker?

Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen. Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.

Warum dieser Test?

SF₆ (Schwefelhexafluorid) ist seit Jahrzehnten das bevorzugte Isolations- und Löschgas in gasisolierten Schaltanlagen und Hochspannungstransformatoren – wegen seiner exzellenten dielektrischen Eigenschaften. Allerdings steht SF₆ als starkes Treibhausgas zunehmend im Fokus der Regulatorik. Um die Umweltbelastung zu reduzieren, setzen Hersteller vermehrt auf Gasgemische, z. B. mit Stickstoff (N₂) oder CF₄ (Tetrafluormethan). Dabei ist es entscheidend, die Konzentration von SF₆ präzise zu erfassen, um Isolationssicherheit und Funktionalität zu gewährleisten.

Beim Einsatz von reinem SF6 ist es üblich den theoretischen Druck bei 20 °C als Referenzwert zu verwenden. Der «P₂₀-Druck» dient als branchenweiter Referenzwert für Füllmenge und Alarmschwellen: Er übersetzt jedes gemessene Druck-/Temperatur-Paar auf 20 °C und fungiert so als temperaturneutrales Mass für die molare Gasdichte – und damit für Isolationsfestigkeit, Verflüssigungsreserve und Leckage-Überwachung. Bei Lufteintritt (bspw. durch Leckagen in der Zuleitung oder unzureichende Spülvorgänge) oder dem Einsatz von SF₆-Gemischen (typischerweise N2 oder CF4) reicht dieser Wert jedoch nicht mehr aus, weil unterschiedliche Mischungen trotz identischem P₂₀ eine deutlich geringere Durchschlagsfestigkeit besitzen. Moderne Mischgas- und Low-GWP¹-Anlagen müssen P₂₀ deshalb durch Gemisch-spezifische Dichtealgorithmen oder regelmäßige Gasanalysen ergänzen.

Abbildung 1: Relativer Fehler der Durchschlagsfestigkeit (E_rel) und erforderliche Druckkompensation (P-Faktor).

Abbildung 1 veranschaulicht den Einfluss der SF6-Konzentration auf die Durchschlagsfestigkeit. Der Faktor für E_rel beschreibt dabei die erwartete relative Durchschlagsfestigkeit bei unverändertem P₂₀-Fülldruck (1 = reines SF₆). Der «P-Faktor» gibt an, um welchen Faktor der Betriebsdruck (bzw. der spezifizierte P₂₀-Wert) erhöht werden müsste, damit das Gemisch dieselbe Festigkeit wie reines SF₆ erreicht.

Beispielsweise würde ein reines P₂₀-Relais bei einem Stickstoff/SF6-Mischverhältnis von 50/50 also noch „grün“ melden, obwohl die wahre Festigkeit bereits um 35% unter Soll liegt. Um das zu kompensieren und die erforderliche Durchschlagsfestigkeit zu erreichen, müsste man den Druck mit einem Faktor von 1.54 beaufschlagen — was wiederum Dichtungen, Druckauslegung und Kondensationsreserve belastet.

¹Global-Warming-Potential. Ein Mass für das Treibhauspotenzial einer Substanz.

Welche Gase wurden verwendet?

SF₆ (Schwefelhexafluorid)
N₂ (Stickstoff)
CF₄ (Tetrafluormethan)

Dichtemessung

Die Messung der Dichte wurde mit dem Gasdichtesensor DGF-I1 durchgeführt. Dafür wurde der bestehende Kalibrierprozess angepasst und um die Messung von reinem SF6 erweitert. Die bei variierten Druck- und Temperaturbedingungen aufgenommenen Messwerte dienten anschliessend zur Optimierung des bestehenden physikalischen Modells zur Konzentrationsmessung. Über dieses Modell wird sichergestellt, dass zukünftig keine Echtgas-Kalibrationen mit SF6 mehr erforderlich sind, sodass jeder Sensor nachträglich und unkompliziert für diese Anwendung konfiguriert werden kann.



Stickstoff (N2)

1.2503 kg/m³

bei 0 °C, 1.01325 bar abs



Schwefelhexafluorid (SF₆)

6.616 kg/m³

bei 0 °C, 1.01325 bar abs



Tetrafluormethan (CF₄)

3.947 kg/m³

bei 0 °C, 1.01325 bar abs

Der TrueDyne-Sensor

Der DGF-I1 Dichtesensor ist mit einem Durchmesser von 33.5 mm und einer Länge von 63 mm sehr kompakt gebaut und findet auch auf kleinstem Raum Platz. Er wird mit dem integrierten Anschluss direkt in die Gasleitung oder den zu isolierender Schaltschrank geschraubt, ein Filter schützt vor Verschmutzung. Die Messwerte werden über eine RS485-Schnittstelle an das übergeordnete System übertragen. Die niedrige Ansprechzeit sowie Leistungsaufnahme des Sensors machen eine kontinuierliche Überwachung der gewünschten SF6-Konzentration direkt im Prozess möglich – die Messung muss nicht unterbrochen werden.

Dichtesensor DGF-I1 - TrueDyne - Ansicht links

DGF-I1 Dichemessgerät für Gase

Max. Messabweichung:

Dichte: <0,1 kg/m³
Temperatur: <0,8 °C
Druck: <0,04 bar
Mit Feldabgleich Dichte <0,05 kg/m³

Wiederholbarkeit:

Dichte: <0,015 kg/m³
Temperatur: <0,06 °C
Druck: <0,005 bar

Zulässiger Dichtemessbereich:

0,2 … 19 kg/m³

Zulässiger Druckbereich:

Max. Messbereich:
1…10 bar (absolut)
Gasgemische mit Argon (Ar) nur bis
max 9 bar (abs) verwenden.
Berstdruck 30 bar

Ergebnisse

Durch die hohe Präzision in der Dichtemessung (max. Messfehler <0.1 kg/m3) lassen sich sowohl die Konzentration des Isoliergases als auch der Fortschritt des Spülvorgangs problemlos überwachen. So wird gleichermassen sichergestellt, dass die gewünschten technischen Anforderungen erfüllt werden und eine hohe Sicherheit während aller Prozessschritte (bspw. während der Befüllung oder Wartung der Schaltschränke) rückverfolgbar gewährleistet sind.

Mit unserem kompakten Dichtesensor lassen sich diverse Gasgemische mit SF₆ unter Betriebsbedingungen präzise und kontinuierlich überwachen. Besonders bei der schrittweisen Substitution von SF₆ durch weniger klimaschädliche Gase ist eine Echtzeitüberwachung essenziell, um Isolationssicherheit und Prozessqualität sicherzustellen – bestehende Systeme sind oft nicht für Gas-Gemische ausgelegt.

Unsere Technologie ermöglicht gleichzeitig:

Eine kontinuierliche Inline-Kontrolle bei Befüllung, Betrieb und Wartung
Die Rückverfolgbarkeit im Qualitätsmanagement
Kostensenkung durch Reduktion von Laboranalysen
Die Korrektur des Betriebsdrucks zur Sicherstellung der Durchschlagsfestigkeit

Die präzise Dichtemessung ist somit ein leistungsfähiges Werkzeug zur Konzentrationsbestimmung von SF₆ in Isoliergasgemischen. Diese wiederum dient zur Sicherstellung der gewünschten Durchschlagsfestigkeit, in Abhängigkeit der gewählten Gasmischung und der gemessenen Konzentration.

In einem regulatorisch und ökologisch sensiblen Umfeld schafft sie Transparenz und Sicherheit – ganz im Sinne eines intelligenten, nachhaltigen Transformatorenbetriebs.

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