Hoe het vochtgehalte in SF₆-gevulde GIS- en GIL-apparatuur te berekenen

Inzicht in SF₆-dauwpunt, ppmv, druk, temperatuur en waterdampgehalte

In gasgeïsoleerde schakelapparatuur (GIS) en gasgeïsoleerde transmissielijnen (GIL) wordt zwavelhexafluoride (SF₆) veel gebruikt als isolerend en boogdovende medium. Het handhaven van de juiste gaskwaliteit is essentieel voor betrouwbare isolatieprestaties, levensduur van apparatuur en veilige werking.

Onder de verschillende SF₆-gaskwaliteitsparameters zijnHet vochtgehalte is een van de belangrijkste factoren om te monitoren.

Overmatig vocht kan de diëlektrische prestatie van het gas verminderen en, onder bepaalde omstandigheden, bijdragen aan de vorming van corrosieve of ontledingsgerelateerde bijproducten. Om deze reden meten GIS- en GIL-fabrikanten, inbedrijfstellingsingenieurs en onderhoudsteams routinematig het SF₆-dauwpunt of de vochtconcentratie.

Maar er rijst vaak een belangrijke vraag:

Als een SF₆-analysator een bepaalde vochtconcentratie rapporteert, hoeveel water is er dan daadwerkelijk aanwezig in het GIS- of GIL-compartiment?

Het antwoord vereist inzicht in de relatie tussendauwpunt, ppmv, gasdruk, temperatuur en gasvolume.

1. Wat betekent SF₆-vochtgehalte?

Wanneer een SF₆-gasanalysator vocht rapporteert, kan het resultaat worden uitgedrukt in verschillende eenheden, afhankelijk van het instrument en de toepassing.

Gemeenschappelijke eenheden zijn onder meer:

• Dauwpunt (°C)
• Vochtconcentratie (ppmv)
• Vochtconcentratie (mg/m³)

Deze parameters beschrijven de hoeveelheid waterdamp die aanwezig is in de SF₆-gasfase.

Bijvoorbeeld een lezing van:

100 ppmv H2O

betekent dat de waterdamp onder de gedefinieerde meetomstandigheden ongeveer 100 volumedelen per miljoen van het gasmengsel in beslag neemt.

Dat doet hetnietbetekent noodzakelijkerwijs dat het gehele GIS-compartiment slechts een vaste hoeveelheid water bevat die gelijk is aan het berekende gasfasewater.

Dit onderscheid is belangrijk omdat vocht ook kan worden geabsorbeerd of geadsorbeerd door isolatiematerialen, afdichtingen en binnenoppervlakken.

2. Dauwpunt versus ppmv

Dauwpunt en ppmv beschrijven vocht op verschillende manieren.

Dauw punt

Dedauw puntis de temperatuur waarbij waterdamp begint te condenseren onder een bepaalde drukomstandigheid.

Een lager dauwpunt duidt doorgaans op een lager vochtgehalte.

Zo is SF₆ met een dauwpunt van −40°C aanzienlijk droger dan SF₆ met een dauwpunt van −20°C.

ppmv

ppmv (delen per miljoen op basis van volume)drukt direct de relatieve concentratie van waterdamp in het gas uit.

Het dauwpunt en ppmv mogen echter niet als uitwisselbare vaste waarden worden behandeld.

De relatie tussen dauwpunt en vochtconcentratie is onder meer afhankelijk van factorendruk, temperatuur en de thermodynamische eigenschappen van het gasmengsel.

Daarom moeten bij het omzetten van een dauwpuntmeting in een vochtconcentratie de meetomstandigheden duidelijk gedefinieerd worden.

3. Hoe de hoeveelheid waterdamp berekenen

Als de vochtconcentratie al beschikbaar is in ppmv, kan de geschatte hoeveelheid waterdamp in een GIS- of GIL-compartiment worden berekend met behulp van de ideale gasvergelijking.

De totale hoeveelheid gas is:

n = PV / RT

waar:

• N= totale hoeveelheid gas, mol
• P= absolute druk, Pa
• V= gasvolume, m³
• R= universele gasconstante, 8,314 J/(mol·K)
• T= absolute temperatuur, K

Als de vochtconcentratie isC ppmv, de geschatte hoeveelheid waterdamp is:

n(H₂O) = n * C / 1.000.000

De bijbehorende watermassa is:

m(H₂O) = n(H₂O) * 18,015 g/mol

Dit geeft een schatting van de waterdamp in de gasfase.

4. Voorbeeld: 1 m³ GIS-compartiment

Beschouw een vereenvoudigd voorbeeld.

Een GIS-compartiment heeft:

• Gasvolume:1 m³
• SF₆ absolute druk:0,6 MPa
• Gastemperatuur:20°C
• Vochtconcentratie:100 ppmv

Converteer eerst de temperatuur:

T = 20 + 273,15 = 293,15 K

Gebruik:

n = PV / RT

we verkrijgen ongeveer:

n ≈ 246 mol

De hoeveelheid waterdamp is dus ongeveer:

246 * 100 / 1.000.000 = 0,0246mol

Met behulp van de moleculaire massa van water:

m ≈ 0,0246 * 18,015 ≈ 0,44 g

Daarom bevat de gasfase onder deze specifieke omstandigheden ongeveer:

0,44 g waterdamp

Dit voorbeeld illustreert een belangrijk punt: zelfs een relatief kleine vochtconcentratie kan overeenkomen met een meetbare hoeveelheid water als het gasvolume en de gasdruk aanzienlijk zijn.

