Calcolatore SF6: massa, umidità, perdite, recupero e qualità del gas

Massa di SF6, punto di rugiada ↔ ppmv, tasso di perdita rispetto alla IEC 62271-1:2017, tempi di recupero e criteri di accettazione dell'SF6 nuovo (IEC 60376:2018) e usato (IEC 60480:2019).

SF6: massa, umidità, perdite, recupero e qualità del gas

Calcoli i chili di SF6 di uno scomparto, converta l'umidità tra punto di rugiada e ppmv, ottenga il tasso di perdita e la sua percentuale annua, stimi i tempi di recupero e di vuoto, e verifichi se un gas nuovo o usato rispetta i criteri di accettazione della IEC 60376:2018 e della IEC 60480:2019.

Risultato indicativo. Il calcolo viene eseguito da un server di Amperis con i dati del modulo, che non vengono conservati. Questo sito può contenere errori od omissioni: prima di prendere qualsiasi decisione su un impianto, l'informazione deve essere verificata e validata da un ingegnere qualificato. Note legali e condizioni di utilizzo

Che cosa fa questo calcolatore

Due cose che in campo si risolvono male: quanti chilogrammi di SF6 ci sono realmente in uno scomparto, e che cosa significa il punto di rugiada che l’analizzatore ha appena dato.

Massa del gas

Per il registro delle emissioni, per pianificare un recupero e per sapere se una perdita è rilevante serve la massa, non la pressione. Si calcola a partire dal volume dello scomparto, dalla pressione e dalla temperatura, risolvendo l’equazione di van der Waals per l’SF6 (a = 7,857 L²·bar/mol², b = 0,0879 L/mol, M = 146,06 g/mol).

Non è un raffinamento accademico. L’SF6 si allontana dal comportamento di gas ideale molto prima dell’aria: a 6 bar assoluti e 20 °C il suo fattore di comprimibilità è intorno a 0,94, quindi la formula del gas ideale lascia fuori circa il 6 % della massa. Il calcolatore mostra tale scostamento perché se ne veda la dimensione.

La temperatura conta quanto la pressione: la stessa cella a −10 °C e a 30 °C dà pressioni molto diverse con esattamente la stessa quantità di gas. Per questo i densimetri compensano in temperatura e per questo un «calo di pressione» in inverno non è sempre una perdita.

Umidità: punto di rugiada e ppmv

L’acqua è, dopo i prodotti di decomposizione, il problema dell’SF6: riduce la rigidità dielettrica superficiale e, in presenza di arco, forma composti corrosivi.

Il calcolatore converte nei due sensi usando le equazioni di Buck, su ghiaccio al di sotto di 0 °C, che è il modo in cui riportano il dato gli igrometri a punto di rugiada:

  • dal punto di rugiada misurato a ppmv;
  • da ppmv al punto di rugiada che si otterrebbe a un’altra pressione.

Questa seconda conversione è quella che evita l’errore più comune della prova. Il contenuto di acqua in ppmv non cambia con la pressione — le molecole d’acqua sono quelle che sono —, ma il punto di rugiada sì: comprimendo il gas sale la pressione parziale del vapore e l’acqua condensa a temperatura più alta. Misurare a pressione atmosferica e confrontare con un limite dato a pressione di servizio, o viceversa, porta a dare per buono un gas umido.

Tasso di perdita

Due modi di misurarlo, entrambi nel calcolatore:

  • Campana o involucro (metodo ad accumulo della IEC 60068-2-17:2023). Si racchiude l’apparecchiatura, si misura la concentrazione di SF6 nella campana all’inizio e alla fine e si applica L = (C1 − C0)·10⁻⁶·(Vs − V0)·p / t. Esce in Pa·m³/s e in mbar·L/s; con la temperatura reale del gas, in grammi al secondo e all’anno.
  • Due letture dello scomparto. Pressione e temperatura in due date: il calcolatore risolve van der Waals per ciascuna e sottrae le masse. È l’unico modo onesto di leggere un calo di pressione, perché confrontarle senza correggere la temperatura scambia il freddo dell’inverno per una perdita. Restituisce anche la pressione riferita a 20 °C — quella che confronta un densimetro compensato — e, con la pressione di allarme, gli anni che mancano allo scatto.

