Calculatrice SF₆ : masse, humidité, fuites, récupération et qualité du gaz

Ce que fait cette calculatrice

Deux choses que l’on traite mal sur le terrain : combien de kilos de SF₆ se trouvent réellement dans un compartiment, et ce que signifie le point de rosée que vient d’afficher l’analyseur.

Masse de gaz

Pour le registre des émissions, pour planifier une récupération et pour savoir si une fuite est significative, il faut la masse, pas la pression. Elle se calcule à partir du volume du compartiment, de la pression et de la température en résolvant l’équation de van der Waals pour le SF₆ (a = 7,857 L²·bar/mol², b = 0,0879 L/mol, M = 146,06 g/mol).

Ce n’est pas un raffinement académique. Le SF₆ s’écarte du gaz parfait bien plus tôt que l’air : à 6 bar absolus et 20 °C son facteur de compressibilité tourne autour de 0,94, si bien que la formule du gaz parfait laisse de côté environ 6 % de la masse. La calculatrice affiche cet écart pour que la taille de l’erreur soit visible.

La température compte autant que la pression : la même cellule à −10 °C et à 30 °C donne des pressions très différentes avec exactement la même quantité de gaz. C’est pour cela que les densimètres sont compensés en température, et qu’une « chute de pression » en hiver n’est pas toujours une fuite.

Humidité : point de rosée et ppmv

Après les produits de décomposition, l’eau est le problème du SF₆ : elle réduit la tenue diélectrique superficielle et, en présence d’arc, forme des composés corrosifs.

La calculatrice convertit dans les deux sens avec les équations de Buck, sur glace en dessous de 0 °C, comme le rapportent les hygromètres à point de rosée :

• du point de rosée mesuré vers les ppmv ;
• des ppmv vers le point de rosée obtenu à une autre pression.

Cette seconde conversion évite l’erreur d’essai la plus fréquente. La teneur en eau en ppmv ne change pas avec la pression — les molécules d’eau sont ce qu’elles sont — mais le point de rosée, si : en comprimant le gaz la pression partielle de vapeur augmente et l’eau condense à plus haute température. Mesurer à la pression atmosphérique et comparer à une limite donnée à la pression de service, ou l’inverse, revient à valider un gaz humide.

Taux de fuite

Deux façons de le mesurer, toutes deux dans la calculatrice :

• Cloche ou enveloppe (méthode par accumulation de la CEI 60068-2-17). On enferme l’appareil, on mesure la concentration de SF₆ dans la cloche au début et à la fin, et on applique L = (C1 − C0)·10⁻⁶·(Vs − V0)·p / t. Le résultat sort en Pa·m³/s et en mbar·L/s ; avec la température réelle du gaz, en grammes par seconde et par an.
• Deux relevés du compartiment. Pression et température à deux dates : la calculatrice résout van der Waals à chacune et soustrait les masses. C’est la seule façon honnête de lire une baisse de pression, car comparer des pressions sans corriger la température fait prendre le froid de l’hiver pour une fuite. Elle donne aussi la pression ramenée à 20 °C — celle que compare un densimètre compensé — et, avec la pression d’alarme, les années restantes avant son déclenchement.

Avec la masse de remplissage, les deux donnent le pourcentage annuel, comparé aux 0,5 % par an que la CEI 62271-1 fixe comme valeur normale pour les systèmes à pression fermés.

Temps de récupération et de vide

Pour planifier une consignation, il faut savoir combien de temps elle durera. La calculatrice estime trois choses :

• le temps de récupération jusqu’au vide final, en deux phases : débit massique constant tant que la pression dépasse celle d’aspiration du compresseur, puis décroissance exponentielle avec le compresseur à vide ;
• le gaz résiduel qui reste dans le compartiment à ce vide, et le pourcentage récupéré ;
• le temps d’évacuation de l’air jusqu’au vide visé avec la pompe à vide, en tenant compte de sa pression limite.

Les débits des AGRU-4X, AGRU-7, AGRU-8, AGTU et ARFU-2 sont préremplis d’après leur catalogue, et « Autre unité » accepte ceux de n’importe quelle autre. Le modèle n’inclut ni les pertes dans les flexibles ni la baisse de rendement du compresseur à basse pression : les temps réels sont un peu plus longs.

Critères d’acceptation : SF₆ neuf, usagé et en service

Le cinquième onglet compare les résultats de l’analyseur aux limites applicables à chaque cas :

Pour le gaz dans l’appareil, on applique le critère d’humidité de la CEI 60694 repris par CIGRE 234 : point de rosée à la pression de remplissage de −5 °C ou moins. L’humidité peut être saisie en ppmv, en ppmw ou comme point de rosée à la pression de mesure, et la calculatrice fait la conversion.

Pour un gaz usagé non conforme, l’outil indique quoi faire dans l’ordre d’analyse de la CEI 60480 : produits de décomposition (régénérer sur filtres ou renvoyer), air et CF₄ (pas de correction sur site : transférer la phase gazeuse), humidité (filtre sécheur) et huile (filtre à huile). L’édition 2004 de la CEI 60480 et le guide CIGRE 234 admettaient 750 ppmv d’eau dans les appareils de moins de 200 kPa absolus ; l’édition en vigueur n’a qu’une limite de 200 ppmv.

Exemple résolu

Compartiment de 1 m³ à 5 bar manométriques et 20 °C, avec un point de rosée mesuré de −40 °C à la pression atmosphérique.

• Pression absolue : 6,01 bar → masse volumique 38,4 kg/m³ → 38,4 kg de SF₆. En gaz parfait on aurait obtenu 36,1 kg : 2,3 kg de moins.
• −40 °C à 1,013 bar équivalent à 127 ppmv.
• Ce même gaz, à 6 bar absolus, a un point de rosée de −23 °C.
• Taux de fuite à la cloche : de 0 à 10 ppmv en 24 h dans une cloche de 1 m³ autour de 0,2 m³ d’appareil, à 1,013 bar et 20 °C → 9,4·10⁻⁶ Pa·m³/s, environ 18 g de SF₆ par an : 0,05 % des 38,4 kg, bien en dessous de 0,5 % par an.
• Récupération avec un AGRU-8 jusqu’à 20 mbar : environ 1 h 36 min, avec 120 g de gaz résiduel (99,7 % récupéré). Évacuer ensuite l’air jusqu’à 1 mbar avec sa pompe de 25 m³/h : environ 17 min.

Ce que cette calculatrice ne fait pas

Elle ne mesure pas le gaz : la pureté, l’humidité et les produits de décomposition viennent de l’analyseur, et la calculatrice compare seulement ces résultats aux limites de la norme. Elle ne remplace ni le densimètre de la cellule ni la localisation de la fuite : le taux dit combien on perd, pas par où ; cela, c’est le détecteur ou la caméra qui le dit. Et elle ne couvre ni les mélanges SF₆/N₂ ni les gaz alternatifs, dont les constantes sont différentes.

Avec quoi on mesure

La pureté, l’humidité et les produits de décomposition se mesurent avec un analyseur de gaz SF₆. La détection de fuites et les équipements de récupération, de stockage et de remplissage relèvent de la même gamme d’essai d’appareillage.