Eine SF6-isolierte Schaltanlage soll nach einer Wartung wieder befüllt werden. In den Anlagendaten ist beispielsweise ein definierter Fülldruck bezogen auf 20 °C angegeben. Während der Befüllung herrschen jedoch nur 8 °C Umgebungstemperatur und das angeschlossene Manometer zeigt einen niedrigeren Druck als der angegebene Sollwert. Muss nun weiter SF6 eingefüllt werden, bis das Manometer exakt den angegebenen Wert erreicht?
Genau hier entsteht in der Praxis eine wichtige Verwechslungsgefahr. Der unmittelbar gemessene Gasdruck ist temperaturabhängig. Wird SF6 bei konstanter Gasmenge erwärmt, steigt der Druck. Kühlt das Gas ab, sinkt der Druck. Die tatsächlich im geschlossenen Gasraum vorhandene Gasmenge beziehungsweise Gasdichte kann dabei unverändert bleiben.
Deshalb werden Füllzustände von SF6-Schaltanlagen häufig auf eine definierte Referenztemperatur – typischerweise 20 °C – bezogen. Ein Gasdichtewächter berücksichtigt den Temperatureinfluss und zeigt einen temperaturkompensierten Zustand an. Ein normales Manometer zeigt dagegen grundsätzlich den aktuell vorhandenen Druck unter den momentanen Bedingungen.
Beim Befüllen einer SF6-Anlage müssen deshalb drei Größen eindeutig voneinander getrennt werden: der momentan tatsächlich vorhandene Gasdruck, die aktuelle Gastemperatur und der daraus resultierende beziehungsweise temperaturkompensierte Füllzustand. Wer einen auf 20 °C bezogenen Sollwert ohne Temperaturkorrektur direkt mit einem normalen Manometer vergleicht, kann die Anlage falsch befüllen.
Warum ändert sich der SF6-Gasdruck mit der Temperatur?
Der Druck eines eingeschlossenen Gases hängt unter anderem von Temperatur, Gasmenge und Volumen ab. Wird ein geschlossener SF6-Gasraum erwärmt, steigt der Druck, obwohl kein zusätzliches Gas eingefüllt wurde. Sinkt die Temperatur, fällt der Druck entsprechend.
Bei einer Schaltanlage kann deshalb morgens bei niedriger Außentemperatur ein anderer Rohdruck gemessen werden als am Nachmittag, obwohl die Anlage vollständig dicht ist. Eine reine Druckmessung kann diese Temperaturänderung nicht von einem tatsächlichen Gasverlust unterscheiden.
Gerade beim Befüllen ist dieser Zusammenhang wichtig. Wird ein bei niedriger Temperatur gemessener Druck ohne Temperaturbezug direkt mit einem Sollwert für 20 °C verglichen, kann ein scheinbares Defizit entstehen, obwohl bereits die richtige Gasmenge vorhanden ist.
Was ist der Unterschied zwischen Gasdruck und Gasdichte?
Der Gasdruck beschreibt die mechanische Druckwirkung des Gases unter den aktuell herrschenden Bedingungen. Die Gasdichte beschreibt dagegen vereinfacht die vorhandene Gasmasse bezogen auf das Volumen des Gasraums.
| Größe | Abhängigkeit von Temperatur | Bedeutung für SF6-Anlagen |
|---|---|---|
| Aktueller Gasdruck | Ändert sich deutlich mit der Gastemperatur | Momentaner physikalischer Druck im Gasraum |
| Gastemperatur | Ändert sich mit Umgebung und Betriebszustand | Wird für die Bewertung des Gaszustandes benötigt |
| Gasdichte | Bei geschlossenem, konstantem Gasraum wesentlich weniger temperaturabhängig | Maß für den tatsächlichen Gasfüllzustand |
| Auf 20 °C bezogener Druck | Temperaturkompensierte Vergleichsgröße | Erleichtert die einheitliche Beurteilung des Füllzustandes |
Für die Betriebssicherheit gasisolierter Schaltanlagen ist vor allem entscheidend, dass die erforderliche Gasmenge beziehungsweise Gasdichte vorhanden ist. Deshalb werden zur permanenten Überwachung Gasdichtewächter und Gasdichtesensoren eingesetzt.