Con la massa di riempimento, entrambi danno la percentuale annua, confrontata con lo 0,5 % annuo che la IEC 62271-1:2017 fissa come valore normale per i sistemi a pressione chiusi.

Tempi di recupero e di vuoto

Per pianificare un fuori servizio bisogna sapere quanto durerà. Il calcolatore stima tre cose:

  • il tempo di recupero fino al vuoto finale, in due fasi: portata massica costante finché la pressione supera quella di aspirazione del compressore, e discesa esponenziale al di sotto con il compressore per vuoto;
  • il gas residuo che resta nello scomparto a quel vuoto, e la percentuale recuperata;
  • il tempo di evacuazione dell’aria fino al vuoto obiettivo con la pompa per vuoto, tenendo conto della sua pressione limite.

Le portate di AGRU-4X, AGRU-7, AGRU-8, AGTU e ARFU-2 sono precaricate dal loro catalogo, e con «Altra unità» si inseriscono quelle di qualsiasi altra. Il modello non include le perdite nei tubi né il calo di rendimento del compressore a bassa pressione: i tempi reali sono un po’ più lunghi.

Criteri di accettazione: SF6 nuovo e usato

La quinta scheda confronta i risultati dell’analizzatore con i limiti che si applicano a ciascun caso:

ParametroNuovo, SF6 puro (IEC 60376:2018)Nuovo, per misceleUsato, da riutilizzare (IEC 60480:2019)
SF6> 98,5 %> 99,7 %> 97 %
Aria< 1 %< 0,2 %aria + CF4 < 3 %
CF4< 0,4 %< 0,08 %
Acqua< 200 ppmv< 200 ppmv< 200 ppmv
Olio minerale< 10 mg/kg< 10 mg/kg< 10 mg/kg
Acidità / decomposizioneacidità totale < 7 ppmvacidità totale < 7 ppmv< 50 ppmv totale, < 12 ppmv SO2 + SOF2 o < 25 ppmv HF

L’umidità si può inserire in ppmv, in ppmw o come punto di rugiada alla pressione di misura, e il calcolatore fa la conversione.

Con il gas usato non conforme, lo strumento indica cosa fare nell’ordine di analisi della IEC 60480:2019: prodotti di decomposizione (rigenerare con filtri o restituire), aria e CF4 (non si correggono in loco: travasare la fase gassosa), umidità (filtro essiccatore) e olio (filtro dell’olio). L’edizione 2004 della IEC 60480 e la guida CIGRE 234 ammettevano 750 ppmv d’acqua nelle apparecchiature sotto 200 kPa assoluti; l’edizione vigente ha un unico limite di 200 ppmv.

Esempio risolto

Scomparto da 1 m³ a 5 bar relativi e 20 °C, con un punto di rugiada misurato di −40 °C a pressione atmosferica.

  • Pressione assoluta: 6,01 bar → densità 38,4 kg/m³ → 38,4 kg di SF6. Come gas ideale sarebbero risultati 36,1 kg: 2,3 kg in meno.
  • −40 °C a 1,013 bar equivalgono a 127 ppmv.
  • Quello stesso gas, a 6 bar assoluti, ha un punto di rugiada di −23 °C.
  • Tasso di perdita con campana: da 0 a 10 ppmv in 24 h in una campana di 1 m³ attorno a 0,2 m³ di apparecchiatura, a 1,013 bar e 20 °C → 9,4·10⁻⁶ Pa·m³/s, circa 18 g di SF6 all’anno: lo 0,05 % dei 38,4 kg, ampiamente entro lo 0,5 % annuo.
  • Recupero con un AGRU-8 fino a 20 mbar: circa 1 h 36 min, con 120 g di gas residuo (99,7 % recuperato). Evacuare poi l’aria fino a 1 mbar con la sua pompa da 25 m³/h: circa 17 min.

