Transformatory w eksploatacji 2017

„Cykl życia” gazu SF6. Kompleksowe obsługa aplikacji wykorzystujących heksafluorek siarki

WIKA od ponad 40 lat rozwija produkty do monitoringu, analizy oraz obsługi gazu SF6. Obecnie ponad 1,5 milionów produktów dba o bezpieczeństwo urządzeń przesyłowych i dystrybuujących energię elektryczną na całym świecie. W artykule, w skrócie, przedstawione zostało portfolio produktowe WIKA i omówione zostały podstawowe zasady dokonywania pomiaru. Prezentowane urządzenia  wpisują się w koncepcję „cyklu życia” gazu SF6, jaka przyjęta została przez WIKA. Koncepcja zakłada, aby na każdym etapie: uruchomienie, normlana praca, konserwacja oraz serwis maszyny, możliwy był dokładny pomiar ilości i jakości gazu SF6 wypełniającego przedmiotową maszynę. Zgodnie z takim założeniem w artykule opisane zostały zarówno przykładowe urządzenia do napełniania i ewakuacji gazu,  monitoringu gęstości, analizy chemicznej, czy wykrywające wyciek gazu z maszyny.

WIKA swoją działalność rozpoczynała od produkcji ciśnieniomierzy oraz termometrów. W 1976 roku, wykorzystując swoje już kilkudziesięcioletnie doświadczenie w produkcji tych urządzeń, zaprezentowała pierwszy przyrząd do pomiaru gęstości gazu SF6 z kompensacją bimetaliczną, będący połączeniem obu technologii – pomiaru ciśnienia i temperatury. Od tego momentu, poprzez rozwój urządzeń oraz pozyskiwanie partnerów strategicznych, rozpoczął się wieloletni proces uzupełniania portfolio produktowego, którego celem stała się  kompleksowa obsługa klienta pracującego z gazem SF6, zgodnie z przyjętą przez WIKA koncepcją „cyklu życia” gazu SF6 (rys. 1). Ze względów bezpieczeństwa oraz negatywnego wpływy gazu na środowisko naturalne umiejętna obsługa gazu SF6 jest równie istotna na każdym etapie i w świetle przepisów prawa powinna dokonywać jej tylko przeszkolona kadra. Urządzenia WIKA pozwalają na dokładny jakościowy i ilościowy pomiar oraz pewną (szczelną) obsługę urządzeń izolowanych heksafluorkiem siarki na każdym etapie koncepcji „cyklu życia”.

Rysunek 1: Cykl życia gazu SF6. Zielone pola, wewnętrzy krąg: 1. Ewakuacja powietrza/azotu, 2. Analiza jakości, 3. Napełnianie gazem SF6, 4. Analiza jakości gazu, 5. Obsługa gazu SF6, 6. Ewakuacja gazu SF6. Szare pola, zewnętrzny krąg: 1. Uruchomienie, 2. Ciągłe monitorowanie warunków pracy, 3. Konserwacja/serwis

Do kontroli gęstości gazu SF6 (np. w komorze rozdzielnicy izolowanej gazem) stosuje się wskaźniki gęstości gazu. Przykładowy wskaźnik przedstawiono na rysunku rys. 2. Urządzenie mierzy ciśnienie gazu SF6 adaptując się do faktycznego „zachowania się” gazu poprzez uwzględnienie wpływu temperatury na jego ciśnienie.

 

Rysunek 2: Wskaźnik gęstości gazu SF6. Model GDI63

W tym celu we wskaźnikach montuje się elementy kompensujące wpływ temperatury. Zasada pomiaru takiego wskaźnika gęstości gazu przedstawiona została na rysunku 3.

 

Rysunek 3: Zasada pomiaru gęstości gazu SF6 wskaźnikiem gęstości z kompensacją temperatury.

