Die Erfindung betrifft ein Dichteüberwachungsverfahren zur Überwachung der Gasdichte eines Schadgases. Weiter betrifft die Erfindung einen Dichtewächter zur Überwachung einer Gasdichte eines Schadgases. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Dichtewächters zur Überwachung einer Gasdichte eines Schadgases. Schließlich betrifft die Erfindung eine elektrische Anlage mit einem geschlossenen Raum, wie z.B. einem Gehäuse, einem Behälter oder einen Tank, in dem ein Isoliergas mit umweltschädlicher Wirkung (Schadgas) enthalten ist, und mit einem Dichtewächter zur Überwachung der Gasdichte des Isoliergases.

Zum technologischen Hintergrund wird auf folgende Literaturstellen verwiesen:

[1] „Insulating gas density monitoring”, Broschüre der Trafag AG mit dem Druckvermerk „H70558a Trafag AG 11/2021“

[2] DE 10 2010 055249 B4

[3] DE 10 2013 115 007 B4

[4] DE 10 2016 123 588 A1

[5] WO 2019/192857 A1

[6] Wikipedia „Treibhauspotential“, heruntergeladen am 20.01.2022 unter https://de.wikipedia.org/wiki/Treibhauspotential

[7] Webseite Novec Isoliergase 3M Deutschland, heruntergeladen am 20.01.2022 unter https://www.3mdeutschland.de/3M/de_DE/novec- de/anwendungen/isoliergas/

[8] „Powering a sustainable future. 3M™ Novec™ Insulating Gases”, Broschüre von 3M, heruntergeladen am 20.01.2022 unter https://multimedia.3m.eom/mws/media/14086000/novec-insulatin g-gases- for-power-generation.pdf [9] ,,sf6 ersatz g3 Flyer“, Broschüre heruntergeladen am 20.01.2022 unter https://www.gegridsolutions.com/products/brochures/sf6-ersat z_g3-flyer- ger.pdf

[10] DE 10232823 A1

Dichtewächter sind Vorrichtungen, insbesondere Messgeräte, zur Überwachung der Gasdichte eines zu überwachenden Gases. Wie aus [1] bis [5] bekannt, dienen Dichtewächter insbesondere zur Überwachung der Dichte eines in gasisolierten Hoch- und Mittelspannungsanlagen, wie zum Beispiel Hochspannungsschaltanlagen, -Wandlern, -rohrleitungen, Schaltgeräten und Transformatoren, als Isolator befindlichen Gases, zum Beispiel SF6.

Es sind hierzu z.B. aus der [10] auf elektronischen Messprinzipien basierende Dichtewächter bekannt, die mit einem elektronischen Dichtesensor als Messwertgeber versehen sind, der einen im Gas angeordneten Schwingquarz aufweist und als Messwert ein zur Dichte des Gases proportionales Frequenzsignal liefert, wobei das Frequenzsignal einer elektronischen Auswerteeinheit zugeführt wird.

