Eine kurze Diskussion zur Prüfung und Analyse von Gas-Mikrowasser in SF6-Schaltgeräten

SF₆-Schaltgeräte weisen ausgezeichnete physikalische, chemische, isolierende und bogenlöschende Eigenschaften auf. Sie ermöglichen eine große Anzahl von aufeinanderfolgenden Unterbrechungen, haben einen geringen Lärmbelastung und bieten kein Risiko von Funkenbildung. Darüber hinaus sind sie klein, leicht, leistungsfähig und erfordern wenig oder gar keine Wartung. Daher ersetzen sie allmählich traditionelle ölgefüllte Schaltgeräte und Druckluft-Schaltgeräte. Zudem bieten diese Schaltgeräte in der Mittelspannungs-Netzverteilung Vorteile wie keine Wiederentzündung beim Unterbrechen von kapazitiven Strömen und keine Überspannungsbildung beim Unterbrechen induktiver Ströme, was zu ihrer weit verbreiteten Anwendung geführt hat.

1 Eigenschaften des SF₆-Gases
1.1 Physikalische Eigenschaften

Das Molekulargewicht von SF₆-Gas beträgt 146,07, und sein Moleküldurchmesser beträgt 4,56×10⁻¹⁰ m. Es existiert in gasförmigem Zustand bei Normaltemperatur und -druck. Bei 20°C und einem Standardatmosphärendruck beträgt seine Dichte 6,16 g/L (ungefähr fünfmal so hoch wie die von Luft). Die kritische Temperatur von SF₆-Gas liegt bei 45,6°C, und es kann durch Kompression verflüssigt werden. Normalerweise wird es in Stahlflassen in flüssigem Zustand transportiert. Reines SF₆-Gas ist farblos, geruchlos, geschmacklos, ungiftig und nicht brennbar.

1.2 Elektrische Eigenschaften

(1) SF₆ ist ein elektronegatives Gas (in der Lage, freie Elektronen anzulagern), mit ausgezeichneten bogenlöschenden und isolierenden Eigenschaften. In einem homogenen elektrischen Feld bei einem Standardatmosphärendruck beträgt die Spannungsfestigkeit von SF₆-Gas etwa 2,5-mal die von Stickstoff.
(2) Reines SF₆-Gas ist ein edles Gas. Es zerfällt unter dem Einfluss eines Bogens. Wenn die Temperatur 4000K überschreitet, sind die meisten Zerfallsprodukte einzelne Atome von Schwefel und Fluor. Nachdem der Bogen erloschen ist, rekombinieren die meisten Zerfallsprodukte wieder in stabile SF₆-Moleküle. Dabei reagieren sehr kleine Mengen der Zerfallsprodukte chemisch mit freien Metallatomen, Wasser und Sauerstoff während des Rekombinationsprozesses und bilden Metallfluoride und Fluoride von Sauerstoff und Schwefel.

2 Mikrowasserprüfung des Gases in SF₆-Schaltgeräten
2.1 Bedeutung der Mikrowasserprüfung

Die Erkennung des Mikrowassergehalts im Gas ist ein wichtiges Prüfmerkmal für SF₆-Schaltgeräte. Neues SF₆-Gas oder Gas im Betrieb, das Spuren von Wasser enthält, beeinflusst direkt die Eigenschaften des Gases. Wenn der Wassergehalt ein bestimmtes Niveau erreicht, können Hydrolysereaktionen auftreten, die saure Substanzen bilden, die die Ausrüstung korrodieren. Besonders bei hohen Temperaturen und unter dem Einfluss eines Bogens entstehen leicht giftige niedere Fluoride. Die resultierenden Fluorschwefelverbindungen reagieren mit Wasser und bilden hochkorrosive Fluorwasserstoff- und Schwefelsäuren sowie andere hochgiftige chemische Substanzen, die das Leben der Wartungspersonal gefährden und die Isoliermaterialien oder Metalle des Schalters korrodieren, wodurch die Isolation verschlechtert wird. Wenn der Schalter im Freien installiert ist und die Temperatur stark sinkt, kann das übermäßige Wasser im SF₆-Gas an der Oberfläche des festen Mediums kondensieren, was zu Durchschlägen führen kann. In schweren Fällen kann dies zur Explosion des Schalters führen.

2.2 Prüfverfahren

(1) Gravimetrisches Verfahren: Nach Durchlaufen durch ein Trocknungsmittel wird dessen Gewichtsänderung genau gemessen. Dieses Verfahren hat jedoch hohe Anforderungen an die Handhabung und verbraucht in einer konstanten Temperatur-, Feuchtigkeits- und staubfreien Umgebung eine große Menge an Gas.
(2) Taupunktverfahren: Wenn die Temperatur des Prüfsystems etwas niedriger als die Sättigungstemperatur des Wasserdampfes (Taupunkt) im Proben gas ist, kann das Prüfsystem ein elektrisches Signal liefern. Nach Verstärkung und Ausgabe wird der Wassergehalt basierend auf dem Taupunkt bestimmt. Derzeit ist dieses Verfahren ein wichtiges Mittel zur Messung von Spurenwasser in SF₆, und Taupunktmessgeräte werden sowohl in- als auch ausländisch hergestellt.