Che cosa non fa questo calcolatore

Non misura il gas: purezza, umidità e prodotti di decomposizione li fornisce l’analizzatore, e il calcolatore confronta soltanto quei risultati con i limiti della norma. Non sostituisce il densimetro della cella né la localizzazione della perdita: il tasso dice quanto si perde, non da dove; questo lo dicono il rilevatore o la termocamera. E non copre né le miscele SF6/N2 né i gas alternativi, le cui costanti sono diverse.

Con che cosa si misura

La purezza, l’umidità e i prodotti di decomposizione si misurano con un analizzatore di gas SF6. La rilevazione delle perdite e le apparecchiature per recuperare, stoccare e ricaricare il gas appartengono alla stessa gamma di prova degli interruttori.

Domande frequenti

Perché non si può trattare l'SF6 come un gas ideale?
Perché è una molecola grande e pesante che si discosta sensibilmente dal comportamento ideale già alle pressioni di servizio. A 6 bar e 20 °C il fattore di comprimibilità è intorno a 0,94: calcolare la massa come gas ideale la sottostima di circa il 6 %. In uno scomparto da 500 litri sono quasi due chili di gas che mancano nel registro delle emissioni.
Perché lo stesso gas dà punti di rugiada diversi?
Perché il punto di rugiada dipende dalla pressione parziale del vapore acqueo, e tale pressione parziale sale con la pressione totale. Lo stesso contenuto in ppmv che a pressione atmosferica condensa a −40 °C, a 6 bar assoluti condensa al di sopra di −25 °C. Per questo un valore di punto di rugiada senza la pressione alla quale è stato misurato non significa nulla.
L'umidità si misura a pressione di servizio o a pressione atmosferica?
Dipende dallo strumento e dal limite che si applica. Molti analizzatori misurano a pressione ridotta e poi calcolano; le guide e i limiti sono di solito riferiti a una pressione precisa. L’importante è non confrontare una misura eseguita a una pressione con un limite dato a un’altra: questo calcolatore esegue esattamente tale conversione.
Come si calcola il tasso di perdita di SF6 con una campana?
Si racchiude l’apparecchiatura in una campana o involucro, si misura la concentrazione di SF6 all’interno all’inizio e alla fine di un periodo noto e si applica L = (C1 − C0)·10⁻⁶·(Vs − V0)·p / t, dove Vs − V0 è il volume libero della campana. Con la temperatura si passa a grammi al secondo e all’anno, e con la massa di riempimento alla percentuale annua, che si confronta con lo 0,5 % annuo della IEC 62271-1:2017.
Quanto tempo serve per recuperare l'SF6 di uno scomparto?
Dipende soprattutto dalla portata del compressore e dal vuoto finale. Uno scomparto di 1 m³ a 5 bar relativi (circa 38 kg) con un AGRU-8 scende a 20 mbar in poco più di un’ora e mezza secondo il modello del calcolatore, e lascia circa 120 g nello scomparto. Scendere a 1 mbar ne lascia solo 6 g, ma allunga la fase di vuoto e richiede un’unità che raggiunga quel vuoto.
Che purezza devono avere l'SF6 nuovo e quello riutilizzato?
L’SF6 nuovo, secondo la IEC 60376:2018, deve contenere più del 98,5 % di SF6, meno dell'1 % di aria, meno dello 0,4 % di CF4 e meno di 200 ppmv d’acqua; per le miscele, più del 99,7 %. L’SF6 usato può tornare in un’apparecchiatura, secondo la IEC 60480:2019, con più del 97 % di SF6, meno del 3 % di aria e CF4 insieme, meno di 200 ppmv d’acqua e prodotti di decomposizione sotto 50 ppmv in totale (12 ppmv di SO2 + SOF2 o 25 ppmv di HF).

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