Was bedeutet „Fülldruck bezogen auf 20 °C“?
Ein in den technischen Unterlagen angegebener SF6-Fülldruck wird häufig auf eine Referenztemperatur von 20 °C bezogen. Diese Angabe beschreibt den Gaszustand, den die Anlage bei 20 °C besitzen würde.
Sie bedeutet nicht automatisch, dass ein gewöhnliches Manometer bei jeder tatsächlichen Gastemperatur exakt denselben Druck anzeigen muss.
Befindet sich das Gas beispielsweise deutlich unter 20 °C, liegt der momentan gemessene Druck bei gleicher Gasmenge niedriger. Bei einer Temperatur oberhalb von 20 °C liegt er entsprechend höher.
Deshalb muss vor dem Befüllen eindeutig geklärt werden, worauf sich die Vorgabe in den Anlagendaten bezieht:
- aktueller Druck bei einer definierten Temperatur,
- auf 20 °C kompensierter Druck,
- Gasdichte,
- absoluter oder relativer Druck,
- beziehungsweise eine herstellerspezifische Füllvorgabe.
Was muss beim Befüllen tatsächlich eingestellt werden?
Maßgeblich ist immer der vom Anlagenhersteller spezifizierte Füllzustand und das dafür vorgegebene Verfahren. Liegt eine Füllvorgabe bezogen auf 20 °C vor, muss die tatsächliche Gastemperatur beim Befüllen berücksichtigt werden.
Dafür kann beispielsweise eine vom Hersteller vorgegebene Druck-Temperatur-Tabelle, ein entsprechendes Berechnungsverfahren oder ein geeignetes temperaturkompensiertes Messsystem verwendet werden.
Eine pauschale Vorgehensweise nach dem Muster „Gas einfüllen, bis das normale Manometer den auf dem Typenschild angegebenen Druck erreicht“ ist insbesondere bei deutlich von 20 °C abweichenden Temperaturen nicht ausreichend.
Auch die konkrete Gasart muss berücksichtigt werden. Druck-Temperatur-Zusammenhänge für reines SF6 dürfen nicht ohne Prüfung auf alternative Isoliergase oder Gasgemische übertragen werden.
Was zeigt ein Gasdichtewächter an?
Ein Gasdichtewächter ist kein gewöhnliches Prozessmanometer. Sein Messsystem ist so ausgelegt, dass temperaturbedingte Druckänderungen kompensiert werden.
Der WIKA GDM-100 zeigt beispielsweise den Druck bezogen auf eine Referenztemperatur von 20 °C an. Sinkt die Außentemperatur, fällt zwar der tatsächliche physikalische Druck im Gasraum, die Anzeige des Gasdichtewächters soll bei unveränderter Gasmenge jedoch weitgehend stabil bleiben.
Sinkt dagegen tatsächlich die Gasmenge, reduziert sich auch der temperaturkompensierte Wert. Über integrierte Schaltkontakte können anschließend beispielsweise Warn- und Alarmmeldungen erzeugt werden.
Dadurch eignet sich ein Gasdichtewächter wesentlich besser zur langfristigen Füllstands- beziehungsweise Leckageüberwachung als ein gewöhnliches Manometer.
Warum kann ein normales Manometer einen anderen Wert anzeigen?
Während Service- und Befüllarbeiten wird häufig zusätzlich ein Manometer in der Füllleitung oder am Servicegerät verwendet. Dieses Messgerät erfasst den aktuell vorhandenen Druck.
Ein Gasdichtewächter kann gleichzeitig einen auf 20 °C kompensierten Wert anzeigen. Beide Geräte können daher unterschiedliche Zahlenwerte anzeigen und trotzdem technisch korrekt arbeiten.
| Messgerät | Typischer Messwert | Temperaturkompensation |
|---|---|---|
| Normales Manometer | Momentaner Gasdruck | Nein |
| Referenzdrucksensor | Momentaner Gasdruck | Normalerweise nein |
| Gasdichtewächter | Temperaturkompensierter Gaszustand beziehungsweise Druck bezogen auf Referenztemperatur | Ja |
| Elektronischer Gasdichtesensor | Gasdichte beziehungsweise daraus abgeleitete kompensierte Werte | Ja |
Vor einer Fehlersuche muss deshalb immer geklärt werden, welche physikalische Größe die jeweilige Anzeige tatsächlich darstellt.
