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:
| Parametro | Nuovo, SF6 puro (IEC 60376:2018) | Nuovo, per miscele | Usato, 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 / decomposizione | acidità totale < 7 ppmv | acidità 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).