SF6-Rechner: Masse, Feuchte, Leckage, Absaugen und Gasqualität
SF6-Masse, Taupunkt ↔ ppmv, Leckrate gegenüber IEC 62271-1, Absaugzeiten sowie Annahmekriterien für neues (IEC 60376) und gebrauchtes (IEC 60480) SF6.
SF6: Masse, Feuchte, Leckage, Absaugen und Gasqualität
Berechnen Sie die Kilogramm SF6 in einem Gasraum, rechnen Sie die Feuchte zwischen Taupunkt und ppmv um, ermitteln Sie die Leckrate und ihren Jahresanteil, schätzen Sie Absaug- und Evakuierzeiten und prüfen Sie, ob neues, gebrauchtes oder im Betrieb befindliches Gas die Annahmekriterien von IEC 60376 und IEC 60480 erfüllt.
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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.
Leckrate
Zwei Messverfahren, beide im Rechner:
- Haube oder Umhüllung (Akkumulationsverfahren nach IEC 60068-2-17). Das Gerät wird eingeschlossen, die SF6-Konzentration in der Haube am Anfang und am Ende gemessen und L = (C1 − C0)·10⁻⁶·(Vs − V0)·p / t angewendet. Das Ergebnis steht in Pa·m³/s und mbar·L/s; mit der realen Gastemperatur in Gramm pro Sekunde und pro Jahr.
- Zwei Ablesungen des Gasraums. Druck und Temperatur an zwei Tagen: Der Rechner löst Van der Waals für jede Ablesung und zieht die Massen voneinander ab. Nur so lässt sich ein Druckabfall ehrlich lesen, denn wer Drücke ohne Temperaturkorrektur vergleicht, hält die Winterkälte für ein Leck. Zusätzlich liefert er den auf 20 °C bezogenen Druck — den ein temperaturkompensierter Dichtewächter vergleicht — und mit dem Alarmdruck die Jahre bis zur Auslösung.
Mit der Füllmasse ergeben beide den Jahresanteil, der mit den 0,5 % pro Jahr verglichen wird, die IEC 62271-1 als Normwert für geschlossene Drucksysteme festlegt.
Absaug- und Evakuierzeiten
Wer eine Freischaltung plant, muss wissen, wie lange sie dauert. Der Rechner schätzt drei Werte:
- die Absaugzeit bis zum Endvakuum, in zwei Phasen: konstanter Massenstrom, solange der Druck über dem Ansaugdruck des Verdichters liegt, darunter exponentieller Abfall mit dem Vakuumverdichter;
- das Restgas, das bei diesem Vakuum im Gasraum bleibt, und den zurückgewonnenen Anteil;
- die Evakuierzeit der Luft bis zum Zielvakuum mit der Vakuumpumpe, unter Berücksichtigung ihres Enddrucks.
Die Volumenströme von AGRU-4X, AGRU-7, AGRU-8, AGTU und ARFU-2 sind aus ihren Katalogen vorbelegt; mit „Anderes Gerät“ lassen sich beliebige andere eingeben. Schlauchverluste und der sinkende Liefergrad des Verdichters bei niedrigem Druck sind nicht enthalten: reale Zeiten sind etwas länger.
Annahmekriterien: neues, gebrauchtes und im Betrieb befindliches SF6
Der fünfte Reiter vergleicht die Ergebnisse des Analysegeräts mit den Grenzwerten, die für den jeweiligen Fall gelten:
| Parameter | Neu, reines SF6 (IEC 60376) | Neu, für Gemische | Gebraucht, zur Wiederverwendung (IEC 60480:2019) |
|---|---|---|---|
| SF6 | > 98,5 % | > 99,7 % | > 97 % |
| Luft | < 1 % | < 0,2 % | Luft + CF4 < 3 % |
| CF4 | < 0,4 % | < 0,08 % | |
| Wasser | < 200 ppmv | < 200 ppmv | < 200 ppmv |
| Mineralöl | < 10 mg/kg | < 10 mg/kg | < 10 mg/kg |
| Säure / Zersetzung | Gesamtsäure < 7 ppmv | Gesamtsäure < 7 ppmv | < 50 ppmv gesamt, < 12 ppmv SO2 + SOF2 oder < 25 ppmv HF |
Für Gas im Gerät gilt das Feuchtekriterium nach IEC 60694, wie es CIGRE 234 zitiert: Taupunkt beim Fülldruck von −5 °C oder darunter. Die Feuchte lässt sich in ppmv, in ppmw oder als Taupunkt beim Messdruck eingeben; der Rechner rechnet um.
Bei gebrauchtem Gas, das durchfällt, nennt das Werkzeug die Maßnahmen in der Analysereihenfolge von IEC 60480: Zersetzungsprodukte (über Filter aufbereiten oder zurückgeben), Luft und CF4 (vor Ort nicht behebbar: Gasphase umfüllen), Feuchte (Trockenfilter) und Öl (Ölfilter). Die Ausgabe 2004 von IEC 60480 und der CIGRE-Leitfaden 234 ließen in Geräten unter 200 kPa absolut 750 ppmv Wasser zu; die gültige Ausgabe hat einen einzigen Grenzwert von 200 ppmv.