3 Quellen und Kontrolle der Feuchtigkeit im Gas von SF₆-Schaltgeräten
3.1 Quellen der Feuchtigkeit im Gas

(1) Für neues Gas sind die Hauptquellen der Feuchtigkeit: unzureichende Prüfung durch die Gasfabrik; nicht konforme Lagerbedingungen während des Transports; und zu langer Lagerzeit.
(2) Für elektrische Geräte, die mit SF₆-Gas gefüllt sind, sind die Hauptquellen der Feuchtigkeit: die vom SF₆-Gas selbst mitgebrachte Feuchtigkeit; die geringe Restfeuchtigkeit aufgrund unvollständiger Reinigung des Gases vor der Füllung; die mit der Zeit von Isoliermaterialien, Schweißstellen und Komponenten in den elektrischen Geräten freigesetzte Feuchtigkeit; und die von außen durch Lecks in die Ausrüstung eindringende Feuchtigkeit.

3.2 Maßnahmen zur Kontrolle des Wassergehalts von SF₆-Gas in SF₆-Schaltgeräten

Strengen Qualitätskontrollen bei der Annahme von neuem Gas sicherstellen; die Behandlung von Isolierbauteilen kontrollieren; die Qualität der Dichtungsteile kontrollieren; die Qualität der Adsorbentien kontrollieren; die Füllung des Gases kontrollieren; die Gasleckage während des Betriebs verstärkt prüfen; und die Überwachung und Messung des mikro-Wassergehalts des Gases während des Betriebs verstärken.

4 Giftigkeit von SF₆-Gas

Wenn SF₆-Gas in elektrischen Geräten verwendet wird, ob unter Fehlbedingungen oder während normaler Bogenunterbrechungen, kann es zerfallen und Sauerstoff- und Schwefelfluoride sowie metallische Fluoridpulver produzieren. Wenn der Gehalt an hydrolysierbaren Fluoriden im SF₆-Gas ein bestimmtes Konzentrationsniveau erreicht, wird das SF₆-Gas giftig und beeinflusst auch die Isolationsstärke und die bogenlöschenden Eigenschaften des SF₆-Gases in elektrischen Geräten.

Unter dem Einfluss von Funkenentladung und Bogen können SF₆-Gas-Schaltgeräte durch Dissoziation und Ionisation hochgiftige Gase erzeugen. Da diese Gase farb- und geruchlos sind, sind sie schwer zu erkennen. Zudem, mit einer Dichte von 6,16 g/L (etwa fünfmal so hoch wie die von Luft), sammeln sich einige der während der Überwachung erzeugten giftigen und schädlichen Gase in der Nähe des Bodens im Schaltgeräteraum. Dies macht es einfach, dass Arbeiter während der Demontage, Hauptwartung oder mikro-Wasserprüfung des Gases potenziell vergiftet werden, was eine große Bedrohung für die physische und psychische Gesundheit der Arbeiter und die sichere Betriebsführung der Ausrüstung darstellt.

Zum Beispiel, wenn in einem SF₆-Schaltgeräteraum kein SF₆-Gas-Leckage-Überwachungs- und Alarmsystem und kein quantitativer SF₆-Gas-Leckagedetektor installiert sind, ist es unmöglich, zu wissen, ob die SF₆-Konzentration innerhalb des sicheren Standards liegt. Die Erfahrung zeigt, dass sogar in einer Umgebung mit sehr geringen Mengen von Zerfallsprodukten, Arbeiter pikanter oder unangenehmer Gase spüren können, die offensichtliche Reizungen an Nase, Mund und Augen verursachen. Im Allgemeinen treten nach Vergiftung Symptome wie Tränen, Niesen, Schnupfen, Brennen in der Nasenhöhle und im Hals, heisere Stimme, Husten, Schwindel, Übelkeit, Brustenge und Unwohlsein im Nacken auf. In schweren Fällen kann sogar Schock auftreten.

Daher ist die Online-Überwachung von SF₆-Gas-Leckagen ein großes Thema in der aktuellen technischen Forschung. Zum Beispiel kann der Abzugventilator organisch mit dem SF₆-Gas-Leckage-Alarm-System gesteuert werden, sodass der Abzugventilator automatisch eingeschaltet wird, wenn die SF₆-Gas-Leckage-Konzentration den Standard überschreitet, um die Sicherheit von Personen und Ausrüstung zu gewährleisten.

Die beiden wichtigsten Überwachungsmerkmale für SF₆-Schaltgeräte sind Wassergehalt und Leckageerkennung. Wenn ihre Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird, wird dies auch die Umwelt belasten. Daher erhalten die Überwachung von Mikro-Wasser und Leckageerkennung von SF₆-Schaltgeräten im Betrieb viel Aufmerksamkeit.

(3) Elektrolyseverfahren: Es kann den Feuchtigkeitsgehalt im Gas intermittierend oder kontinuierlich messen. Es gibt andere Methoden zur Mikrowasserprüfung von SF₆-Gas, wie z.B. die piezoelektrische Quarzoszillationsmethode, die Adsorptionskalorimetrie und die Gaschromatographie. Allerdings wurden diese Methoden aufgrund des hohen Kosten der Instrumente oder technischer Einschränkungen nicht weit verbreitet.