Welche Temperatur ist für die Beurteilung relevant?
Für die Gaszustandsbewertung ist die tatsächliche Temperatur des SF6 relevant. Diese entspricht insbesondere unmittelbar während eines schnellen Füllvorgangs nicht zwangsläufig exakt der gemessenen Umgebungstemperatur.
Beim Einströmen und bei Druckänderungen kann sich das Gas thermisch verändern. Gleichzeitig besitzen Gasbehälter, Rohrleitungen und Schaltanlage eine erhebliche thermische Masse. Nach einer Befüllung kann deshalb eine gewisse Zeit erforderlich sein, bis sich ein weitgehend stabiler Temperaturzustand eingestellt hat.
Bei einer präzisen Befüllung sollte daher das vom Anlagen- beziehungsweise Gerätehersteller vorgegebene Verfahren für Temperaturerfassung und Stabilisierung eingehalten werden.
Warum sollte sich das Gas nach dem Befüllen stabilisieren?
Während eines schnellen Füllvorgangs kann sich der gemessene Druck verändern, obwohl bereits keine weitere Gasmasse zugeführt wird. Ursache können Temperaturausgleich und Druckverteilung innerhalb des Gasraumes sein.
Wird unmittelbar nach dem Schließen des Füllventils ein Endwert abgelesen und ohne Stabilisierung bewertet, kann der spätere Gleichgewichtszustand davon abweichen.
Besonders bei größeren Gasräumen sollte deshalb ausreichend Zeit für Druck- und Temperaturausgleich vorgesehen und anschließend der endgültige Füllzustand erneut geprüft werden.
Wie lange diese Stabilisierung dauert, hängt von Anlagenvolumen, Temperaturdifferenz, Befüllgeschwindigkeit und konstruktivem Aufbau ab.
Wie kann eine Überfüllung entstehen?
Eine typische Fehlinterpretation kann bei niedriger Umgebungstemperatur entstehen. Der aktuelle Druck liegt aufgrund der kalten Gasfüllung unter dem auf 20 °C bezogenen Nennwert.
Wird nun so lange SF6 nachgefüllt, bis ein normales Manometer exakt den für 20 °C angegebenen Zahlenwert erreicht, kann sich zu viel Gas im Gasraum befinden.
Erwärmt sich die Schaltanlage später, steigt der tatsächliche Druck entsprechend an. Deshalb müssen neben dem vorgesehenen Füllzustand auch die zulässigen Betriebs- und Auslegungsdrücke berücksichtigt werden.
Der Füllvorgang sollte daher nicht anhand eines einzelnen unkompensierten Druckwertes durchgeführt werden, wenn dieser Wert nicht ausdrücklich für die aktuelle Temperatur vorgegeben wurde.
Wie kann eine Unterfüllung entstehen?
Die umgekehrte Fehlinterpretation kann bei hoher Gastemperatur auftreten. Ein warmer Gasraum besitzt bei gleicher Gasmenge einen höheren Druck.
Wird lediglich geprüft, ob der aktuelle Druck scheinbar den gewünschten Wert erreicht, kann der tatsächliche Gasfüllzustand zu niedrig sein. Nach dem späteren Abkühlen fällt der Druck deutlich und ein Gasdichtewächter kann eine Warnstufe erreichen.
Auch hier zeigt sich, warum ein temperaturkompensierter Referenzzustand für die Befüllung wesentlich aussagekräftiger ist als ein einzelner Druckwert ohne Temperaturbezug.
Welche Rolle spielen Feuchte und Gasqualität?