Auf dem Markt haben sich dagegen auf mechanischen Messprinzipien beruhende Dichtewächter durchgesetzt, die aufgrund ihres mechanischen Messprinzips sehr zuverlässig und wartungsarm auch über sehr lange Zeiträume hinweg arbeiten. Im einfachsten und am häufigsten vorzutreffenden Fall steht hierbei eine über ein Referenzvolumen arbeitende Trennwand mit dem Messvolumen in Verbindung, wobei eine durch eine Änderung der Gasdichte verursachte Trennwandbewegung einen Schalter betätigt. Hierzu ist beispielsweise bei aus den [1] bis [5] bekannten Dichtewächtern eine Trennwand eines Metallbalgs an einen Schalter angeschlossen, so dass eine Trennwandbewegung über einen Mindestweg hinaus einen Schaltvorgang auslöst.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, Dichteüberwachungen mit einem mechanischen Messprinzip mit Referenzvolumen umweltfreundlicher zu gestalten. Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Dichteüberwachungsverfahren nach Anspruch 1 sowie einen Dichtewächter, eine Verwendung und eine elektrische Anlage nach den Nebenansprüchen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt davon ein Dichteüberwachungsverfahren zur Überwachung der Gasdichte eines Schadgases, umfassend: a) Bereitstellen eines geschlossenen Referenzvolumens mit einer zwischen dem Referenzvolumen und dem zu überwachenden Schadgas angeordneten Trennwand, b) Bereitstellen eines Referenzgases, das relativ zu dem Schadgas ein um wenigstens den Faktor zwei geringeres Treibhauspotential aufweist, in dem Referenzvolumen mit einem gegenüber dem Schadgasdruck des Schadgases erhöhten Referenzgasdruck, c) Kompensieren einer durch den erhöhten Referenzgasdruck in dem Referenzvolumen auf die Trennwand wirkenden Kraft mittels einer Federeinrichtung, und d) Erfassen einer Auslenkung der Trennwand zur Überwachung der Gasdichte.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Dichtewächter zur Überwachung einer Gasdichte eines Schadgases, umfassend: ein Messvolumen, einen Anschluss zum Anschließen des Messvolumens an einen das Schadgas enthaltenden Raum, ein geschlossenes Referenzvolumen, das mit einem sich von dem zu überwachenden Schadgas unterscheidenden Referenzgas befüllt ist, das ein Treibhauspotential GWP<100 aufweist, wobei GWP das CO2-Äquivalent bezogen auf 100 Jahre gemäß IPCC AR5 bezeichnet, wobei das Referenzgas im bestimmungsgemäßen Betrieb des Dichtewächters mit einem Überdrück gegenüber dem Druck in dem Messvolumen gefüllt ist, eine Trennwand, die das Referenzvolumen von dem Messvolumen trennt, eine Trennwandauslenkungserfassungseinrichtung zur Erfassung einer Auslenkung der Trennwand, und eine Federeinrichtung zum elastischen Ausüben einer Kraft auf die Trennwand, um den Überdruck in dem Referenzvolumen zu kompensieren.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Verwendung eines Dichtewächters zur Überwachung einer Gasdichte eines Schadgases, wobei der Dichtewächter ein Messvolumen, einen Anschluss zum Anschließen des Messvolumens an einen das Schadgas enthaltenden Raum, ein geschlossenes Referenzvolumen, eine Trennwand, die das Referenzvolumen von dem Messvolumen trennt und eine Trennwandauslenkungserfassungseinrichtung zur Erfassung einer Auslenkung der Trennwand und wenigstens eine Federeinrichtung zum elastischen Ausüben einer Kraft auf die Trennwand aufweist, wobei das Referenzvolumen ein sich von dem zu überwachenden Schadgas unterscheidendes Referenzgas, das ein Treibhauspotential GWP<100 aufweist, wobei GWP das CO2-Äquivalent bezogen auf 100 Jahre gemäß IPCC AR5 bezeichnet, mit einem Referenzgasdruck enthält, der größer als ein Schadgasdruck in dem Messvolumen ist, wobei eine durch den erhöhten Referenzgasdruck in dem Referenzvolumen auf die Trennwand wirkende Kraft mittels der Federeinrichtung kompensiert wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine elektrische Anlage, umfassend einen mit einem Isoliergas als Schadgas gefüllten Raum und einen Dichtewächter, der zur Überwachung der Gasdichte des Schadgases an den Raum angeschlossen ist, wobei der Dichtewächter ein Messvolumen, das den Raum angeschlossen ist, ein geschlossenes Referenzvolumen, das mit einem sich von dem zu überwachenden Schadgas unterscheidenden Referenzgas befüllt ist, welches Referenzgas ein Treibhauspotential GWP<100 aufweist, wobei GWP das CO2-Äquivalent bezogen auf 100 Jahre gemäß IPCC AR5 bezeichnet, und gegenüber dem in dem Raum herrschenden Schadgasdruck einen Überdruck hat, eine Trennwand, die das Referenzvolumen von dem Messvolumen trennt, eine Trennwandauslenkungserfassungseinrichtung zur Erfassung einer Auslenkung der Trennwand, und wenigstens eine Federeinrichtung zum elastischen Ausüben einer Kraft auf die Trennwand, um den Überdruck in dem Referenzvolumen zu kompensieren, aufweist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung wenigstens eines der Aspekte der Erfindung umfasst: b1) Bereitstellen eines Gases mit einem GWP<100, vorzugsweise GWP<20, besonders bevorzugt GWP>2, wobei GWP das CO2-Äquivalent bezogen auf 100 Jahre gemäß IPCC AR5 bezeichnet, als Referenzgas in dem Referenzvolumen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung wenigstens eines der Aspekte der Erfindung umfasst: b2) Bereitstellen eines Gases aus der Gruppe, die Luft, N2, O2, Edelgase, Ar, Kr, He, CO2 sowie Mischungen der vorgenannten Gase untereinander oder mit einem weiteren Gas umfasst, als Referenzgas in dem Referenzvolumen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung wenigstens eines der Aspekte der Erfindung umfasst:

Bereitstellen des Referenzgases mit einem Referenzgasdruck, der um 2,5-45% höher als der Schadgasdruck ist, in dem Referenzvolumen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung wenigstens eines der Aspekte der Erfindung umfasst: c1 ) Beaufschlagen der Trennwand mit einer in Richtung Referenzvolumen wirkenden ersten Federkraft der Federeinrichtung zum Kompensieren der durch den erhöhten Referenzgasdruck bedingten Kraft.

Beispielsweise weist die Federeinrichtung eine erste Feder zum Ausüben der ersten Federkraft auf. Die erste Feder ist vorzugsweise als erste Druckfeder ausgebildet, die auf die Schadgas-Seite der Trennwand einwirkt und diese in Richtung Referenzvolumen drängt.

Eine bevorzugte Ausgestaltung wenigstens eines der Aspekte der Erfindung umfasst: c2) Beaufschlagen der Trennwand mit einer in Richtung zum Schadgas hin wirkenden zweiten Federkraft zur Erweiterung des überwachbaren Bereichs der Gasdichte.

Beispielsweise weist die Federeinrichtung eine zweite Feder zum Ausüben der zweiten Federkraft auf. Die zweite Feder ist vorzugsweise als von der Referenzvolumen-Seite auf die Trennwand wirkende zweite Druckfeder ausgebildet.

Eine bevorzugte Ausgestaltung wenigstens eines der Aspekte der Erfindung umfasst:

Einstellen der ersten Federkraft abhängig von dem Schadgasdruck und/oder dem Referenzgasdruck. Insbesondere umfasst die bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung Auswahl der Federkonstante der ersten Feder abhängig von dem Schadgasdruck und/oder dem Referenzgasdruck.

Eine bevorzugte Ausgestaltung wenigstens eines der Aspekte der Erfindung umfasst:

Einstellen der zweiten Federkraft entsprechend eines für wenigstens einen Schaltpunkt oder einen Schaltbereich gewünschten Gasdichtewerts oder Gasdichtebereichs. Insbesondere umfasst der zweite Aspekt Auswahl der Federkonstanten der ersten und/oder der zweiten Feder entsprechend eines für wenigstens einen Schaltpunkt oder einen Schaltbereich gewünschten Gasdichtewerts oder Gasdichtebereichs.

Eine bevorzugte Ausgestaltung wenigstens eines der Aspekte der Erfindung umfasst:

Auswahl einer Vorspannung wenigstens einer Feder der Federeinrichtung entsprechend eines für wenigstens einen Schaltpunkt oder einen Schaltbereich gewünschten Gasdichtewerts oder Gasdichtebereichs.