W celu monitorowania pracy komory wypełnionej gazem i uzyskania zdalnej informacji zwrotnej, w postaci sygnału alarmowego, podczas spadku gęstości gazu SF6 poniżej określonej wartości, można zastosować monitory gęstości gazu, czyli wskaźniki gęstości gazu z elektrycznymi stykami przełączającymi (rys. 4) lub przełączniki gęstości gazu bez wskazania bieżącej wartości (rys. 5). W przypadku przełączników gęstości gazu, aby zapewnić dokładność punktu przełączania stosuje się zabudowaną w przełączniku, referencyjną komorę wypełnioną gazem SF6. Możliwy jest także ciągły pomiar parametrów gazu przy pomocy monitorów gęstości gazów z elektrycznym sygnałem wyjściowym lub przetworników gęstości gazu. W przypadku tych drugich, za pomocą jednego przyrządu możliwy jest pomiar jednej lub nawet 4 parametrów gazu znajdującego się w komorze. Urządzenie GDHT-20 przedstawione na rysunku 6 umożliwia jednoczesny pomiar gęstości, temperatury, wilgotności oraz ciśnienia, a dane przesyłane są za pomocą  protokołu Modbus®.

Rysunek 4: Monitor gęstości gazu ze stykami przełączającymi – model GDM-100

Rysunek 5: Przełącznik gęstości gazu. Model GDS-MV

Rysunek 6: Przetwornik gęstości, temperatury, ciśnienia oraz wilgotności gazu. Model GDHT-20

Wszystkie modele wykonane są z wysoce odpornych na produkty dekompozycji gazu SF6 materiałów, a ich obudowy są hermetyczne. W hermetycznie zabudowanym układzie pomiarowym brak jest negatywnego wpływu ciśnienia atmosferycznego na pomiar, dodatkowo nie występuje również kondensacja wilgotność.

W celu określenia kondycji urządzenia wypełnionego heksafluorkiem siarki dokonuje się również analizy chemicznej gazu oraz szczelności urządzenia. Przyrządy do jakościowej analizy gazu SF6 oraz detektory wycieku WIKA rozwijała z wykorzystaniem doświadczenia Dortmundzkiej firmy G.A.S, której to dział urządzeń analizy gazu SF6 został włączony w struktury WIKA w roku 2009.

Bardzo popularnym urządzeniem do pomiaru wycieku gazy SF6 jest ręczny detektor gazu GIR-10 wykorzystujący technologię podczerwieni niedyspersyjnej – NDIR (rysunek 7). Pomiar w tej technologii oparty jest na z prawie Lambert`a-Beer`a, które mówi nam, że absorpcja promieniowania jest wprost proporcjonalna do stężenia i grubości warstwy gazu przez który przechodzi promieniowanie. Zasada pomiaru została przedstawiona na rysunku 8.

Rysunek 7: Detektor gazu oparty o technologię podczerwieni, Model GIR-10

Rysunek 8: Zasada działania detektora gazu opartego o technologię podczerwieni, Model GIR-10

Gaz SF6 wykazuje największą absorpcję przy długości fali promieniowania podczerwonego 947 cm-1, dlatego też taka długość fali jest stosowana przy pomiarze. Jako referencyjną długość fali stosuje się promieniowanie podczerwone o długości fali 2500 cm-1, gdyż dla tej długości fali absorpcja przez SF6 oraz cząsteczki wody znajdujące się w powietrzu praktycznie nie występuje.

Łatwość obsługi i poręczność to bardzo ważne cechy urządzenia GIR-10. Operator może przenosić urządzenie na pasie zawieszonym na ramieniu, a pomiar dokonywany jest za pomocą tzw. pistoletu, co umożliwia łatwy dostęp do komory wypełnionej SF6. Zarówno urządzenie na ramię, jak i pistolet wyposażone są czytelny wyświetlacz i diody wskazujące poziom stężenia gazu – rysunek 7 i 9. W zależności od wersji GIR-10 wysyła sygnał, gdy przekroczony zostaje określone stężenie.

Rysunek 9: Obsługa urządzenia GIR-10

Do jakościowego egzaminowania heksafluorku siarki WIKA oferuje precyzyjny analizator jakości gazu SF6 model GA11 (rysunek 10), który jest zdolny do pomiaru aż siedmiu parametrów testowanej mieszanki. Do wyróżniających cech urządzenia zaliczyć należy kompaktową, lekką i przenośna konstrukcje zamknięta w przenośnej walizce, zasilanie bateryjne, wysoką dokładność oraz rozdzielczość, możliwość wymiany sensora w technologii plug-and-play, możliwość rozbudowy urządzenia o dodatkowe sensory, elastyczne zarzadzanie danymi (USB, LAN, pamięć wewnętrzna).

