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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Befüllung eines gasisolierten elektrischen Mittel- oder Hochspannungsgerätes mit einem aus einem Isolierfluid und einem Trägergas gebildeten Gasgemisch. Das System umfasst dabei eine Beförderungseinrichtung zum Befördern von flüssigem Isolierfluid aus einem Vorratsbehälter, einen mit der Beförderungseinrichtung verbundenen Verdampfer zum Verdampfen des Isolierfluids, und einen mit der Beförderungseinrichtung verbundenen Mischer zum Mischen des Isolierfluids mit dem Trägergas, wobei mindestens eine Zuführleitung vorgesehen ist, um das entstehende Isoliergasgemisch einem zum Mittel- oder Hochspannungsgerät gehörenden Gasbehälter zuzuführen.
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Unter einem gasisolierten elektrischen Mittel- oder Hochspannungsgerät wird insbesondere verstanden eine im Mittelspannungsbereich zwischen 1 und 50 kV bzw. im Hochspannungsbereich oberhalb von 50 kV arbeitende gasisolierte Schaltanlage (GIS), ein gasisolierter Transformator (GIT) oder eine gasisolierte Ringkabel-Schaltanlage (Ring Main Unit, RMU). Bei diesen Mittel- bzw. Hochspannungsgeräten wird ein Isoliergas anstelle von Luft verwendet, um die Abstände zwischen den spannungsführenden Teilen und damit den benötigten Bauraum verringern zu können. In gasisolierten elektrischen Mittel- oder Hochspannungsgeräten wird heute im Allgemeinen Schwefelhexafluorid (SF6) als Isoliergas eingesetzt. Aufgrund seiner unerwünschten Wirkung als Treibhausgas gibt es jedoch Bestrebungen, SF6 durch alternative Isolierstoffe zu ersetzen. So ist es kürzlich gelungen, ein deutlich umweltschonenderes Gasgemisch zu finden, welches ähnliche Isolationseigenschaften aufweist wie das bisher genutzte SF6.
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In dem Artikel „Investigation of the insulation performance of a new gas mixture with extremely low GWP”, von J.D. Mantilla et al, veröffentlicht auf der 2014 Electrical Insulation Conference, Philadelphia, Pennsylvania, USA, 8. bis 11. Juni 2014, wird ein Gasgemisch beschrieben, welches perfluorierte Ketone (PFK) enthält sowie technische Luft oder CO2 als Trägergas. Das Gasgemisch weist eine zu SF6 vergleichbare Durchschlagsfestigkeit auf, sowohl bei 50 oder 60 Hz Wechselspannungsbeanspruchung als auch bei Blitzstoßspannung. Unter dem Begriff „technische Luft“ wird dabei ein Gasgemisch vordefinierter Zusammensetzung verstanden, welches im Wesentlichen Sauerstoff und Stickstoff enthält. Ein Trägergas wird benötigt, da die perfluorierten Ketone, im Folgenden Fluorketone genannt, bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegen.
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Eine Alternative zu obigem Gasgemisch wird beschrieben in dem auf www.think-grid.org erschienen Artikel „In search of an SF6 replacement“. Das dortige Gasgemisch basiert auf einem Fluornitril. Weitere alternative Isoliergase bzw. Isoliergasgemische können der
WO 2008/073790 entnommen werden.
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Im Folgenden wird deshalb von einem Isoliergasgemisch ausgegangen, welches ein so genanntes Isolierfluid sowie ein Trägergas enthält. Das Isolierfluid stellt den für die resultierenden dielektrischen Eigenschaften das Gasgemisches bedeutenden Anteil dar. Bevorzugt ist das Isolierfluid ein Fluorketon oder ein Fluornitril.
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Will man eines der beschriebenen Gasgemische bei gasisolierten elektrischen Mittel- oder Hochspannungsgeräten, insbesondere Schaltanlagen, einsetzen, muss ein Weg gefunden werden, wie das Mittel- oder Hochspannungsgerät am Produktionsstandort bzw. am Ort seiner Inbetriebnahme schnell und präzise mit dem Gasgemisch befüllt werden kann. Da das Gasgemisch nicht in großen Mengen industriell vorgefertigt und lagerfertig zur Verfügung steht und da es vorteilhafterweise an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden sollte, wird es direkt vor Ort durch entsprechendes Mischen seiner Einzelkomponenten hergestellt.