5. Waarom druk en temperatuur belangrijk zijn

Bovenstaande berekening is niet universeel toepasbaar op ieder GIS- of GIL-systeem.

Voor hetzelfde gasvolume en dezelfde vochtconcentratie verhoogt het verhogen van de absolute druk de totale hoeveelheid gas in het compartiment en verhoogt daardoor de overeenkomstige hoeveelheid waterdamp.

Temperatuur heeft ook invloed op de relatie tussen gaseigenschappen, dampdruk en dauwpunt.

Daarom moet bij een goede vochtbeoordeling in ieder geval het volgende worden vastgelegd:

• Gasdruk
• Gastemperatuur
• Gasvolume, wanneer de totale waterhoeveelheid wordt geschat
• Vochtconcentratie of dauwpunt
• Meetomstandigheden

Bij praktische SF₆-tests moeten ook de meetmethode en de bemonsteringsomstandigheden van de analysator in aanmerking worden genomen.

6. Vertegenwoordigt de berekende waarde al het water in GIS?

Nee.

Dit is misschien wel het belangrijkste punt bij het interpreteren van SF₆-vochtmetingen.

De berekende waarde vertegenwoordigt een schatting van dewaterdamp aanwezig in de gasfase.

Een GIS- of GIL-systeem kan ook vocht bevatten dat verband houdt met:

• Stevige isolatiematerialen
• Interne metalen oppervlakken
• Afdichtingsmaterialen
• Geadsorbeerd oppervlaktevocht
• Restvocht dat tijdens de productie of installatie binnenkomt

Deze materialen kunnen geleidelijk vocht afgeven aan het SF₆-gas.

Als gevolg hiervan kunnen vochtmetingen veranderen na inbedrijfstelling, gasvulling, evacuatie of droogwerkzaamheden.

Een GIS kan bijvoorbeeld in eerste instantie na het drogen een relatief lage vochtwaarde laten zien, maar de waarde kan later toenemen naarmate restvocht van interne materialen naar het SF₆-gas migreert.

Daarom is een vochttest niet zomaar een eenmalige berekening.Trendmonitoring en goede inbedrijfstellingsprocedures zijn even belangrijk.

7. Hoe wordt SF₆-vocht in de praktijk gemeten?

In het veld gebruiken ingenieurs normaal gesproken een SF₆-gasanalysator om parameters te meten zoals:

• SF₆-zuiverheid
• Dauwpunt / vocht
• ZO₂
• Andere ontledingsproducten, afhankelijk van de configuratie van de analyser

Voor routinematige GIS- en GIL-inbedrijfstelling en onderhoud stellen draagbare analysatoren ingenieurs in staat metingen rechtstreeks vanaf de apparatuur uit te voeren zonder de volledige gasvulling te verwijderen.

Een multifunctionele analysator kan bijzonder nuttig zijn omdat de gaskwaliteit zelden alleen door vocht wordt bepaald.

Bijvoorbeeld KSTONE'sKS30-3 SF₆-gasanalysatoris ontworpen voor routinematige tests van de SF₆-gaskwaliteit, waarbij metingen zoals SF₆-zuiverheid, dauwpunt en SO₂ in één instrument worden gecombineerd.

Voor toepassingen die verschillende gaskwaliteitsparameters vereisen, kan deKS30 modulaire SF₆-gasanalysatorseriekan worden geconfigureerd volgens de testvereisten van de klant.

8. Van vochtmeting naar gaskwaliteitsmanagement

Vochtbeheersing moet worden overwogen als onderdeel van een bredere strategie voor het beheer van SF₆-gas.

Een typische GIS/GIL-workflow voor gaskwaliteit kan het volgende omvatten:

Gasvulling → inbedrijfstellingsmeting → periodieke inspectie → gasterugwinning → testen van de gaskwaliteit → behandeling of zuivering → hergebruik

Tijdens deze processen helpt nauwkeurige vochtmeting ingenieurs om te bepalen of SF₆-gas geschikt is voor voortgezet gebruik of verdere behandeling vereist.

In combinatie met SF₆-terugwinnings- en gasverwerkingsapparatuur kan vochtanalyse ook helpen een systematischer gasbeheer te ondersteunen en onnodige SF₆-verliezen te verminderen.

Conclusie

Het berekenen van vocht in met SF₆ gevulde GIS- en GIL-apparatuur vereist meer dan alleen het aflezen van een getal uit een analysator.

Dauwpunt, ppmv, druk, temperatuur en gasvolume zijn nauw met elkaar verbonden, en elke parameter biedt verschillende informatie over de toestand van het gas.

Als de vochtconcentratie in ppmv bekend is, kan de ideale gasvergelijking worden gebruikt om de hoeveelheid waterdamp in de gasfase te schatten. Deze berekende waarde mag echter niet worden verward met de totale hoeveelheid vocht die zich in het gehele GIS- of GIL-systeem bevindt.

Voor betrouwbaar SF₆-gasbeheer zijn nauwkeurige metingen, consistente bemonsteringsomstandigheden en een juiste interpretatie van de resultaten essentieel.

KSTONE levert SF₆-gasanalysatoren en gasverwerkingsapparatuur voor GIS, GIL en andere SF₆-geïsoleerde elektrische apparatuur, ter ondersteuning van ingenieurs bijTesten, terugwinnen, behandelen en hergebruik van SF₆-gaskwaliteit.