Rysunek 10: Precyzyjny analizator jakości gazu SF6. Model GA11

W zależności od potrzeb klienta sensor SF6 może być kalibrowany dla jednej lub obu mieszanek gazu: SF6/N2 lub SF6/CF4. W przypadku, gdy sensor jest skalibrowany dla obu mieszanek gazu użytkownik zmienia rodzaj kalibracji w oprogramowaniu  urządzenia. GA11 można także skalibrować do pomiaru stężenia gazu g3. Podstawowa konfiguracja GA11 zawiera sensor do pomiaru wilgotności oraz czujnik stężenia gazu.  Pomiar stężenia gazu SF6 wykorzystuje zjawisko różnej prędkości rozchodzenia się dźwięku w mieszaninach gazowych. Prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu to w przybliżeniu 330 m/s podczas, gdy w gazie SF6 dźwięk rozchodzi się z prędkością około 130 m/s. Zmierzona prędkość dźwięku jest kompensowana temperaturowo i  przy pomocy mikrokontrolera zamieniana na wartość stężenia gazu. Wilgotność w urządzeniu GA11 mierzona jest przy pomocy pojemnościowego czujnika wilgotności, który budową przypomina kondensator. Warstwa wewnętrzna czujnika wykonana jest z higroskopijnego materiału nieprzewodzącego podczas gdy, warstwy zewnętrze wykonane są z przewodnika. Zmiana stałej dielektrycznej materiału higroskopijnego jest proporcjonalna do wilgotności względnej w otoczeniu czujnika.  Najczęściej wybieranymi sensorami dodatkowymi są czujniki mierzące stężenie (w ppmv) SO2 oraz HF. Do mierzenie stężenia tych związków chemicznych wykorzystywany jest sensor elektrochemiczny. Działa on na zasadzie pochłaniania cząstek gazu przez warstwę elektrolitu. Pojemność elektrolitu zmienia się wraz ze zmianą ilości cząstek, badanego związku, w elektrolicie. Zmiana pojemności, z wykorzystaniem narzędzi oceny sygnału elektronicznego, jest konwertowana na wartość stężenia substancji. Dla dokładnego pomiaru spodziewanych wartości produktu dekompozycji gazu SF6, jakim jest dwutlenek siarki, sensory SO2 występują w różnych zakresach pomiarowych: od 0…10 ppm do 0…500 ppm. Sensor HF dostępny jest w zakresie pomiarowym 0 … 10 ppmv. Dodatkowe porty umożliwiają w łatwy sposób montaż towarzyszących sensorów. Dostępne są sensory mierzące stężenie takich substancji jak: siarkowodór (H2S), tlenek węgla (CO). Uruchomienie  GA11 odbywa się jednym przyciskiem, a pierwsze wyniki pomiaru mogą być już widoczne na ekranie dotykowym po około siedmiu minutach od chwili gotowości systemu do pracy. Wyniki są automatycznie porównywane z ustawionym progiem dla zanieczyszczonego lub zdatnego do ponownego użycia gazu SF6 (CIGRE B3.02.01, IEC albo z zgodnie z wprowadzonymi przez użytkownika danymi). Odpowiednio wyświetlają się symbole OK lub Not-OK (rysunek 11)

Rysunek 11: Przykładowa analiza wyników pomiarów w modelu GA11

Do pięciuset wyników pomiaru może być przechowywanych w pamięci wewnętrznej urządzenia i może być bezpośrednio transferowana na zewnątrz za pomocą portu USB. Oprogramowanie “SF6-Q-Przeglądarka pomiarów analizatora”, zawiera darmową funkcję eksportu danych do pliku PDF lub formatu CSV, co umożliwia import danych do programu Microsoft Excel lub innych programów kalkulacyjnych i programów zarządzających bazami danych. W zależności od potrzeby, testowany gaz po analizie może być wpompowany bezpośrednio do zbiornika, z którego został pobrany, innego zewnętrznego zbiornika lub do zewnętrznej torby GA45 do tymczasowego przechowywania gazu SF6 (rysunek 112

Rysunek 12: Torba do tymczasowego przechowywania gazu SF6. Model GA45

 

Ostatnią grupa urządzeń do obsługi gazu SF6 w porfolio WIKA są urządzenia do napełniania oraz ewakuacji, a więc: pompy ewakuacji powietrza i azotu, zestawy do napełniania i ewakuacji gazu SF6, oraz akcesoria mechaniczne takie jak szybkozłącza, węże oraz przyłącza.

