Infrarot-spektrometrische Spurengasbestimmung in für elektrische Schaltanlagen verwendetem Schwefelhexafluorid

Abstract

Seit mehr als 20 Jahren wird Schwefelhexafluorid (SF6) in zunehmenden Maße als Isolier- und Löschmedium in Hochspannungsanlagen eingesetzt. Die Ausnutzung der gegenüber Luft um einen Faktor von mehr als zwei höheren Durchschlagsfeldstärke erlaubt den volumenreduzierten Aufbau von Hochspannungsanlagen, womit der Platzbedarf gegenüber Freiluftanlagen erheblich verringert werden kann. Die hervorragenden Lichtbogenlöscheigenschaften gestatten insbesondere den Aufbau von Leistungsschaltern mit hohen Kurzschlußströmen.Trotz der hohen chemischen Inertheit des SF6-Gases werden solche Moleküle durch verschiedene elektrische Entladungen wie Teilentladungen, Funken oder Lichtbögen zersetzt. Die bei elektrischen Entladungen infolge verschiedener Mechanismen ionisierten oder dissozierten Moleküle rekombinieren weitgehend wieder zu SF6. Im übrigen ist die Fragmentierung von SF6 eine wichtige Vorraussetzung zum Löschen von Funken- und Bogenentladungen. Ein von den jeweiligen elektrischen Bedingungen abhängiger Anteil der Fragmente oder durch Elektronenanlagerung gebildete Ionen sind an zum Teil mehrstufigen Reaktionen beteiligt, wobei die Zwischen- und Endprodukte im nachfolgenden als SF6-Nebenprodukte bezeichnet werden. Dabei ist zwischen Primärreaktionen, die innerhalb von Sekunden ablaufen, und länger währenden Sekundärreaktionen zu unterscheiden. Die dabei entstehenden Nebenprodukte oder die durch Reaktion mit anderen Stoffen (z.B. Luft, Wasser, Elektrodenmaterialen) gebildeten Sekundärprodukte interessieren hinsichtlich ihrer korrosiven, toxischen und elektrischen Eigenschaften. Die wichtigsten, in höheren Konzentrationen vorkommenden Nebenprodukte in SF6 sind folgende Gase: SOF2, SOF4, SO2F2, SF4, S2F10, HF und SO2. Da bestimmte Verbindungen zum Nachweis der sie verursachenden elektrischen Entladungen herangezogen werden können, ist eine qualitative und weitergehende quantitative Bestimmung der Nebenprodukte sinnvoll. Zu den Auswirkungen von elektrischen Entladungen auf SF6 und verschiedene Elektrodenmaterialien wurden am Institut für Spektrochemie und angewandte Spektroskopie (ISAS) zahlreiche exemplarische Untersuchungen durchgeführt.Für die Gasanalytik ist die in dieser Arbeit eingesetzte Fourier-Transform-Infrarot (FTIR) -Spektroskopie eine besonders geeignete analytische Methode, da hiermit gasförmige Proben schnell und zerstörungsfrei analysiert werden können. Vorteilhaft ist die simultane Bestimmung einer Vielzahl von verschiedenen Komponenten. Da SF6 selbst ein infrarot-aktives Molekül mit intensiven Schwingungsbanden ist, ist die Auswahl geeigneter spektraler Bereiche, die zur quantitativen Analyse von Nebenprodukten herangezogen werden können, von besonderer Bedeutung. Spezielle Anstrengungen wurden hinsichtlich einer hohen photometrischen Genauigkeit bei der Spektrenmessung und Berechnung unternommen. Unter diesen Bedingungen werden die Grenzen der infrarotspektrometrischen Gasanalytik aufgezeigt.Zur Optimierung der quantitativen IR-spektrometrischen Mehrkomponentenanalytik wurden unterschiedliche Strategien zur multivariaten Kalibrierung unter Berücksichtigung bestimmter spektraler Intervalle bzw. mit weitergehender Variablenauswahl herangezogen. Die Experimente zur Spurengasanalytik wurden mit verschiedenen konventionellen Gasküvetten unterschiedlicher optischer Weglänge vorgenommen, wobei auch die Lebensdauern von reaktiven Nebenprodukten in solchen Küvetten untersucht worden sind. Weitere Entwicklungen betreffen die Miniaturisierung von Analysengeräten, wobei in-situ Messungen direkt vor Ort oder off-line Untersuchungen mit minimaler Gasprobenentnahme unter Verwendung von neuartiger IR-Faseroptik ermöglicht werden. Eine weitere, auf ihr Potential hin untersuchte Messtechnik ist die Kryomesstechnik, die erhebliche Vorteile bei der Bestimmung von reaktiven oder instabilen Komponenten hat. Die eingesetzte Kryomesstechnik wurde bei Temperaturen des flüssigen Stickstoffs betrieben, wobei analog zur Matrixisolationsspektroskopie das SF6 als Matrixgas genutzt wird.Um die Betriebszeit von Hochspannungsgeräten und -anlagen über die ursprünglich projektierte Lebensdauer hinaus zu verlängern, kann die routinemäßig betriebene Gasanalytik mittels FTIR-Spektroskopie einen wesentlichen Beitrag leisten. Die Qualitätssicherung des eingesetzten SF6-Isoliergases sowie eine vorzeitige Erkennung von Fehlern in gasisolierten Schaltanlagen sind hiermit möglich. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse liefern weiterhin die Grundlage für die Entwicklung von einfachen Analysensystemen, die z.B. auf schmalbandigen Interferenzfiltern oder dem Einsatz von IR-Diodenlasern (z.B. Quantenkaskadenlasern) basieren. Diese können als gasanalytische IR-Sensoren für bestimmte Nebenprodukte, z.B. für eine Leitkomponente wie SOF4, eingesetzt werden.