Calculadora de SF6: masa, humedad, fugas, recuperación y calidad del gas
Masa de SF6, punto de rocío ↔ ppmv, tasa de fugas frente a IEC 62271-1, tiempos de recuperación y criterios de aceptación de SF6 nuevo (IEC 60376) y usado (IEC 60480).
SF6: masa, humedad, fugas, recuperación y calidad del gas
Calcule los kilos de SF6 de un compartimento, convierta la humedad entre punto de rocío y ppmv, obtenga la tasa de fugas y su porcentaje anual, estime los tiempos de recuperación y vacío, y compruebe si un gas nuevo, usado o en servicio cumple los criterios de aceptación de IEC 60376 e IEC 60480.
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Qué hace esta calculadora
Dos cosas que en campo se resuelven mal: cuántos kilos de SF6 hay realmente en un compartimento, y qué significa el punto de rocío que acaba de dar el analizador.
Masa de gas
Para el registro de emisiones, para planificar una recuperación y para saber si una fuga es relevante hace falta la masa, no la presión. Se calcula a partir del volumen del compartimento, la presión y la temperatura, resolviendo la ecuación de van der Waals para el SF6 (a = 7,857 L²·bar/mol², b = 0,0879 L/mol, M = 146,06 g/mol).
No es un refinamiento académico. El SF6 se aleja del comportamiento de gas ideal mucho antes que el aire: a 6 bar absolutos y 20 °C su factor de compresibilidad ronda 0,94, así que la fórmula del gas ideal deja fuera alrededor de un 6 % de la masa. La calculadora muestra esa desviación para que se vea el tamaño del error.
La temperatura importa tanto como la presión: la misma celda a −10 °C y a 30 °C da presiones muy distintas con exactamente la misma cantidad de gas. Por eso los densímetros compensan en temperatura y por eso una «pérdida de presión» en invierno no siempre es una fuga.
Humedad: punto de rocío y ppmv
El agua es, después de los productos de descomposición, el problema del SF6: reduce la rigidez dieléctrica superficial y, en presencia de arco, forma compuestos corrosivos.
La calculadora convierte en los dos sentidos usando las ecuaciones de Buck, sobre hielo por debajo de 0 °C, que es como informan los higrómetros de punto de rocío:
- de punto de rocío medido a ppmv;
- de ppmv al punto de rocío que daría a otra presión.
Esa segunda conversión es la que evita el error más común del ensayo. El contenido de agua en ppmv no cambia con la presión —las moléculas de agua son las que son—, pero el punto de rocío sí: al comprimir el gas sube la presión parcial del vapor y el agua condensa a mayor temperatura. Medir a presión atmosférica y comparar con un límite dado a presión de servicio, o al revés, lleva a dar por bueno un gas húmedo.
Tasa de fugas
Dos maneras de medirla, las dos en la calculadora:
- Campana o envolvente (método de acumulación de IEC 60068-2-17). Se encierra el equipo, se mide la concentración de SF6 en la campana al principio y al final y se aplica L = (C1 − C0)·10⁻⁶·(Vs − V0)·p / t. Sale en Pa·m³/s y en mbar·L/s; con la temperatura real del gas, en gramos por segundo y por año.
- Dos lecturas del compartimento. Presión y temperatura en dos fechas: la calculadora resuelve van der Waals en cada una y resta masas. Es la única forma honrada de leer una caída de presión, porque compararlas sin corregir la temperatura confunde el frío del invierno con una fuga. Devuelve además la presión referida a 20 °C —la que compara un densímetro compensado— y, con la presión de alarma, los años que quedan hasta que salte.
Con la masa de llenado, las dos dan el porcentaje anual, que se compara con el 0,5 % anual que IEC 62271-1 fija como valor normal para sistemas de presión cerrados.
Tiempos de recuperación y vacío
Para planificar un descargo hace falta saber cuánto va a durar. La calculadora estima tres cosas:
- el tiempo de recuperación hasta el vacío final, en dos fases: caudal másico constante mientras la presión supera la de aspiración del compresor, y descenso exponencial por debajo con el compresor de vacío;
- el gas residual que queda en el compartimento a ese vacío, y el porcentaje recuperado;
- el tiempo de evacuación del aire hasta el vacío objetivo con la bomba de vacío, teniendo en cuenta su presión límite.
Los caudales del AGRU-4X, AGRU-7, AGRU-8, AGTU y ARFU-2 vienen precargados de su catálogo, y con «Otro equipo» se introducen los de cualquiera. El modelo no incluye pérdidas en mangueras ni la caída de rendimiento del compresor a baja presión: los tiempos reales son algo mayores.
Criterios de aceptación: SF6 nuevo, usado y en servicio
La quinta pestaña compara los resultados del analizador con los límites que aplican a cada caso:
| Parámetro | Nuevo, SF6 puro (IEC 60376) | Nuevo, para mezclas | Usado para reutilizar (IEC 60480:2019) |
|---|---|---|---|
| SF6 | > 98,5 % | > 99,7 % | > 97 % |
| Aire | < 1 % | < 0,2 % | aire + CF4 < 3 % |
| CF4 | < 0,4 % | < 0,08 % | |
| Agua | < 200 ppmv | < 200 ppmv | < 200 ppmv |
| Aceite mineral | < 10 mg/kg | < 10 mg/kg | < 10 mg/kg |
| Acidez / descomposición | acidez total < 7 ppmv | acidez total < 7 ppmv | < 50 ppmv total, < 12 ppmv SO2 + SOF2 o < 25 ppmv HF |
Para el gas dentro del equipo se aplica el criterio de humedad de IEC 60694 que recoge CIGRE 234: punto de rocío a la presión de llenado de −5 °C o menos. La humedad se puede introducir en ppmv, en ppmw o como punto de rocío a la presión a la que se midió, y la calculadora hace la conversión.