Flagowym urządzeniem w tej grupie jest model GPU-2000, który umożliwia wykonanie umożliwia kilku procesów przy pomocy jednego urządzenia, zachowując przy tym wysoki stopień bezpieczeństwa oraz łatwość obsługi. Urządzenie GPU-2000 (rysunek 13) wyposażone jest w bezolejowy kompresor i bezolejową pompę próżniową do gazu SF6 (zapobiega zanieczyszczeniu gazu), pompę próżniowa do powietrza oraz zbiornik na gaz.  

Rysunek 13: Model GPU-2000 z 300 litrowym zbiornikiem do obsługi gazu SF6 (przygotowanie do napełniania, napełnianie, ewakuacja)

Całość zamontowana jest na mobilnym wózku. Używając 10” czytelnego dotykowego panelu kontrolnego, można przygotować komorę (ewakuacja powietrza/azotu) do napełnienia gazem SF6, napełnić oraz ewakuować gaz z komory. Możliwe tryby pracy przedstawione zostały na rysunku 14. Aby zapewnić bezpieczną obsługę urządzenia, WIKA wyposażyła GPU-2000 w system bezpieczeństwa bazujący na elementach SIL-2. System bezpieczeństwa zapobiega wprowadzeniu GPU w szkodliwe/niebezpieczne warunki pracy. Komponenty SIL-2 do których się odnosimy to czujnik ciśnienia, waga zbiornika na gaz SF6 oraz detektor wycieku gazu oparty na technologii podczerwieni. Ten ostatni system wykrywa wyciek w zakresie pomiarowym 0…2000 ppmv i kiedy w miejscu pracy limit wycieku zostaje przekroczony detektor automatycznie przełącza system w tryb bezpieczny oraz sygnalizuje alarmem operatora urządzenia. WIKA zwraca także szczególną uwagę na kwestie bezpieczeństwa związane z przepełnieniem zbiornika magazynującego gaz SF6.

Rysunek 14: Model GPU-2000 Możliwe tryby pracy

W teorii zbiornik na gaz może być napełniony, aż po krawędź w określonej i stałej temperaturze. W praktyce ma to jednak rzadkie zastosowanie. Wzrost temperatury gazu może prowadzić do poważnych konsekwencji na przykład, gdy zbiornik z gazem narażony jest na ekspozycję promieni słonecznych. Ciśnienie gazu w takim zbiorniku wzrasta i gaz może uciec przez zawór bezpieczeństwa. W celu zredukowania możliwości wycieku gazu poprzez zawór bezpieczeństwa napełnienie zbiornika zatrzymuje się poniżej wartości 0,8 kg/l określonego standardem IEC 6227-4. Tak działająca funkcja bezpieczeństwa pozwala na użytkowanie GPU-2000 w większym, niż zazwyczaj zakresach temperatury otoczenia, praca do 40 °C oraz przechowywania do 60 °C. Dzięki zastosowaniu specjalnych filtrów oraz węży system bezpieczeństwa GPU-2000 nie ma wpływu na szybkość ewakuacji i napełniania. Urządzenie zaprojektowane zostało w taki sposób, aby wydłużyć czas pomiędzy koniecznymi przeglądami serwisowymi do maksimum np. konserwacja kompresora gazu SF6 przewidziana jest co 2500 godzin pracy. GPU-2000 jest mobilnym urządzeniem realizującym kilka zadań. W ofercie WIKA dostępne są również urządzenia spełniające pojedyncze funkcje, także klient w zależności od zadań jakie chce wykonywać, może zdecydować się  na zakup jedynie kompresora SF6, samej pompy próżniowej lub wagi.

D. Warczyński WIKA

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top