Der richtige Druck beziehungsweise die richtige Gasdichte allein bestätigt noch nicht, dass die Gasfüllung qualitativ einwandfrei ist. Bei SF6-Servicearbeiten sind auch Feuchte, Reinheit und mögliche Zersetzungsprodukte relevante Größen.
Zu hohe Feuchte kann insbesondere die elektrischen Eigenschaften des Isolationssystems beeinträchtigen und unter ungünstigen Bedingungen zur Bildung unerwünschter Reaktionsprodukte beitragen.
Deshalb werden bei Wartungsarbeiten je nach Anlagenanforderung zusätzlich SF6-Analysegeräte eingesetzt, mit denen beispielsweise Feuchte, Reinheit und Zersetzungsprodukte überprüft werden können.
Gasdichte und Gasqualität beantworten somit unterschiedliche Fragen:
- Gasdichte: Ist ausreichend Gasmasse im vorgesehenen Gasraum vorhanden?
- Feuchte und Reinheit: Besitzt das vorhandene Gas die erforderliche Qualität?
Praxisbeispiel: Befüllung bei niedriger Umgebungstemperatur
Eine SF6-Schaltanlage wird nach Wartungsarbeiten bei niedriger Außentemperatur wieder in Betrieb genommen. Auf dem Typenschild beziehungsweise in der Anlagendokumentation ist der Sollfüllzustand auf 20 °C bezogen.
Während der Befüllung zeigt ein normales Referenzmanometer einen niedrigeren Wert als dieser Nennwert. Gleichzeitig befindet sich der Gasdichtewächter bereits in der vorgesehenen Betriebsposition.
Würde der Techniker ausschließlich das Manometer betrachten und weiter Gas zuführen, bis der Zahlenwert des 20-°C-Nennwertes erreicht ist, könnte die Anlage überfüllt werden.
Stattdessen wird zunächst geprüft, welcher aktuelle Druck bei der vorhandenen Gastemperatur dem geforderten Referenzfüllzustand entspricht. Dafür werden die dafür vorgesehenen Herstellerdaten beziehungsweise ein geeignetes temperaturkompensiertes Messverfahren verwendet.
Nach Beendigung des Füllvorganges wird ausreichend Zeit für den thermischen Ausgleich vorgesehen und anschließend der Zustand erneut kontrolliert.
Entscheidend ist also nicht, dass zwei unterschiedliche Anzeigen denselben Zahlenwert zeigen. Entscheidend ist, dass beide Messwerte unter Berücksichtigung ihrer Messgröße und ihres Temperaturbezuges denselben physikalischen Gaszustand beschreiben.
Systematischer Befüll- und Prüfablauf
- Herstellerangaben der Schaltanlage prüfen: Sollfüllzustand, Referenztemperatur und zulässige Druckgrenzen eindeutig feststellen.
- Prüfen, welche Gasart beziehungsweise welches Gasgemisch verwendet werden muss.
- Gasraum entsprechend dem vorgeschriebenen Verfahren evakuieren beziehungsweise vorbereiten.
- Geeignetes SF6-Servicegerät, Schläuche, Kupplungen und Messgeräte verwenden.
- Vor dem Befüllen klären, ob die verwendete Anzeige aktuellen Druck oder temperaturkompensierten Gaszustand darstellt.
- Aktuelle Gastemperatur beziehungsweise die nach Herstellervorgabe relevante Temperatur berücksichtigen.
- Gas kontrolliert bis zum für diese Bedingungen vorgesehenen Füllzustand einbringen.
- Nach dem Befüllen Druck- und Temperaturausgleich abwarten.
- Temperaturkompensierte Anzeige beziehungsweise Gasdichte erneut kontrollieren.
- Serviceanschlüsse und Kupplungen auf Dichtheit prüfen.
- Bei Bedarf Feuchte, Reinheit und Zersetzungsprodukte des SF6 kontrollieren.
- Endzustand und verwendete Gasmenge beziehungsweise relevante Servicewerte dokumentieren.
Häufige Fehler
- Auf 20 °C bezogenen Fülldruck direkt am normalen Manometer einstellen: Bei einer anderen Gastemperatur kann dies zu Über- oder Unterfüllung führen.