Con el gas usado que no cumple, la herramienta indica qué hacer en el orden de análisis de IEC 60480: productos de descomposición (regenerar con filtros o devolver), aire y CF4 (no se arreglan in situ: trasvasar la fase gaseosa), humedad (filtro secador) y aceite (filtro de aceite). La edición de 2004 de IEC 60480 y la guía CIGRE 234 admitían 750 ppmv de agua en equipos de menos de 200 kPa absolutos; la edición vigente deja un único límite de 200 ppmv.
Ejemplo resuelto
Compartimento de 1 m³ a 5 bar manométricos y 20 °C, con un punto de rocío medido de −40 °C a presión atmosférica.
- Presión absoluta: 6,01 bar → densidad 38,4 kg/m³ → 38,4 kg de SF6. Como gas ideal habrían salido 36,1 kg: 2,3 kg de menos.
- −40 °C a 1,013 bar equivalen a 127 ppmv.
- Ese mismo gas, a 6 bar absolutos, tiene un punto de rocío de −23 °C.
- Tasa de fugas con campana: de 0 a 10 ppmv en 24 h en una campana de 1 m³ con un equipo de 0,2 m³, a 1,013 bar y 20 °C → 9,4·10⁻⁶ Pa·m³/s, unos 18 g de SF6 al año: el 0,05 % de los 38,4 kg, muy dentro del 0,5 % anual.
- Recuperación con un AGRU-8 hasta 20 mbar: unos 1 h 36 min, con 120 g de gas residual (el 99,7 % recuperado). Evacuar después el aire hasta 1 mbar con su bomba de 25 m³/h: unos 17 min.
Lo que esta calculadora no hace
No mide el gas: la pureza, la humedad y los productos de descomposición los da el analizador, y la calculadora solo compara esos resultados con los límites de la norma. No sustituye al densímetro de la celda ni a la localización de la fuga: la tasa dice cuánto se pierde, no por dónde; eso lo dicen el detector o la cámara. Y no cubre mezclas SF6/N2 ni los gases alternativos, cuyas constantes son otras.
Con qué se mide
La pureza, la humedad y los productos de descomposición se miden con un analizador de gas SF6. Para las fugas están los detectores de SF6, y para recuperar, almacenar y volver a llenar el gas, los equipos de manipulación.
Preguntas frecuentes
- ¿Por qué no vale tratar el SF6 como gas ideal?
- Porque es una molécula grande y pesada que se aparta bastante del comportamiento ideal ya a presiones de servicio. A 6 bar y 20 °C el factor de compresibilidad ronda 0,94: calcular la masa como gas ideal la subestima alrededor de un 6 %. En un compartimento de 500 litros eso son casi dos kilos de gas que faltan en el registro de emisiones.
- ¿Por qué el mismo gas da puntos de rocío distintos?
- Porque el punto de rocío depende de la presión parcial del vapor de agua, y esa presión parcial sube con la presión total. El mismo contenido en ppmv que a presión atmosférica condensa a −40 °C, a 6 bar absolutos condensa por encima de −25 °C. Por eso un valor de punto de rocío sin la presión a la que se midió no significa nada.
- ¿Se mide la humedad a presión de servicio o a presión atmosférica?
- Depende del instrumento y del límite que se aplique. Muchos analizadores miden a presión reducida y luego calculan; las guías y los límites suelen darse referidos a una presión concreta. Lo importante es no comparar una medida hecha a una presión con un límite dado a otra: esta calculadora hace precisamente esa conversión.
- ¿Cómo se calcula la tasa de fugas de SF6 con una campana?
- Se encierra el equipo en una campana o envolvente, se mide la concentración de SF6 dentro al principio y al final de un periodo conocido y se aplica L = (C1 − C0)·10⁻⁶·(Vs − V0)·p / t, donde Vs − V0 es el volumen libre de la campana. Con la temperatura se pasa a gramos por segundo y por año, y con la masa de llenado a porcentaje anual, que es lo que se compara con el 0,5 % anual de IEC 62271-1.
- ¿Cuánto se tarda en recuperar el SF6 de un compartimento?
- Depende sobre todo del caudal del compresor y del vacío final. Un compartimento de 1 m³ a 5 bar manométricos (unos 38 kg) con un AGRU-8 baja a 20 mbar en algo más de hora y media según el modelo de la calculadora, y deja unos 120 g en el compartimento. Bajar a 1 mbar deja solo 6 g, pero alarga la fase de vacío y exige un equipo que llegue a ese vacío.
- ¿Qué pureza debe tener el SF6 nuevo y el reutilizado?
- El SF6 nuevo, según IEC 60376:2018, debe tener más del 98,5 % de SF6, menos del 1 % de aire, menos del 0,4 % de CF4 y menos de 200 ppmv de agua; si es para mezclas, más del 99,7 %. El SF6 usado puede volver a un equipo, según IEC 60480:2019, con más del 97 % de SF6, menos del 3 % de aire y CF4 juntos, menos de 200 ppmv de agua y productos de descomposición por debajo de 50 ppmv en total (12 ppmv de SO2 + SOF2 o 25 ppmv de HF).
- ¿Qué humedad se admite en el SF6 de un equipo en servicio?
- El criterio clásico, de IEC 60694 y recogido en la guía CIGRE 234, es un punto de rocío de −5 °C o inferior a la presión de llenado, que equivale a una presión parcial de vapor de 400 Pa. Deja margen frente a la condensación, que empieza a 0 °C (611 Pa). Como depende de la presión, el mismo gas que cumple a 2 bar puede no cumplir a 7 bar.