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.
- Leckrate mit Haube: von 0 auf 10 ppmv in 24 h in einer Haube von 1 m³ um 0,2 m³ Gerät, bei 1,013 bar und 20 °C → 9,4·10⁻⁶ Pa·m³/s, rund 18 g SF6 pro Jahr: 0,05 % der 38,4 kg, weit unter 0,5 % pro Jahr.
- Absaugen mit einem AGRU-8 bis 20 mbar: rund 1 h 36 min, mit 120 g Restgas (99,7 % zurückgewonnen). Danach die Luft mit der 25-m³/h-Pumpe bis 1 mbar evakuieren: rund 17 min.
Was dieser Rechner nicht leistet
Er misst das Gas nicht: Reinheit, Feuchte und Zersetzungsprodukte liefert das Analysegerät, und der Rechner vergleicht diese Ergebnisse nur mit den Grenzwerten der Norm. Er ersetzt weder den Dichtewächter des Schaltfelds noch die Lecksuche: Die Leckrate sagt, wie viel verloren geht, nicht wo; das zeigen Lecksuchgerät oder Kamera. 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.
Häufige Fragen
- Warum darf SF6 nicht als ideales Gas behandelt werden?
- Weil es ein großes, schweres Molekül ist, das schon bei Betriebsdrücken deutlich vom idealen Verhalten abweicht. Bei 6 bar und 20 °C liegt der Realgasfaktor bei etwa 0,94: als ideales Gas gerechnet wird die Masse um rund 6 % unterschätzt. In einem Gasraum von 500 Litern sind das fast zwei Kilogramm Gas, die im Emissionsregister fehlen.
- Warum ergibt dasselbe Gas unterschiedliche Taupunkte?
- Weil der Taupunkt vom Partialdruck des Wasserdampfs abhängt, und dieser Partialdruck steigt mit dem Gesamtdruck. Derselbe ppmv-Gehalt, der bei Atmosphärendruck bei −40 °C kondensiert, kondensiert bei 6 bar absolut bereits oberhalb von −25 °C. Deshalb sagt ein Taupunktwert ohne den Druck, bei dem er gemessen wurde, nichts aus.
- Wird die Feuchte bei Betriebsdruck oder bei Atmosphärendruck gemessen?
- Das hängt vom Messgerät und vom angewandten Grenzwert ab. Viele Analysegeräte messen bei reduziertem Druck und rechnen anschließend um; Leitfäden und Grenzwerte beziehen sich meist auf einen bestimmten Druck. Entscheidend ist, eine bei einem Druck gemessene Angabe nicht mit einem für einen anderen Druck geltenden Grenzwert zu vergleichen: genau diese Umrechnung leistet dieser Rechner.
- Wie wird die SF6-Leckrate mit einer Haube berechnet?
- Das Gerät wird in eine Haube oder Umhüllung eingeschlossen, die SF6-Konzentration darin am Anfang und am Ende einer bekannten Zeit gemessen und L = (C1 − C0)·10⁻⁶·(Vs − V0)·p / t angewendet, wobei Vs − V0 das freie Volumen der Haube ist. Mit der Temperatur ergibt sich der Verlust in Gramm pro Sekunde und pro Jahr, mit der Füllmasse der Jahresanteil, der mit den 0,5 % pro Jahr der IEC 62271-1 verglichen wird.
- Wie lange dauert es, das SF6 eines Gasraums zurückzugewinnen?
- Vor allem hängt es vom Volumenstrom des Verdichters und vom Endvakuum ab. Ein Gasraum von 1 m³ bei 5 bar Überdruck (rund 38 kg) ist mit einem AGRU-8 nach dem Modell des Rechners in gut anderthalb Stunden auf 20 mbar, und rund 120 g bleiben im Gasraum. Bis 1 mbar bleiben nur 6 g, aber die Vakuumphase wird länger und das Gerät muss dieses Vakuum erreichen.
- Welche Reinheit müssen neues und wiederverwendetes SF6 haben?
- Neues SF6 muss nach IEC 60376:2018 mehr als 98,5 % SF6, weniger als 1 % Luft, weniger als 0,4 % CF4 und weniger als 200 ppmv Wasser enthalten; für Gemische mehr als 99,7 %. Gebrauchtes SF6 darf nach IEC 60480:2019 wieder in ein Gerät, wenn es mehr als 97 % SF6, weniger als 3 % Luft und CF4 zusammen, weniger als 200 ppmv Wasser und Zersetzungsprodukte unter 50 ppmv gesamt (12 ppmv SO2 + SOF2 oder 25 ppmv HF) aufweist.
- Welche Feuchte ist im SF6 eines Geräts im Betrieb zulässig?
- Das klassische Kriterium aus IEC 60694, wie im CIGRE-Leitfaden 234 zitiert, ist ein Taupunkt von −5 °C oder darunter beim Fülldruck, also ein Wasserdampf-Partialdruck von 400 Pa. Es lässt Abstand zur Kondensation, die bei 0 °C (611 Pa) beginnt. Da es vom Druck abhängt, kann Gas, das bei 2 bar einhält, bei 7 bar durchfallen.