- Gasdichtewächter wie ein normales Manometer behandeln: Seine Anzeige ist temperaturkompensiert und besitzt daher eine andere Bedeutung.
- Umgebungstemperatur automatisch mit Gastemperatur gleichsetzen: Besonders während und unmittelbar nach dem Befüllen können Unterschiede bestehen.
- Direkt nach dem Befüllen den endgültigen Wert beurteilen: Thermischer und pneumatischer Ausgleich kann den Messwert anschließend verändern.
- Gasgemische mit einer SF6-Kennlinie bewerten: Die Temperaturkompensation muss zur konkreten Gaszusammensetzung passen.
- Gasdichte mit Gasqualität gleichsetzen: Eine korrekte Gasdichte sagt nichts über Feuchte oder Reinheit aus.
- Nur eine Anzeige betrachten: Bei widersprüchlichen Werten muss zunächst geklärt werden, welche Messgröße und welcher Temperaturbezug verwendet werden.
- Nachfüllen, ohne die Ursache eines niedrigen Dichtewertes zu untersuchen: Bei tatsächlichem Gasverlust sollte zunächst die Dichtheit der Anlage bewertet werden.
WIKA SF6-Messtechnik und Service-Equipment
Für die kontinuierliche Überwachung des Gasfüllzustandes einer SF6-isolierten Anlage eignet sich beispielsweise der WIKA GDM-100 Gasdichtewächter. Er kombiniert eine örtliche temperaturkompensierte Anzeige mit elektrischen Schaltkontakten für definierte Warn- beziehungsweise Alarmstufen.
Die Vor-Ort-Anzeige des GDM-100 stellt den Gaszustand als Druck bezogen auf 20 °C dar. Dadurch können normale temperaturbedingte Druckänderungen weitgehend von einem tatsächlichen Verlust der Gasmenge unterschieden werden.
Für Befüll-, Evakuierungs-, Rückgewinnungs- und Aufbereitungsarbeiten stehen spezielle SF6-Servicegeräte zur Verfügung. Ein Beispiel ist das WIKA GPU-B-2000. Das Gerät ist für das Befüllen, Absaugen, Evakuieren und Aufbereiten von SF6-Gasräumen ausgelegt und ermöglicht einen kontrollierten geschlossenen Serviceprozess.
Passende Geräte und Komponenten finden Sie unter SF6-Gas-Lösungen bei ICS Schneider. Weitere Informationen finden Sie beim WIKA GDM-100 Gasdichtewächter sowie beim WIKA GPU-B-2000 SF6-Servicegerät.
Fazit
Beim Befüllen einer SF6-isolierten Schaltanlage darf der unmittelbar gemessene Gasdruck nicht automatisch mit dem spezifizierten Gasfüllzustand gleichgesetzt werden. Der aktuelle Druck verändert sich mit der Temperatur, auch wenn die im Gasraum vorhandene Gasmenge unverändert bleibt.
Deshalb werden Füllzustände häufig auf eine definierte Referenztemperatur von 20 °C bezogen. Ein Gasdichtewächter kompensiert den Temperatureinfluss und ermöglicht dadurch eine wesentlich zuverlässigere Bewertung der vorhandenen Gasmenge.
Ein normales Manometer und ein Gasdichtewächter können bei derselben Anlage unterschiedliche Zahlenwerte anzeigen, ohne dass eines der Geräte fehlerhaft sein muss. Entscheidend ist zu verstehen, welche Messgröße jeweils dargestellt wird.
Gerade während des Befüllens müssen zusätzlich Gastemperatur, thermischer Ausgleich und die Vorgaben des Anlagenherstellers berücksichtigt werden. Ein bei niedriger Temperatur unkritisch wirkender Druck kann nach Erwärmung deutlich steigen. Umgekehrt kann ein warmer Gasraum einen zu geringen tatsächlichen Füllzustand zunächst verdecken.
Für eine zuverlässige SF6-Befüllung gilt daher: aktuellen Gasdruck, Gastemperatur und temperaturkompensierten Füllzustand konsequent voneinander unterscheiden, den Sollwert immer mit seinem Temperaturbezug interpretieren und den endgültigen Gaszustand erst nach einem geeigneten Druck- und Temperaturausgleich beurteilen.