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Aus der
WO 2014/037031 A1 sind ein Verfahren und eine Anlage zum Befüllen eines Hochspannungsgerätes mit einem Isoliergasgemisch bekannt. Die Anlage enthält einen Mischer zum geregelten Mischen von wenigstens zwei Fluiden, wobei deren Mischverhältnis sensorisch bestimmt wird und der Mischvorgang anhand des bestimmten Mischverhältnisses so geregelt wird, dass die Kondensationstemperatur der zu mischenden Fluide unterhalb der Temperatur beim Befüllen der Anlage ist. Auf diese Weise wird vermieden, dass eines oder mehrere der wenigstens zwei Fluide beim Befüllen der GIS auskondensieren, was zu einer unerwünschten Änderung des Mischverhältnisses führen würde.
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Die
WO 2014/037031 A1 beschreibt, dass das eine der beiden Fluide ein perfluoriertes Keton (PFK) C5 sein kann, welches bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegt. Mittels einer Förderpumpe wird das flüssige PFK von einem Vorratsbehälter zu dem Mischer befördert, dort mittels einer Heizeinrichtung verdampft sowie mit dem anderen Fluid, welches beispielsweise aus 95% CO
2 und 5% O
2 bestehen kann, vermischt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ausgehend von einem System der eingangs genannten Art eine alternative Lösung dafür anzugeben, wie ein gasisoliertes elektrisches Mittel- oder Hochspannungsgerät mit einem Isoliergasgemisch befüllt werden kann.
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Dieses Ziel wird mit einem System sowie einem Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen erreicht.
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Grundlage der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis, dass es bei Verwendung einer Pumpe zur Beförderung des flüssigen Isolierfluids vom Vorratsbehälter zum Verdampfer zu Druckoszillationen und somit zu unerwünschten Schwankungen in der geförderten Flüssigkeitsmenge kommen kann. Dies geschieht u.a. aufgrund von Kavitationen, die durch den von der Pumpe erzeugten Unterdruck in der Isolierflüssigkeit erzeugt werden.
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Zur Vermeidung dieser Probleme ist die Beförderungseinrichtung zur Beförderung des flüssigen Isolierfluids vom Vorratsbehälter zum Verdampfer erfindungsgemäß nicht durch eine oder mehrere Pumpen realisiert. Stattdessen enthält die Beförderungseinrichtung als wesentliche Elemente ein in das flüssige Isolierfluid und damit den Vorratsbehälter eingelassenes Tauchrohr sowie eine innerhalb des Vorratsbehälters und oberhalb des flüssigen Isolierfluids endende Gaszufuhrleitung. Das aus dem Vorratsbehälter herausragende Ende des Tauchrohrs ist dabei mit dem Verdampfer verbunden. Zur Beförderung des flüssigen Isolierfluids aus dem Vorratsbehälter hin in Richtung Verdampfer wird ein mit einem Förderdruck beaufschlagtes Fördergas in die Gaszufuhrleitung geleitet, wodurch es auf die Flüssigkeitsoberfläche des Isolierfluids den Förderdruck ausübt. Dementsprechend wird das Isolierfluid in das in der Flüssigkeit befindliche Ende des Tauchrohrs hinein- und an seinem zum Verdampfer hinführenden Ende herausgedrückt.
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Aufgrund der Druckausübung auf das flüssige Isolierfluid wird erreicht, dass sich das Isolierfluid ohne eigene Pumpe in Richtung des Verdampfers bewegt, wobei der Druck des aus dem Tauchrohr austretenden Isolierfluids dem Förderdruck entspricht. Wird der Förderdruck konstant gehalten, ist auch der Druck des Isolierfluids konstant, so dass die oben beschriebenen Druckoszillationen vermieden werden können.
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Die vorgeschlagene Anordnung ermöglicht darüber hinaus eine direkte Verwendung der industriellen Flaschen, in denen das flüssige Isolierfluid üblicherweise geliefert wird, als Vorratsbehälter, da das Tauchrohr und die Gaszufuhrleitung ohne viel Aufwand in die normalerweise vorhandene Flaschenöffnung eingebracht werden können. Mit der Anordnung kann dann in frei wählbarer Weise der Druck eines frei wählbaren Fördergases eingestellt werden.
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Vorteilhafterweise kann zwischen der Oberfläche des flüssigen Isolierfluids und dem in den Vorratsbehälter hineinragenden Ende der Gaszufuhrleitung eine gasundurchlässige Membran angeordnet sein, welche verhindert, dass das Fördergas mit dem flüssigen Isolierfluid in direkten Kontakt kommt und sich in diesem löst.
