SF6-Rechner: Gasmasse und Feuchte (Taupunkt ↔ ppmv)

Was dieser Rechner leistet

Zwei Dinge, die im Feld regelmäßig falsch gelöst werden: wie viele Kilogramm SF6 sich tatsächlich in einem Gasraum befinden, und was der Taupunkt bedeutet, den das Analysegerät gerade angezeigt hat.

Gasmasse

Für das Emissionsregister, für die Planung einer Rückgewinnung und für die Beurteilung, ob eine Leckage relevant ist, braucht man die Masse, nicht den Druck. Sie wird aus dem Volumen des Gasraums, dem Druck und der Temperatur berechnet, indem die Van-der-Waals-Gleichung für SF6 gelöst wird (a = 7,857 L²·bar/mol², b = 0,0879 L/mol, M = 146,06 g/mol).

Das ist keine akademische Feinheit. SF6 weicht sehr viel früher vom idealen Gasverhalten ab als Luft: bei 6 bar absolut und 20 °C liegt sein Realgasfaktor bei etwa 0,94, die Formel für das ideale Gas lässt also rund 6 % der Masse weg. Der Rechner zeigt diese Abweichung an, damit die Größe des Fehlers sichtbar wird.

Die Temperatur ist ebenso wichtig wie der Druck: dasselbe Schaltfeld zeigt bei −10 °C und bei 30 °C sehr unterschiedliche Drücke, obwohl genau dieselbe Gasmenge vorhanden ist. Deshalb arbeiten Dichtewächter temperaturkompensiert, und deshalb ist ein „Druckverlust“ im Winter nicht immer eine Leckage.

Feuchte: Taupunkt und ppmv

Wasser ist nach den Zersetzungsprodukten das Problem des SF6: Es senkt die Oberflächendurchschlagfestigkeit und bildet in Gegenwart eines Lichtbogens korrosive Verbindungen.

Der Rechner rechnet in beide Richtungen um, mit den Buck-Gleichungen, unter 0 °C über Eis, so wie Taupunkt-Hygrometer es angeben:

• vom gemessenen Taupunkt zu ppmv;
• von ppmv zu dem Taupunkt, der sich bei einem anderen Druck ergäbe.

Diese zweite Umrechnung verhindert den häufigsten Fehler der Prüfung. Der Wassergehalt in ppmv ändert sich nicht mit dem Druck — die Wassermoleküle bleiben dieselben —, der Taupunkt dagegen schon: Beim Verdichten des Gases steigt der Partialdruck des Dampfes, und das Wasser kondensiert bei höherer Temperatur. Bei Atmosphärendruck zu messen und mit einem für Betriebsdruck geltenden Grenzwert zu vergleichen, oder umgekehrt, führt dazu, feuchtes Gas für gut zu befinden.

Rechenbeispiel

Gasraum von 1 m³ bei 5 bar Überdruck und 20 °C, mit einem bei Atmosphärendruck gemessenen Taupunkt von −40 °C.

• Absolutdruck: 6,01 bar → Dichte 38,4 kg/m³ → 38,4 kg SF6. Als ideales Gas gerechnet wären 36,1 kg herausgekommen: 2,3 kg zu wenig.
• −40 °C bei 1,013 bar entsprechen 127 ppmv.
• Dasselbe Gas hat bei 6 bar absolut einen Taupunkt von −23 °C.

Was dieser Rechner nicht leistet

Er sagt nicht, ob das Gas brauchbar ist: Das hängt auch von der Reinheit ab (Anteil SF6 gegenüber Luft und CF4) und von den Zersetzungsprodukten (SO2, H2S, HF), die mit dem Analysegerät gemessen und nicht aus dem Druck abgeleitet werden. Er ersetzt weder den Dichtewächter des Schaltfelds noch die Leckageberechnung, die zwei zeitlich getrennte Messungen mit der jeweiligen Temperatur benötigt. Und er deckt weder SF6/N2-Gemische noch die alternativen Gase ab, deren Konstanten andere sind.

Womit gemessen wird

Reinheit, Feuchte und Zersetzungsprodukte werden mit einem SF6-Gasanalysator gemessen. Für die Lecksuche kommen SF6-Lecksuchgeräte zum Einsatz, und für das Rückgewinnen, Lagern und Wiederbefüllen des Gases die entsprechenden SF6-Serviceanlagen.