Eine bevorzugte Ausgestaltung wenigstens eines der Aspekte der Erfindung umfasst: Begrenzen der Wirksamkeit wenigstens einer Feder der Federeinrichtung auf einen Teilbereich des Auslenkweges der Trennwand.

Eine bevorzugte Ausgestaltung wenigstens eines der Aspekte der Erfindung umfasst:

Begrenzen der Wirksamkeit der ersten Feder auf einen Bereich unterhalb einer vorgegebenen Gasdichteschwelle.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wenigstens eines der Aspekte der Erfindung wird oder ist ein Metallbalg zum Trennen des Referenzvolumens von einem das Schadgas enthaltenden Messvolumen vorgesehen, wobei die Trennwand an dem Metallbalg ausgebildet ist.

Bevorzugt ist das Referenzgas ausgewählt aus der Gruppe, die Luft, N2, O2, Edelgase, Ar, Kr, He, CO2 sowie Mischungen der vorgenannten Gase untereinander oder mit einem weiteren Gas umfasst.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wenigstens eines der Aspekte der Erfindung sind oder werden eine in Richtung zu dem Referenzvolumen hin auf die Trennwand wirkende erste Feder zum Kompensieren der durch Überdruck bedingten Kraft und eine in Richtung zu dem Schadgas hin auf die Trennwand wirkende zweite Feder zur Erweiterung des überwachbaren Bereichs der Gasdichte vorgesehen.

Vorzugsweise dient die Verwendung gemäß der Erfindung oder eine vorteilhafte Ausgestaltung davon zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung oder einer vorteilhaften Ausgestaltung davon.

Vorzugsweise ist der Dichtewächter gemäß der Erfindung oder einer vorteilhaften Ausgestaltung davon zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung oder einer vorteilhaften Ausgestaltung davon ausgebildet. Vorzugsweise wird das Verfahren gemäß der Erfindung oder einer vorteilhaften Ausgestaltung davon mit einem Dichtewächter gemäß der Erfindung oder einer vorteilhaften Ausgestaltung davon durchgeführt. Vorzugsweise wird das Verfahren gemäß der Erfindung oder einer vorteilhaften Ausgestaltung davon an einer elektrischen Anlage der Erfindung oder einer vorteilhaften Ausgestaltung davon durchgeführt.

Merkmale oder Schritte, die für einen der Aspekte der Erfindung - Verfahren, Vorrichtung, Verwendung, Anlage - oder deren vorteilhafte Ausgestaltungen offenbart sind, können auch bei einem der anderen Aspekte der Erfindung oder dessen vorteilhaften Ausgestaltungen vorgesehen sein.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen Dichtewächter mit Gasen mit geringem Treibhauseffekt, insbesondere Dichtewächter mit grünen oder klimaneutralen Gasen, sowie Verwendungen derselben wie z.B. hiermit durchzuführende Dichteüberwachungsverfahren. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen mechanisch arbeitende Dichtwächter ohne SF6, die zur Dichteüberwachung von SF6 ausgebildet sind.

Insbesondere ist ein Dichtewächter nach dem Referenzkammerprinzip (mechanisches Messprinzip) vorgesehen. Vorzugsweise wird der Dichtewächter zur Überwachung der Gasdichte in Hochspannungsschaltanlagen (gasisolierte Schaltanlagen, Freiluftschaltanlagen, «Dead Tanks») eingesetzt, um schädigende Lichtbögen zu vermeiden und die Sicherheit der Anlagen über lange Zeiträume (z.B. 30 Jahre) zu gewährleisten. Ein temperaturkompensierter Druckschalter ist ein spezielles Ausführungsbeispiel für einen Dichtwächter. Die Temperaturkompensation wird insbesondere über ein thermisch mit dem zu überwachenden Gas verbundenes Referenzvolumen erreicht.

Wie auch aus der [1] bis [5] bekannt, wird demnach bei einem Dichtewächter oder einem temperaturkompensierten Druckschalter dieser Bauart gegen ein Referenzvolumen gemessen. Bei bisher bekannten derartigen Dichtewächtern muss das Referenzvolumen gasdicht mit dem gleichen zu messenden Gas wie das zu überwachende Gas bei etwa gleichem Druck wie der Anlagedruck befüllt sein. Somit müssen bekannte Dichtewächter dieser Bauart mit zum Teil umweltschädlichen Treibhausgasen wie SF6 abgefüllt werden. Bisher muss für eine ausreichende Temperaturkompensation das gleiche Isolationsgas verwendet werden, das auch der Anlagenbauer verwendet. Der Gasraum (Anlagegas) und das Referenzvolumen sind z.B. durch einen Metallbalg voneinander getrennt. Eine Dichte- und Druckdifferenz zwischen den Gasräumen führt zu einem mechanischen Hub des Metallbalgs. Dieses Gas (SF6) ist ein Treibhausgas mit einem sehr hohen GWP (>10'000) und unterliegt immer strengeren Umweltgesetzen, siehe hierzu die Literaturstelle [6], Das Gasverhalten und die Funktion des Dichtewächters sind im Einzelnen in der Literaturstelle [1] beschrieben, auf die für weitere Einzelheiten verwiesen wird.

Gemäß bevorzugten Ausgestaltungen ist der Dichtewächter ein rein mechanisch arbeitender Dichtewächter, der typischerweise mit zwei bis vier Schaltpunkten ausgeliefert wird (beispielsweise Schaltpunkt 1 = Alarm 640kPa, Schaltpunkt 2 = Nachfüllprozedur erforderlich 620 kPa und Schaltpunkt 3 = Notabschaltung 600 kPa). Die Schaltpunktschwellen liegen auf sogenannten Isochoren, damit ein reiner Temperatureffekt nicht zu einem Fehlalarm führt. Der optimale Fülldruck in dem Referenzvolumen wäre bei bisher bekannten Dichtewächtern in diesem Beispiel 620 kPa, die Fehler für die anderen beiden Schaltpunkte wären wenige kPa für einen Temperaturbereich -25°C und 50°C.