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Die Membran kann beispielsweise Bestandteil eines im Vorratsbehälter angeordneten Faltenbalgs sein, der sich mit abnehmendem Flüssigkeitsstand im Vorratsbehälter analog dazu mitbewegt, so dass die Membran sich stets dicht oberhalb der Oberfläche des Fluids befindet.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems kann der Ausgang des Mischers über eine beheizte Leitung mit dem zum Mittel- oder Hochspannungsgerät gehörenden Gasbehälter verbunden sein, wodurch eine auch partielle Kondensation des aus dem Mischer austretenden Isoliergasgemisches vermieden wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen System kann nachfolgendes Verfahren zur Befüllung eines gasisolierten elektrischen Mittel- oder Hochspannungsgerätes mit einem aus Isolierfluid und Trägergas bestehenden Isoliergasgemisch realisiert werden:
- • Beaufschlagen eines Fördergases mit einem Förderdruck,
- • Einleiten des druckbeaufschlagten Fördergases in einen Vorratsbehälter für flüssiges Isolierfluid durch eine innerhalb des Vorratsbehälters und oberhalb des flüssigen Isolierfluids endende Gaszufuhrleitung,
- • Ermöglichen des Austritts des flüssigen Isolierfluids aus dem Vorratsbehälter durch ein Tauchrohr hindurch, hin zu einem Verdampfer,
- • Verdampfen des Isolierfluids mittels des Verdampfers,
- • Mischen des durch den Verdampfer erzeugten gasförmigen Isolierfluids mit dem Trägergas (wobei der Mischer dem Verdampfer sowohl nach- als auch vorgeschaltet sein kann), und
- • Befördern des dabei entstehenden Isoliergasgemisches in einen zum Mittel- oder Hochspannungsgerät gehörenden Gasbehälter.
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Bevorzugt wird der Förderdruck mit einem Wert vorgegeben, welcher ungefähr gleich dem Befülldruck des Gasbehälters des Mittel- oder Hochspannungsgerätes ist. Auf diese Weise kann auf weitere Pumpen bzw. Druckregeleinrichtungen innerhalb des Systems zur Befüllung des Mittel- oder Hochspannungsgeräts verzichtet werden.
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Beispielhaft kann der Förderdruck mit einem Wert im Bereich von 5 bis 10 bar vorgegeben sein.
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Die Erfindung und eine mögliche Ausgestaltung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren erläutert, welche zeigen:
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1 ein beispielhaftes System zur Befüllung eines gasisolierten elektrischen Mittel- oder Hochspannungsgerätes mit einem Isoliergasgemisch, bei dem eine Pumpe Verwendung findet;
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2 eine Darstellung der Bestandteile, welche die Pumpe aus 1 erfindungsgemäß ersetzen.
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In 1 ist ein beispielhaftes System zur Befüllung eines gasisolierten elektrischen Hochspannungsgerätes mit einem Isoliergasgemisch zu sehen. Zu dem elektrischen Hochspannungsgerät, welches insbesondere eine gasisolierte Schaltanlage (GIS) oder ein gasisolierter Transformator (GIT) sein kann, gehört unter anderem ein Gasraum 1.
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In dem Gasraum 1 befinden sich spannungsführende Teile 2, und der Gasraum 1 wird über eine zum Zweck des Befüllvorgangs angeschlossene Befüll-Leitung B mit einem Isoliergasgemisch 3 gefüllt, wobei das Isoliergasgemisch 3 ein Isolierfluid, insbesondere Fluorketon oder Fluornitril, sowie ein Trägergas, insbesondere Kohlendioxid CO2, Sauerstoff O2, Stickstoff N2 oder Luft, enthält. Im dargestellten Beispiel ist das Isolierfluid das perfluorierte Keton PFK, und das Trägergas ist Sauerstoff O2.
