Dichtigkeitsprüfung für Leistungsschalter mit umweltverträglichen Gasen, Hochschule für Technik und Umwelt FHNW

Leistungsschalter sind ein wichtiger Bestandteil des Hochspannungsnetzes. Sie unterbrechen den Strom bei Störungen und schützen damit elektrische Anlagen und Netze. Für die sichere Funktion sind sie mit einem Isoliergas gefüllt, das die spannungsführenden Teile voneinander trennt und beim Schalten den entstehenden Lichtbogen löscht.

Zum Einsatz kommt dafür heute häufig Schwefelhexafluorid (SF₆). Das Gas verfügt zwar über hervorragende elektrische Eigenschaften, ist jedoch extrem klimaschädlich und trägt bei Freisetzung erheblich zur Erderwärmung bei. Die Pfiffner Schaltgeräte AG entwickelt deshalb Leistungsschalter, die statt SF₆ mit einem umweltverträglicheren Gemisch aus Kohlendioxid und Sauerstoff betrieben werden.

Damit die Funktion des Schalters erhalten bleibt, muss das Gasgemisch zuverlässig im Leistungsschalter bleiben. Genau hier lag die Herausforderung von Mario Baumanns Bachelorarbeit: Da Kohlendioxid und Sauerstoff natürlicherweise in der Umgebungsluft vorkommen, lässt sich ein Leck nicht einfach über die austretenden Gase nachweisen. Für die Dichtigkeitsprüfung wird deshalb ein Tracergas eingesetzt, das nur zu Prüfzwecken in den Leistungsschalter eingefüllt wird.

Gesucht war eine zuverlässige und zugleich produktionstaugliche Lösung. Jeder Leistungsschalter soll damit nachweisen können, dass sein jährlicher Gasverlust unter 0,5 Prozent der Füllmenge liegt.

Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines Dichtigkeitsprüfkonzepts, das sich direkt in die zukünftige Serienproduktion integrieren lässt. Dafür untersuchte Mario Baumann zunächst die physikalischen Grundlagen der Gasleckage und klärte, wie sich die gemessene Leckagerate auf die Anforderungen der Norm und das verwendete Isoliergas übertragen lässt.

Anschliessend wurden die Anforderungen aus Normen, Kundenanforderungen und Produktionsplanung zusammengeführt und verschiedene Prüfverfahren entwickelt und an realen Leistungsschaltern getestet. Gemeinsam mit der Pfiffner Schaltgeräte AG wurde daraus eine Lösung ausgewählt und so weit ausgearbeitet, dass sie anschliessend umgesetzt werden kann.

Die entwickelte Dichtigkeitsprüfung basiert auf einem Akkumulationsverfahren mit Helium. Dafür wird der Leistungsschalter mit Helium gefüllt und in einer abgedichteten Einhausung platziert. Tritt an einer Dichtstelle Gas aus, sammelt es sich in der Einhausung an. Ein Messgerät erfasst den Anstieg der Heliumkonzentration. Daraus lässt sich berechnen, wie viel Isoliergas unter Betriebsbedingungen pro Jahr aus dem Leistungsschalter entweichen würde.

Das Prüfkonzept wurde an realen Leistungsschaltern erprobt und liefert innerhalb der für die Produktion vorgesehenen Zeit ein auswertbares Ergebnis. Die geprüften Schalter lagen dabei deutlich unter dem zulässigen Grenzwert.

Neben dem konstruktiv ausgearbeiteten Prüfaufbau entstanden ein detaillierter Prüfablauf, Vorgaben für die Arbeitsanweisung, Auswertungstools sowie eine Analyse der Messgenauigkeit.

Die Umsetzung des Prüfkonzepts erfolgt im Anschluss an die Bachelorarbeit als eigenes Projekt bei der Pfiffner Schaltgeräte AG. Der Prüfstand wird aufgebaut und messtechnisch validiert. Anschliessend wird das Verfahren in die Produktionsabläufe und Arbeitsanweisungen integriert und das zuständige Personal geschult.

Auch die Einbindung in die Prüfdokumentation und das Qualitätsmanagement wird umgesetzt. Damit wird aus dem im Rahmen der Bachelorarbeit entwickelten Konzept eine praxistaugliche Lösung für die Serienproduktion umweltverträglicher Hochspannungs-Leistungsschalter.