Das Referenzgaskammerprinzip erfordert für eine gute Temperaturkompensation (zum Beispiel ist ein Freilufteinsatz zwischen -60°C und +60°C möglich) die Füllung des internen Referenzvolumens mit dem identischen Anlagegas. Traditionell werden in der Hochspannungstechnik SF6, CF4 mit N2 und Mischungen davon wegen Verflüssigungen verwendet. Seit einigen Jahren sind auch weniger umweltschädliche Ersatzgase auf dem Markt, die bereits wesentlich weniger GWP verursachen, siehe Literaturstellen [7] bis [9], Dennoch werden weltweit weiterhin sehr viel Anlagen mit SF6 abgefüllt, ebenso wie die Referenzkammersysteme der verwendeten Dichtewächter. Außerdem haben auch die Ersatzgase, die bei bisherigen Dichtewächtern mit Referenzvolumenprinzip auch in die Referenzkammer einzufüllen sind, immer noch ein recht hohes Treibhauspotential. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung verwenden beliebige weniger klimaschädliche oder mehr bevorzugt klimaneutrale Gase (d.h. hier Gase ohne Treibhauseffekt) wie N2, Kr oder Ar als Füllgase für die Referenzkammer. Um die gleiche Isochore (angegeben in kPa/°C) wie SFß (oder ein anderes als Isoliergas verwendetes Treibhausgas) zu erreichen, wird eine Überfüllung vorgenommen. Insbesondere wird ein ca. 3-40% höherer Fülldruck verwendet, um z.B. die geforderten Fülldrücke zwischen 1 und 12 bar SFß nachzubilden. Das Referenzgas (z.B. klimaneutrales Gas, d.h. kein Treibhausgas) wird somit vorzugsweise bei einem Druck zwischen 1 .5 und 20 bar abgefüllt.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung werden insbesondere auf dem Markt breit und kostengünstig verfügbare Gase, wie z.B. technische Luft, N2, Ar oder auch CO2, als Referenzgas verwendet. Wenngleich CO2 als Treibhausgas bekannt ist, ist es mit seinem GWP=1 weitaus klimafreundlicher als die zu überwachenden Anlagegase. Auch andere Edelgase sind möglich oder können beigemischt werden. Beispielsweise kann eine Füllung der Referenzkammer und ein Verschweißen derselben zum gasdichten Abschließen unter Schutzgasatmosphäre erfolgen, die bereits mit der späteren Atmosphäre in der Referenzkammer übereinstimmt.

Vorzugsweise weist der Dichtewächter eine Abfüllöffnung zum Abfüllen des Referenzvolumens und/oder zur Veränderung von Zusammensetzung oder Druck des Referenzdruckes auf.

Um vergleichbare Genauigkeiten und die Schaltpunktabstände des Dichtewächters wie bei bisherigen mechanischen Dichtewächtern mit Referenzvolumenprinzip zu erreichen, ist es bevorzugt, die höhere Kraft der Gasdruckfeder teilweise zu kompensieren.

Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung finden aufbautechnisch wenigstens zwei zusätzliche Federn Verwendung, um diesen Krafteffekt zu kompensieren. Eine erste Feder dient der Kraftkompensation der Referenzkammer. Die erste Feder übt eine erste elastische Kraft in Richtung zum Referenzvolumen hin direkt oder indirekt auf die Trennwand aus. Zum Beispiel beaufschlagt die erste Feder - wenn als Druckfeder ausgeführt - die Trennwand von der Schadgas-Seite, z.B. von der Seite des Messvolumens aus.

Die erste Feder wird vorzugsweise abhängig vom Druck gewählt und besitzt Federkonstanten zum Beispiel zwischen 15 und 140 N/mm bei 1 und 12 bar Fülldruck.

Eine zweite Feder übt eine zweite elastische Kraft in der Gegenrichtung zu der ersten elastischen Kraft auf die Trennwand auf. Die zweite Feder übt insbesondere eine zweite elastische Kraft zu dem Schadgas hin direkt oder indirekt auf die Trennwand auf. Die zweite Feder ist - wenn als Druckfeder ausgeführt - beispielsweise in dem Referenzvolumen untergebracht und beaufschlagt die Trennwand von der Referenzvolumen-Seite.

Die zweite Feder hat vorzugsweise eine Federkonstante von ungefähr 20-30 N/mm. Die zweite Feder dient der Referenzkammer für die Bereichserweiterung. Hierdurch lassen sich z.B. weit auseinander liegende Schaltpunkte oder ein erweiterter Anzeigebereich erreichen.

Durch die Auswahl oder Einstellung der unterschiedlichen Federkonstanten der ersten und zweiten Feder, deren Vorspannung und/oder deren Wirkweg kann der Dichtewächter an herrschende Drücke, gewünschte Schaltpunkte oder Anzeigebereiche und das Schadgas angepasst werden.

Zum Einstellen des Wirkweges kann z.B. wenigstens ein Anschlag vorgesehen sein, der die Wirkung wenigstens einer der Federn auf einen oder mehrere bestimmte Bereiche des Auslenkweges der Trennwand begrenzt.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung stellen einen temperaturkompensierten Dichtewächter ohne Verwendung eines umweltschädlichen Gases bereit («Green-Gas»-Dichtewächter). Bevorzugt wird ein Dichtewächter für Hoch- und Mittelspannungs-Schaltanlagen mit Green-Gas (z.B. Stickstoff, Argon, Helium... ) mit Temperaturkompensation bereitgestellt.