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Das System zur Befüllung des Gasraums 1 umfasst eine Beförderungseinrichtung zum Befördern des flüssigen Isolierfluids 7 aus einem Vorratsbehälter 8, welche hier eine Membranpumpe 6 ist. Darüber hinaus gehört zu dem System ein mit der Pumpe 6 über eine Leitung 12 verbundener Mischverdampfer 5, wobei der Ausgang der Pumpe 6 mit einem ersten Eingang 20 des Mischverdampfers 5 verbunden ist. Anstelle eines Mischverdampfers können beliebige andere Verdampfer-Typen zum Einsatz kommen. Zwischen Pumpe 6 und Mischverdampfer 5 ist ein erster Massenflussregler 4 zwischengeschaltet, welcher zur Einstellung des gewünschten Massenflusses des Isolierfluids 7 (PFK) beim Eintritt in den Mischverdampfer 5 dient. Ein zweiter Eingang 21 des Mischverdampfers 5 ist mit einem zweiten Massenflussregler 10 verbunden, welcher den Massenfluss des beispielsweise direkt aus einer Gasflasche zugeführten Trägergases, hier des Sauerstoffs O2, auf einen beim Eintritt in den Mischverdampfer 5 gewünschten Wert einstellt. Sollte der Druck des Sauerstoffs beim Austritt aus der Gasflasche deutlich über dem Arbeitsdruck des hier beschriebenen Systems liegen, kann ein Flaschendruckminderer zum Einsatz kommen. In dem Mischverdampfer 5 wird das Isolierfluid 7 (PFK) verdampft und mit dem zugeführten Sauerstoff O2 gemischt, woraus das dem Gasraum 1 zuzuführende Isoliergasgemisch entsteht. Am Mischverdampfer 5 ist noch eine Entlüftung 19 dargestellt, und der Ausgang 22 des Mischverdampfers 5 ist in dem hier gezeigten Beispiel mit einem Überdruckventil 11 abgesichert.
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Wie in 1 gezeigt ist, kann der Ausgang 22 des Mischverdampfers 5 über eine beheizte Leitung 15 an die Befüll-Leitung B angeschlossen sein, worüber die Befüllung des Gasraums 1 mit dem aus dem Ausgang 22 austretenden Isoliergasgemisch 3 erfolgen kann. Die Beheizung der Leitung 15 verhindert dabei, dass das Isoliergasgemisch kondensiert bzw. partiell kondensiert, wobei insbesondere die Wiederverflüssigung des bei Raumtemperatur normalerweise in flüssiger Form vorliegenden Isolierfluids 7 (PFK) vermieden wird.
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Die Funktionsweisen des Mischverdampfers 5, des ersten und des zweiten Massenflussreglers 4 bzw. 10, sowie des Heizschlauches um die beheizte Leitung 15 werden über ein elektronisches Steuergerät 9 mit integriertem Datenprozessor gesteuert bzw. geregelt, wofür das Steuergerät 9 und die jeweiligen gesteuerten Geräte über Datenleitungen 23 miteinander verbunden sind.
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Dem Erfindungsgedanken folgend wird in dem beispielhaften System zur Befüllung eines gasisolierten elektrischen Hochspannungsgerätes mit einem Isoliergasgemisch nach 1 die Membranpumpe 6 ersetzt durch ein in das flüssige Isolierfluid 7 und damit den Vorratsbehälter 8 eingelassenes Tauchrohr 13 sowie eine innerhalb des Vorratsbehälters 8 und oberhalb des flüssigen Isolierfluids 7 endende Gaszufuhrleitung 14. Das Tauchrohr 13 ist dann anstelle der Membranpumpe 6 über die Leitung 12 mit dem ersten Massenflussregler 4 sowie mit dem Mischverdampfer 5 verbunden. In die Gaszufuhrleitung 14 ist ein mit einem Förderdruck beaufschlagtes Fördergas, hier Kohlendioxid CO2, leitbar.
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Durch Einleitung des Fördergases CO2 wird auf das flüssige Isolierfluid 7 der Förderdruck ausgeübt, welcher dazu führt, dass das Isolierfluid 7 (PFK) in das dem Boden des Vorratsbehälters 8 nahe liegende Ende des Tauchrohrs hinein und durch dieses hindurch aus dem Vorratsbehälter 8 herausbefördert wird und dass es anschließend innerhalb der Leitung 12 in Richtung Mischverdampfer 5 befördert wird.
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Zwischen der Oberfläche 16 des flüssigen Isolierfluids 7 und dem in den Vorratsbehälter 8 hineinragenden Ende 17 der Gaszufuhrleitung 14 ist in der beispielhaften Ausführung von 2 eine gasundurchlässige Membran 18 angeordnet, welche verhindert, dass das Fördergas CO2 mit dem flüssigen Isolierfluid 7 in direkten Kontakt kommt und sich in diesem löst.
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Die Membran 18 ist hierbei Bestandteil eines im Vorratsbehälter 8 angeordneten Faltenbalgs 24, der sich mit abnehmendem Flüssigkeitsstand im Vorratsbehälter 8 analog dazu mitbewegt, so dass die Membran 18 sich stets dicht oberhalb der Oberfläche 16 des Isolierfluids 7 befindet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/073790 [0004]
- WO 2014/037031 A1 [0007, 0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J.D. Mantilla et al, veröffentlicht auf der 2014 Electrical Insulation Conference, Philadelphia, Pennsylvania, USA, 8. bis 11. Juni 2014 [0003]