FAQ: SF6-Gasdruck und Gasdichte beim Befüllen
Was ist der Unterschied zwischen SF6-Gasdruck und Gasdichte?
Der Gasdruck beschreibt den aktuell vorhandenen Druck und verändert sich mit der Temperatur. Die Gasdichte beschreibt die vorhandene Gasmasse bezogen auf das Volumen und eignet sich deshalb besser zur Bewertung des tatsächlichen Füllzustandes.
Warum wird der SF6-Fülldruck häufig auf 20 °C bezogen?
Durch die Referenztemperatur lassen sich Gasfüllzustände unabhängig von unterschiedlichen Umgebungstemperaturen miteinander vergleichen. Ein auf 20 °C bezogener Wert beschreibt den Zustand, den die Gasfüllung bei dieser Referenztemperatur besitzen würde.
Muss ein normales Manometer beim Befüllen immer den auf 20 °C angegebenen Fülldruck anzeigen?
Nein. Liegt die tatsächliche Gastemperatur nicht bei 20 °C, kann der momentan gemessene Druck davon abweichen. Der erforderliche Wert muss entsprechend den Vorgaben des Anlagenherstellers temperaturbezogen bewertet werden.
Was zeigt ein SF6-Gasdichtewächter an?
Ein Gasdichtewächter kompensiert temperaturbedingte Druckänderungen. Je nach Ausführung zeigt er beispielsweise einen auf 20 °C bezogenen Druck oder einen direkt aus dem Gaszustand abgeleiteten Dichtewert an.
Warum zeigt der Gasdichtewächter einen anderen Wert als das Service-Manometer?
Das Service-Manometer misst typischerweise den aktuellen Gasdruck, während der Gasdichtewächter einen temperaturkompensierten Wert darstellt. Beide Werte können daher unterschiedlich sein und trotzdem denselben Gaszustand korrekt beschreiben.
Kann eine SF6-Anlage bei kaltem Wetter überfüllt werden?
Ja. Wird bei niedriger Gastemperatur ein für 20 °C spezifizierter Druck ohne Temperaturkorrektur direkt am normalen Manometer eingestellt, kann zu viel Gas eingefüllt werden. Bei späterer Erwärmung steigt der Druck entsprechend.
Kann eine warme SF6-Anlage trotz scheinbar richtigem Druck unterfüllt sein?
Ja. Eine höhere Gastemperatur erhöht den aktuellen Druck. Dadurch kann ein zu geringer Gasfüllzustand beim Blick auf ein gewöhnliches Manometer zunächst unauffällig erscheinen.
Warum sollte man nach dem Befüllen mit der Endkontrolle warten?
Während des Befüllens können sich Gas und Anlage thermisch verändern. Nach dem Füllvorgang benötigen Druck und Temperatur Zeit, um sich auszugleichen. Erst anschließend lässt sich der endgültige Füllzustand zuverlässig beurteilen.
Sagt die richtige Gasdichte auch etwas über die SF6-Feuchte aus?
Nein. Gasdichte und Gasqualität sind unterschiedliche Größen. Die Gasdichte beschreibt den Füllzustand, während Feuchte, Reinheit und Zersetzungsprodukte mit geeigneten SF6-Analysegeräten separat beurteilt werden.
Welches konkrete Gerät eignet sich zur SF6-Gasdichteüberwachung?
Ein typisches Beispiel ist der WIKA GDM-100 Gasdichtewächter. Er bietet eine temperaturkompensierte Vor-Ort-Anzeige und elektrische Schaltkontakte zur Überwachung definierter Gasdichtegrenzen.
Welches Gerät eignet sich für das Befüllen einer SF6-Schaltanlage?
Für professionelle Servicearbeiten können spezielle SF6-Servicegeräte wie das WIKA GPU-B-2000 eingesetzt werden. Sie sind für kontrolliertes Befüllen, Evakuieren, Absaugen und Aufbereiten von SF6-Gas ausgelegt.