Eine Anpassung einer Isochoren-Steigung an das Kundengas - Anlagengas, Isoliergas, Schadgas - wird vorzugsweise mittels Überfüllens der Referenzkammer mit Green-Gas erreicht. Diese zusätzliche Kraft der Gasfeder kann dann mittels Federkraft kompensiert werden.

Bevorzugte Ausgestaltungen verwenden ein Edelgas als Referenzgas. Z.B. wird durch Argon Gas (Green-Gas) das Verschließen der Referenzkammer ohne Zusatzkomponente wie Expander oder Kugel und unter Druck (Argon-Gas) möglich.

Die Kraftkompensation durch eine Federeinrichtung oder wenigstens eine Feder davon ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung auf einen Teil des Messbereichs begrenzt. Z.B. wirkt die erste Feder nur für den Niederdruckbereich. Vorzugsweise ist die erste Feder nur bis zum tiefsten Schaltalarm im Einsatz; durch diese Anordnung erreicht man einen genaueren Schaltpunkt, da die Feder bei den Schaltpunkten nicht mehr im Einsatz ist.

Bei bevorzugten Ausgestaltungen können durch das Zusammenwirken von Federkräften und der Referenzkraft - d.h. Kraft durch den Referenzgasdruck in dem Referenzvolumen - verschiedene Druckbereiche realisiert werden. Je nach gewünschtem Druckbereich können die Federkräfte wie auch die Vorspannung des ersten und zweiten Federelements demensprechend ausgelegt werden.

Die Federeinrichtung kann unterschiedlich aufgebaut sein. Beispielsweise kann sie als Federanordnung mit wenigstens einer oder vorzugsweise mehreren Federn ausgebildet sein. Als „Feder“ wird ein elastisch verformbares Maschinenelement zum Ausüben einer Federkraft verstanden. Eine Feder kann durch ein Federelement oder mehrere parallel und/oder in Reihe wirkende Federelemente gebildet sein. Als Federn oder Federelemente können z.B. Schraubenfedern, Gasdruckfedern, Gummifedern, Elastomerblöcke, Blattfedern, Torsionsfedern, Biegefedern, Federringe, Kegelfedern, usw. verwendet werden. Bevorzugt sind metallische Federn, insbesondere Schraubendruckfedern.

Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Messaufnehmer eines Dichtewächters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen unteren Teil eines an eine elektrische Anlage angeschlossenen Dichtewächter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt durch den oberen Teil des Dichtewächters von Fig. 2.

In den Figuren sind unterschiedliche Ausführungsformen eines an eine mit Schadgas 10 befüllte elektrische Anlage 12 anzuschließenden Dichtewächters 14 dargestellt, wobei Fig. 1 einen Messaufnehmer 16 des Dichtewächters 14 gemäß einer Ausführungsform zur Darstellung des Funktionsprinzips, Fig. 2 den Anschluss des Messaufnehmers 16 des Dichtewächters gemäß einer weitere Ausführungsform an die Anlage 12, und Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines an den Messaufnehmer 16 gemäß einer der Ausführungsformen anschließbaren Schalt- und/oder Anzeigeteils 18 des Dichtewächters 14 zeigt.

Die elektrische Anlage 12 ist insbesondere eine gasisolierten Hoch- oder Mittelspannungsanlage, wie zum Beispiel eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, ein Hoch- oder Mittelspannungswandler, eine Hochoder Mittelspannungsrohrleitung, ein Hoch- oder Mittelspannungs-Schaltgerät oder ein Transformator. Zur Gasisolation ist ein Raum 24 der elektrischen Anlage 12 mit einem Isoliergas gefüllt. Derartige Isoliergase sind Treibhausgase mit hohem Treibhauspotential GWP und somit für das Klima schädliche Schadgase. Beispielsweise ist das als Isoliergas in der Anlage 12 verwendete Schadgas 10 eines der Gase SF6, CF4 mit N2, eine Mischung davon oder ein SF6-Ersatzgas wie es in den Literaturstellen [7] bis [9] näher erläutert ist. Der Druck, unter dem das Schadgas 10 in dem Raum 24 steht, wird im Folgenden als Schadgasdruck bezeichnet. Dieser Druck (z.B. Druck SF6) ist als vorbestimmter Fülldruck anlagenseitig vorgegeben.

Der Dichtwächter 14 dient zur Überwachung einer Gasdichte des Schadgases 10. Er hat den als Fühler für das Anlagegas ausgebildeten Messaufnehmer 16.

Gemäß den in den Fig. dargestellten Ausführungsformen weist der Dichtewächter 14 ein Messvolumen 20, einen Anschluss 22 zum Anschließen des Messvolumens 20 an den das Schadgas 10 enthaltenden Raum 24 der elektrischen Anlage 12, ein geschlossenes Referenzvolumen 26, eine bewegliche oder auslenkbare Trennwand 28, die das Referenzvolumen 26 von dem Messvolumen 20 trennt, eine Trennwandauslenkungserfassungseinrichtung 30 zur Erfassung einer Auslenkung 31 der Trennwand 28 und eine Federeinrichtung 32 auf.

Der Anschluss 22 ist als Druckanschluss zum druck- und fluiddichten Anschließen des Messvolumens 20 an den Raum 24 der Anlage 12 ausgebildet. In dem Anschluss 22 ist wenigstens eine Gasdurchführung 23 zur Anlage 12 hin ausgebildet. Bei der dargestellten Ausführung weist der Anschluss 22 mehrere Gasdurchführungen 23 auf.

