Calculadora de SF₆: massa, humidade, fugas, recuperação e qualidade do gás

O que faz esta calculadora

Duas coisas que no terreno se resolvem mal: quantos quilos de SF₆ há realmente num compartimento, e o que significa o ponto de orvalho que o analisador acabou de dar.

Massa de gás

Para o registo de emissões, para planear uma recuperação e para saber se uma fuga é relevante é precisa a massa, não a pressão. Calcula-se a partir do volume do compartimento, da pressão e da temperatura, resolvendo a equação de van der Waals para o SF₆ (a = 7,857 L²·bar/mol², b = 0,0879 L/mol, M = 146,06 g/mol).

Não é um refinamento académico. O SF₆ afasta-se do comportamento de gás ideal muito antes do que o ar: a 6 bar absolutos e 20 °C o seu fator de compressibilidade ronda 0,94, pelo que a fórmula do gás ideal deixa de fora cerca de 6 % da massa. A calculadora mostra esse desvio para que se veja o tamanho do erro.

A temperatura importa tanto como a pressão: a mesma célula a −10 °C e a 30 °C dá pressões muito diferentes com exatamente a mesma quantidade de gás. É por isso que os densímetros compensam em temperatura e é por isso que uma «perda de pressão» no inverno nem sempre é uma fuga.

Humidade: ponto de orvalho e ppmv

A água é, depois dos produtos de decomposição, o problema do SF₆: reduz a rigidez dielétrica superficial e, na presença de arco, forma compostos corrosivos.

A calculadora converte nos dois sentidos usando as equações de Buck, sobre gelo abaixo de 0 °C, que é como reportam os higrómetros de ponto de orvalho:

• do ponto de orvalho medido para ppmv;
• de ppmv para o ponto de orvalho que resultaria a outra pressão.

Essa segunda conversão é a que evita o erro mais comum do ensaio. O teor de água em ppmv não muda com a pressão — as moléculas de água são as que são —, mas o ponto de orvalho muda: ao comprimir o gás sobe a pressão parcial do vapor e a água condensa a temperatura mais alta. Medir à pressão atmosférica e comparar com um limite dado à pressão de serviço, ou ao contrário, leva a dar por bom um gás húmido.

Taxa de fugas

Duas maneiras de a medir, ambas na calculadora:

• Campânula ou envolvente (método de acumulação da IEC 60068-2-17). Encerra-se o equipamento, mede-se a concentração de SF₆ na campânula no início e no fim e aplica-se L = (C1 − C0)·10⁻⁶·(Vs − V0)·p / t. Sai em Pa·m³/s e em mbar·L/s; com a temperatura real do gás, em gramas por segundo e por ano.
• Duas leituras do compartimento. Pressão e temperatura em duas datas: a calculadora resolve van der Waals em cada uma e subtrai as massas. É a única forma honesta de ler uma queda de pressão, porque compará-las sem corrigir a temperatura confunde o frio do inverno com uma fuga. Devolve ainda a pressão referida a 20 °C — a que compara um densímetro compensado — e, com a pressão de alarme, os anos que faltam até disparar.

Com a massa de enchimento, ambas dão a percentagem anual, que se compara com os 0,5 % anuais que a IEC 62271-1 fixa como valor normal para sistemas de pressão fechados.

Tempos de recuperação e vácuo

Para planear uma consignação é preciso saber quanto vai demorar. A calculadora estima três coisas:

• o tempo de recuperação até ao vácuo final, em duas fases: caudal mássico constante enquanto a pressão supera a de aspiração do compressor, e descida exponencial abaixo dela com o compressor de vácuo;
• o gás residual que fica no compartimento a esse vácuo, e a percentagem recuperada;
• o tempo de evacuação do ar até ao vácuo objetivo com a bomba de vácuo, tendo em conta a sua pressão limite.

Os caudais do AGRU-4X, AGRU-7, AGRU-8, AGTU e ARFU-2 vêm pré-carregados do seu catálogo, e com «Outro equipamento» introduzem-se os de qualquer outro. O modelo não inclui perdas nas mangueiras nem a queda de rendimento do compressor a baixa pressão: os tempos reais são algo maiores.

Critérios de aceitação: SF₆ novo, usado e em serviço

O quinto separador compara os resultados do analisador com os limites que se aplicam a cada caso:

Para o gás dentro do equipamento aplica-se o critério de humidade da IEC 60694 recolhido no CIGRE 234: ponto de orvalho à pressão de enchimento de −5 °C ou menos. A humidade pode introduzir-se em ppmv, em ppmw ou como ponto de orvalho à pressão a que se mediu, e a calculadora faz a conversão.

Com o gás usado que não cumpre, a ferramenta indica o que fazer pela ordem de análise da IEC 60480: produtos de decomposição (regenerar com filtros ou devolver), ar e CF₄ (não se corrigem no local: transferir a fase gasosa), humidade (filtro secador) e óleo (filtro de óleo). A edição de 2004 da IEC 60480 e o guia CIGRE 234 admitiam 750 ppmv de água em equipamentos de menos de 200 kPa absolutos; a edição em vigor tem um único limite de 200 ppmv.

Exemplo resolvido

Compartimento de 1 m³ a 5 bar manométricos e 20 °C, com um ponto de orvalho medido de −40 °C à pressão atmosférica.

• Pressão absoluta: 6,01 bar → densidade 38,4 kg/m³ → 38,4 kg de SF₆. Como gás ideal teriam saído 36,1 kg: menos 2,3 kg.
• −40 °C a 1,013 bar equivalem a 127 ppmv.
• Esse mesmo gás, a 6 bar absolutos, tem um ponto de orvalho de −23 °C.
• Taxa de fugas com campânula: de 0 a 10 ppmv em 24 h numa campânula de 1 m³ com um equipamento de 0,2 m³, a 1,013 bar e 20 °C → 9,4·10⁻⁶ Pa·m³/s, cerca de 18 g de SF₆ por ano: 0,05 % dos 38,4 kg, muito dentro dos 0,5 % anuais.
• Recuperação com um AGRU-8 até 20 mbar: cerca de 1 h 36 min, com 120 g de gás residual (99,7 % recuperado). Evacuar depois o ar até 1 mbar com a sua bomba de 25 m³/h: cerca de 17 min.

O que esta calculadora não faz

Não mede o gás: a pureza, a humidade e os produtos de decomposição vêm do analisador, e a calculadora só compara esses resultados com os limites da norma. Não substitui o densímetro da célula nem a localização da fuga: a taxa diz quanto se perde, não por onde; isso diz o detetor ou a câmara. E não cobre misturas SF₆/N₂ nem os gases alternativos, cujas constantes são outras.

Com que se mede

A pureza, a humidade e os produtos de decomposição medem-se com um analisador de gás SF₆. A deteção de fugas e os equipamentos para recuperar, armazenar e voltar a encher o gás pertencem a essa mesma gama de ensaio de aparelhagem.