Charakterisierung einer Membran-Gassensor-Kombination zum Nachweis von gelösten Gasen - Hummel, Claudius; Justus Liebig University Giessen (My University, 2001)
Kommt es in isolierölgefüllten Transformatoren zu Schäden, so entstehen Gase aus der Spaltung des Isolieröls durch die Energie desSchadens. Schäden sind z.B. eine elektrische Entladung oder eine Überhitzung. Typische Schadgase sind Wasserstoff undKohlenwasserstoffe wie Ethin und Ethen. Ob ein Schaden eingetreten ist, wird mit einem Buchholzrelais überwacht. Dieses meldet dieAnwesenheit von Gas. Welcher Schaden eingetreten ist, wird mit Hilfe einer Gas-in-Öl-Analyse bestimmt. Diese beinhaltet Probennahme,Transport der Probe und Analyse im Labor mit einem GC mit Wärmeleitfähigkeits- und Flammenionisationsdetektor. DieGas-in-Öl-Analyse wird einmal jährlich durchgeführt. Kommt es zu einem Schaden, so wird das Wiederholungsintervall erhöht, bis hin zumehreren Analysen an einem Tag. Eine Bestimmung der Schadgase direkt am Transformator erleichtert die Überwachung des Transformators und ist deswegen vonInteresse. Die Schadgase sind mit Gassensoren nachweisbar. Ein mit Gassensoren ausgerüstetes System, am Buchholzrelaisangebracht, könnte diese Aufgabe erfüllen. Befindet sich in einem abgeschlossen Gefäß eine Gasphase über einer Flüssigkeit, so stelltsich ein Gleichgewicht zwischen der Konzentration der Gase in der Gasphase und der Konzentration der in der Flüssigkeit gelösten Gaseein. Dieses Gleichgewicht hängt ab vom Löslichkeitskoeffizienten, von der Temperatur und von dem Partialdruck des entsprechendenGases. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Gassensoren auf ihre Eignung zum Nachweis von Transformatorschadgasen hinuntersucht. Ein System zum Nachweis des Schadgases Wasserstoff, welches in Isolieröl gelöst ist, wird entwickelt. Zur Unterscheidung derSchad-gase Ethan, Ethin und Ethen im Konzentrationsbereich von 100 ppm bis 500 ppm wird untersucht, ob diese mit einem einzelnenSensor nachgewiesen und unterschieden werden können. Ein Nachweiszyklus wird vorgestellt. Die Betriebs-temperatur einesHalbleitergassenors beeinflußt dessen Selektivität. Bei den Kohlenwasser-stoffen Ethan (Einfachbindung), Ethen (Doppelbindung) undEthin (Dreifachbindung) resultiert aus den unterschiedlichen Bindungen eine unterschiedliche Energie, die zur Oxidation notwendig ist.Damit sollten sie durch einen einzelnen Gassensor bei verschiedenen Temperaturen nachweisbar sein. Bei Ethin ist aufgrund derDreifachbindung die Energie zur Oxidation geringer als bei Ethan mit seiner Dreifachbindung. Eine niedrige Sensortemperatur sollte zumEthin-Nachweis ausreichen. Die Trennung von Ethan und Ethin mit nur einem Halbleitergassensor (UST GGS3000) ist möglich. DieEthinkonzentration wird bei einem Heizspannungswechsel von 1 V auf 2 V gemessen und anschließend die Ethankonzentration bei einemHeizspannungswechsel von 3 V auf 4 V. Für den gleichzeitigen Nachweis von Ethan/Ethen oder Ethin/Ethen muß ein zweiter Sensor (USTGGS1000) für die Messung des Ethen, bei einem Heizspannungswechsel von 3,5 V auf 4,5 V, verwendet werden. Die Konzentration deseinen Gases wird über eine lineare Regression bestimmt und danach die Konzentration des anderen Gases über ein Polynomnetz. Voraussetzung für den Einsatz von Gassensoren für die Detektion von in Isolieröl gelösten Gasen ist die Trennung der Sensoren vom Öl.Hierzu wird eine Sensorkammer entwickelt, bei der die Trennung der Sensoren vom Öl über eine Teflonmembran erfolgt. Zum Nachweismuß das im Öl gelöste Gas aus dem Öl durch die Membran zu den Sensoren diffundieren. Dies führt zu einer langen Zeitkonstanten bei derEinstellung der Gaskonzentration bei den Sensoren. Deswegen muß der Aufbau so ausgelegt sein, daß nur vernachlässigbare Gasverlustedurch chemischen Umsatz an den Sensoren auftreten, da diese kürzere Zeitkonstanten haben. Eine Verarmung des im Öl gelösten Gasesvor der Membran wird durch den Einsatz einer Pumpe vermieden. Eine Gasdiffusion im Öl aufgrund des durch die Verarmungentstehenden Konzentrationsunterschiedes läuft nicht schnell genug ab. Eingesetzt wird eineWärmeleitfähigkeitssensor-Halbleitersensor-Kombination. Ein mikrostrukturierter Wärmeleitfähigkeitssensor (TCS208F; Fa. Gerhard R.Wagner Sensors, Systems and Services) und ein Halbleitersensor (UST GGS1000) werden verwendet. Der Halbleitersensor wird beiRaumtemperatur betrieben. In regelmäßigen Abständen (hier z.B. 24 h) wird der Sensor für 10 min auf 250 °C erwärmt. Dabei verbrennt erallen im Gasraum vorhanden Wasserstoff. Dies dient der Nullpunkteinstellung des Wärmeleitfähigkeitssensors. Nach derNullpunkteinstellung durch eine Betriebsphase des Halbleitersensors dauert es ca. 10 h, bis sich wieder ein Gleichgewicht zwischen denGaskonzentrationen im Öl und in der Luft hinter der Membran eingestellt hat. Eine Messung ist erst jetzt möglich. Eine Endwertbestimmungdurch die Anpassung einer Exponentialfunktion an die Meßwerte verkürzt diese Zeit auf 3-4 h. Die Wasserstoffkonzentration kann von 500 ppm bis 5 % linear nachgewiesen werden. Die H2-Konzentration [%] in Luft ergibt sich als(Meßsignal [mV]/cL) mit (cL = -1,73 mV/% H2). Eine gleichzeitig zur Messung erfolgende Gas-in-Öl-Analyse (DIN EN60567) ergibtKonzentrationen, die um einen Faktor 1,34 unter den vom Sensorsystem bestimmten liegen. Für die Bestimmung der Gaskonzentrationensind die Löslichkeitskoeffizienten wesentlich, deren Werte in der Literatur unterschiedlich angegeben werden.
Keywords: Membran-Gassensor-Kombination; Gas; ddc:530