Zum Bilden des Messvolumens 20 und des Referenzvolumens 26 ist bei bevorzugten Ausgestaltungen der Innenraum eines Gehäuses 34 des Messaufnehmers 16 mittels wenigstens eines Metallbalgs 36 in mehrere Kammern aufgeteilt. Eine mit dem Anschluss 22 kommunizierende Messkammer 38 bildet das Messvolumen 20. Davon ist durch den Metallbalg 36 oder einen von mehreren Metallbalgen 36a eine Referenzkammer 40 zum Bilden des Referenzvolumens 26 abgetrennt. Die Trennwand 28 ist an diesem Metallbalg 36, 36a ausgebildet.

Beispielsweise ist die Trennwand 28 durch einen Balgboden 42 dieses Metallbalgs 36, 36a gebildet.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Referenzkammer 40 zwischen mehreren Metallbälgen 36a, 36i ausgebildet. Ein äußerer Metallbalg 36a mit der Trennwand 28 trennt die Referenzkammer 40 von dem Messvolumen 20. Ein innerer Metallbalg 36i trennt die Referenzkammer 40 von dem Schalt- und Anzeigeteil 18 ab.

Die Trennwandauslenkungserfassungseinrichtung 30 erfasst eine Bewegung oder Auslenkung 31 der Trennwand 28, die durch eine Änderung des Schadgasdrucks relativ zu dem Druck in dem Referenzvolumen 26 bewirkt wird. Dadurch, dass das Referenzvolumen 26 in thermischer Verbindung mit dem Messvolumen 20 und somit auch dem Schadgas 10 steht, erfolgt eine Temperaturkompensation. Somit lässt sich mit dem Referenzkammerprinzip, wie dies im Einzelnen in der Literaturstelle [1] erläutert ist, über die Auslenkung 31 der Trennwand die Gasdichte erfassen.

Die Trennwandauslenkungserfassungseinrichtung 30 weist ein Übertragungselement 44 zur Übertragung der Auslenkung der Trennwand 28 auf Schalt- oder Anzeigeelemente 46a-46d, 48 des Schalt- und/oder Anzeigeteils 18 auf. Als Übertragungselement 44 dient beispielsweise eine zur gemeinsamen Bewegung mit der Trennwand 28 verbundene Schaltstange 49. Die Schaltstange 49 weist einen Druckstößel 50 und eine Querstange 52 mit unterschiedlich langen Auslegern 54a-54d auf. Dadurch lassen sich zu unterschiedlichen Positionen der Auslenkung der Trennwand 28 - und somit zu unterschiedlichen Gasdichtewerten (Schaltpunkte) - unterschiedliche (z.B. ein erstes bis viertes) Schaltelemente 46a- 46d schalten, beispielsweise um unterschiedliche Alarme oder Abschaltsignale abzugeben. Außerdem kann der Druckstößel 50 eine kundenspezifische Anzeige 48 antreiben.

An der Schaltstange 49 ist ein oberer Anschlag 66 angeordnet zur Begrenzung einer Bewegung der Trennwand 28 bei zu hohen Drücken in dem Messvolumen.

Während bei den Dichtewächtern aus den Literaturstellen [1] bis [5] eine Referenzkammer mit dem gleichen Gas und mit dem gleichen Druck wie in der Anlage 12 gefüllt ist, ist das Referenzvolumen 26 bei den Ausführungsformen der Erfindung mit einem sich von dem Schadgas 10 unterscheidenden Referenzgas 56 gefüllt, das ein wesentlich geringeres Treibhauspotential als das Schadgas 10 hat. Beispielsweise ist das GWP des Referenzgases 34 um mehr als den Faktor zwei geringer als das GWP des zu überwachenden Schadgases 10.

Als Referenzgas werden insbesondere Gase mit einem GWP<100, vorzugsweise GWP<20, besonders bevorzugt GWP<2 eingesetzt. Besonders bevorzugt werden auf dem Markt breit verbreitet kostengünstig erhältliche Gase wie technische Luft oder Druckluft, N2, O2, Ar oder auch CO2 eingesetzt, wobei CO2 mit einem Treibhauspotential GWP=1 immer noch bedeutend klimafreundlicher als jedes Isoliergas ist. Bei anderen Ausgestaltungen kommen Edelgase wie Ar, Kr, He zum Einsatz. Insbesondere wenn Schweißschutzgase wie Ar, Kr verwendet werden, kann man die Referenzkammer 40 gleich beim Verfüllen durch Schweißen gasdicht verschließen.

Wie aus [1] bekannt, wird die Gasdichte entlang von Isochoren gemessen.

Zur Angleichung der Isochorensteigungen von Referenzgas und zu überwachenden Schadgas wird das Referenzgas 56 wird im Vergleich zum vorgegebenen Anlagen-Fülldruck -Schadgasfülldruck - mit einem Überdruck in die Referenzkammer 40 gefüllt. Der Überdruck beträgt z.B. 2,5%-45%. Somit ist der Referenzgasdruck gegenüber dem Schadgasdruck 2,5%-45%, vorzugsweise 3% bis 40% höher. Beispielhafte Werte für unterschiedliche Anlagen- Fülldruckwerte von SF6 als zu überwachendes Gas und N2 mit 5% He als Referenzgas sind in der Tabelle 1 wiedergegeben.

Tabelle 1

Bei einer möglichen Ausgestaltung wird bei der Herstellung des Dichtewächters 14 die Referenzkammer 40 vorzugsweise als separate Baueinheit durch gasdichtes Verbinden des inneren und äußeren Metallbalgs 36a, 36i gefüllt vorgefertigt und dann in das Gehäuse 34 eingebaut. Bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen ist die Referenzkammer 40 durch einen inneren Balg 40i, den Balgboden 42, einen äußeren Balg 40a und einen Flanschdeckel 62, der Teil des Gehäuses 34 des Messaufnehmers 16 (auch Fühlersystem genannt) ist, gebildet. Die Balge 40a, 40i sind als Metallbalge 36a, 36i ausgebildet, und mit ihren in den Fig. oben dargestellten Rändern fluiddicht mit dem Flanschdeckel 62 verbunden. An dem Flanschdeckel ist ein Abfüllloch 62 zum Abfüllen der Referenzkammer 40 vorgesehen. Somit weist der Dichtewächter eine Fülleinrichtung zum Füllen der Referenzkammer 40 und/oder zum Austausch des Referenzgases oder zur Veränderung des Referenzgasdrucks auf. Damit kann der Referenzgasdruck an eine Änderung des Fülldruckes in der Anlage 12 angepasst werden, so dass in der Referenzkammer 40 gegenüber dem Fülldruck in der Anlage 12 der Überdruck einstellbar ist. Die Federeinrichtung 32 ist zum Kompensieren zumindest einiger Effekte vorgesehen, die aufgrund der Verwendung des klimafreundlichen Referenzgases in der Referenzkammer anstelle des zu überwachenden Schadgases zur Tem peraturkom pensation auftreten .

Durch den gegenüber dem Schadgasdruck erhöhten Referenzgasdruck übt die aus dem befüllten Metallbalg 36 gebildete Gasfeder eine größere Kraft als bei herkömmlichen Dichtewächtern aus. Die Federeinrichtung 32 ist insbesondere zum Kompensieren dieser Kraft aufgrund des Überdrucks ausgebildet.

Bei den dargestellten Ausführungsformen weist die Federeinrichtung 32 eine erste Feder 58 zum Ausüben einer ersten Federkraft auf die Trennwand 28 in Richtung auf das Referenzgas hin auf. Die erste Federkraft dient zum Kompensieren der durch den Überdruck in dem Referenzvolumen 26 auf die Trennwand 29 wirkenden Kraft.

Die erste Feder 58 wird abhängig vom Fülldruck gewählt und besitzt bei einer Ausgestaltung gemäß dem Messaufnehmer 16 wie in den Figuren gezeigt mit den sich aus [1] ergebenden typischen Dimensionen und dem Referenzgas gemäß Tabelle 1 z.B. eine Federkonstante mit einem Wert zwischen 15 N/mm bei 1 bar Fülldruck und 140 N/mm 12 bar Fülldruck. Die erste Feder 58 dient der Kraftkompensation der Referenzkammer. Allgemein ist die Federkonstante abhängig von dem jeweiligen Messaufnehmer, insbesondere der Fläche der Trennwand oder der sonstigen druckbeaufschlagten Flächen, zu wählen. Passende Werte können anhand des gegebenen Beispiels und der in [1] wiedergegebenen Erläuterungen leicht anhand einfacher Versuche aufgefunden werden.

Bei der dargestellten Ausführung ist die erste Feder 58 als Druckfeder ausgebildet, auf der Anlageseite der Trennmembran 28, d.h. z.B. in dem Messvolumen 20 angeordnet und übt die erste Federkraft auf die der Anlage 12 bzw. dem Messvolumen 20 zu gerichtete Seite der Trennwand 28 auf. An der Trennwand 28 ist eine Federführung 68 zum Führen der ersten Feder 58 angebracht, beispielsweise in Form eines von dem Balgboden 42 aus vorspringenden stiftförmigen Vorsprungs. Das freie Ende des Vorsprungs der Federführung 68 dient als unterer Anschlag 70 zur Begrenzung der Bewegung der Trennwand 28 zu dem Messvolumen 20 hin.

Weiter weist die Federeinrichtung 32 eine zweite Feder 60 zum Ausüben einer zweiten Federkraft auf die Trennwand 28 in Richtung auf das Messvolumen 20 oder das Schadgas 10 hin auf. Mit der zweiten Feder 60 lässt sich der Messbereich ausdehnen. Die zweite Feder 60 hat bei den hier geschilderten Ausführungsbeispielen mit dem Referenzgas und den Füllwerten von Tabelle 1 und den typischen Dimensionen von Literaturstelle [1] mit einer Federkonstante von ungefähr 20-30 N/mm. Die zweite Feder 60 dient der Referenzkammer 40 für die Bereichserweiterung so lassen sich z.B. weit auseinander liegende Schaltpunkte oder ein erweiterter Anzeigebereich schaffen.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist die zweite Feder 60 ebenfalls als Druckfeder ausgebildet und auf der der Referenzkammer 40 zugewandten Seite der Trennwand 28 in der Referenzkammer 40 angeordnet und dient zum Einstellen von Schaltpunkt(en) oder Anzeigebereich.

Durch Auswahl und/oder Einstellen von Federkonstanten und eventuellen Vorspannungen der Federn 58, 60 der Federeinrichtung 32 lässt sich der Messaufnehmer 16 auf vorgegebene Drücke, Messbereiche und Schaltpunkte oder Schaltbereiche einstellen.

Weiter kann der Wirkweg wenigstens einer der Federn, z.B. der ersten Feder 58 mittels wenigstens eines Anschlags (nicht dargestellt) begrenzt werden.

Bei einem Beispiel wirkt die erste Feder 58 nur für den Niederdruckbereich. Die erste Feder ist beispielsweise nur bis zum tiefsten Schaltalarm im Einsatz und schlägt dann gegen den relativ zu dem Gehäuse 34 stationären Anschlag an, so dass sich die Trennwand 28 im verbleibenden Wirkbereich von der ersten Federkraft befreit bewegt. Durch diese Anordnung erreicht man einen genaueren höheren Schaltpunkt, da die erste Feder bei den anderen Schaltpunkten nicht mehr im Einsatz ist.

Mit dem Dichtewächter 14 lässt sich ein Dichteüberwachungsverfahren zur Überwachung der Gasdichte des Schadgases 10 durchführen, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines geschlossenen Referenzvolumens 26 mit einer zwischen dem Referenzvolumen 26 und dem zu überwachenden Schadgas 10 angeordneten Trennwand 28, b) Bereitstellen eines Referenzgases 56, das relativ zu dem Schadgas 10 ein um wenigstens den Faktor zwei geringeres Treibhauspotential aufweist, in dem Referenzvolumen 26 mit einem gegenüber dem Fülldruck des Schadgases 10 erhöhten Referenzgasdruck, c) Kompensieren einer durch den erhöhten Referenzgasdruck in dem Referenzvolumen 26 auf die Trennwand 28 wirkenden Kraft mittels wenigstens einer Federeinrichtung 32, und d) Erfassen einer Auslenkung der Trennwand 28 zur Überwachung der Gasdichte.

Weitere Ausführungsformen für das Verfahren, den Dichtewächter 14 sowie dessen Verwendungen und die Anlage 12 ergeben sich durch Anwendung der hier erläuterten Maßnahmen zum Befüllen eines Referenzvolumens 26 mit klimafreundlicherem Referenzgas 56 und Kompensation von Nachteilen durch die Abweichung von Referenzgas 56 und zu überwachenden Schadgas 10 durch höheren Druck in der Referenzkammer 40 und Kompensation von Kräften durch die Federeinrichtung 32 auf die mit Referenzvolumen arbeitenden Dichtewächter, die in den Literaturstellen [1] bis [5] beschrieben und gezeigt sind. Es wird daher für weitere mögliche Merkmale von Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Dichtewächter 14 und deren Verwendungen ausdrücklich auf die Literaturstellen [1] bis [5] verwiesen.

Mit bevorzugten Ausgestaltungen des Dichteüberwachungsverfahrens lässt sich auch ein sehr klimaschädliches Treibhausgas wie SF6 auf seine Gasdichte hin mechanisch und temperaturkompensiert überwachen, ohne dass man für die Herstellung und den Betrieb des Dichtewächters 14 selbst ein solch klimaschädliches Gas benötigt. Neben des Umweltaspekts aufgrund der Verwendung von klimafreundlichen Gasen als Referenzgases lassen sich auch die Kosten für die Herstellung, den Transport und die Montage und Einrichtung des Dichtewächters 14 erheblich senken, da man ohne ansonsten für Schadgase notwendige Sicherungsmaßnahmen auskommt und weitaus kostengünstigere Gase als Referenzgase verwenden kann.

Eventuelle Nachteile hinsichtlich der Genauigkeit und der gewohnten Spreizung von Schaltpunkten oder Anzeigen werden mittels einer vorzugsweise rein mechanisch mit einfachen Federn arbeitenden Federeinrichtung 32 behoben.

Gemäß einigen nicht näher dargestellten Ausführungen kann die Federeinrichtung 32 eine Einstelleinrichtung zum Verändern wenigstens eines Kraftparameters der Federeinrichtung 32 aufweisen. Z.B. weist die Federeinrichtung 32 eine Vorspanneinstelleinrichtung zum Einstellen einer Vorspannung wenigstens einer der Federn 58, 60, wie insbesondere der zweiten Feder 60 auf. Damit können insbesondere der Anzeigebereich und wenigstens einer oder einige der Schaltpunkte oder deren Abstand (bezüglich der Gasdichte) zueinander eingestellt werden.

Um eine Gasdichte eines Treibhausgases mechanisch klimafreundlicher und kostengünstiger zu überwachen, wird ein Dichteüberwachungsverfahren zur Überwachung der Gasdichte eines Schadgases (10) vorgeschlagen, umfassend: a) Bereitstellen eines geschlossenen Referenzvolumens (26) mit einer zwischen dem Referenzvolumen (26) und dem zu überwachenden Schadgas (10) beweglich angeordneten Trennwand (28), b) Bereitstellen eines Referenzgases (56), das relativ zu dem Schadgas (10) ein um wenigstens den Faktor zwei geringeres Treibhauspotential aufweist, in dem Referenzvolumen (26) mit einem gegenüber dem Fülldruck des Schadgases (10) erhöhten Referenzgasdruck, c) Kompensieren einer durch den erhöhten Referenzgasdruck in dem Referenzvolumen (26) auf die Trennwand (28) wirkenden Kraft mittels einer Federeinrichtung (32), und d) Erfassen einer Auslenkung der Trennwand (28) zur Überwachung der Gasdichte.

Außerdem werden ein Gasdichtewächter (14), dessen Verwendung in einem solchen Verfahren und eine damit versehene elektrische Anlage (12) vorgeschlagen.

Bezugszeichenliste:

10 Schadgas

12 elektrische Anlage

14 Dichtewächter

16 Messaufnehmer

18 Schalt- und/oder Anzeigeteil

20 Messvolumen

22 Anschluss

23 Gasdurchführung zur Anlage

24 Raum (Gasraum der elektrischen Anlage)

26 Referenzvolumen

28 Trennwand

30 Trennwandauslenkungserfassungseinrichtung

31 Auslenkung

32 Federeinrichtung

34 Gehäuse des Messaufnehmers

36 Metallbalg

36a äußerer Metallbalg

36i innerer Metallbalg

38 Messkammer

40 Referenzkammer

40a Balg aussen (Referenzkammer)

40i Balg innen (Referenzkammer)

42 Balgboden (Trennwand - Referenzkammer)

44 Übertragungselement

46a erstes Schaltelement

46b zweites Schaltelement

46c drittes Schaltelement

46d viertes Schaltelement

48 Anzeige

49 Schaltstange

50 Druckstößel

52 Querstange a erster Ausleger b zweiter Ausleger c dritter Ausleger d vierter Ausleger

Referenzgas erste Feder zweite Feder

Flanschdeckel

Abfüllöffnung (Referenzkammer) oberer Anschlag

Federführung unterer Anschlag