Come Calcolare il Contenuto di Umidità in Apparecchiature GIS e GIL Riempiti con SF₆

Comprensione del Punto di Rugiada, ppmv, Pressione, Temperatura e Contenuto di Vapore Acqueo dell'SF₆

Nei quadri elettrici isolati in gas (GIS) e nelle linee di trasmissione isolate in gas (GIL), l'esafluoruro di zolfo (SF₆) è ampiamente utilizzato come mezzo isolante e di estinzione dell'arco. Mantenere un'adeguata qualità del gas è essenziale per prestazioni di isolamento affidabili, durata utile delle apparecchiature e funzionamento sicuro.

Tra i diversi parametri di qualità del gas SF₆,il contenuto di umidità è uno dei fattori più importanti da monitorare.

L'umidità eccessiva può ridurre le prestazioni dielettriche del gas e, in determinate condizioni, contribuire alla formazione di sottoprodotti corrosivi o correlati alla decomposizione. Per questo motivo, i produttori di GIS e GIL, gli ingegneri di messa in servizio e i team di manutenzione misurano regolarmente il punto di rugiada dell'SF₆ o la concentrazione di umidità.

Ma spesso sorge una domanda importante:

Se un analizzatore di SF₆ riporta una certa concentrazione di umidità, quanta acqua è effettivamente presente all'interno del compartimento GIS o GIL?

La risposta richiede la comprensione della relazione trapunto di rugiada, ppmv, pressione del gas, temperatura e volume del gas.

1. Cosa Significa il Contenuto di Umidità dell'SF₆?

Quando un analizzatore di gas SF₆ riporta l'umidità, il risultato può essere espresso in diverse unità, a seconda dello strumento e dell'applicazione.

Le unità comuni includono:

• Punto di rugiada (°C)
• Concentrazione di umidità (ppmv)
• Concentrazione di umidità (mg/m³)

Questi parametri descrivono la quantità di vapore acqueo presente nella fase gassosa dell'SF₆.

Ad esempio, una lettura di:

100 ppmv H₂O

significa che il vapore acqueo occupa circa 100 parti per milione in volume della miscela gassosa nelle condizioni di misurazione definite.

Ciò non significa necessariamente che l'intero compartimento GIS contenga solo una quantità fissa di acqua pari all'acqua calcolata in fase gassosa.

Questa distinzione è importante perché l'umidità può anche essere assorbita o adsorbita dai materiali isolanti, dalle guarnizioni e dalle superfici interne.

2. Punto di Rugiada vs. ppmv

Il punto di rugiada e i ppmv descrivono l'umidità in modi diversi.

Punto di Rugiada

Ilpunto di rugiada è la temperatura alla quale il vapore acqueo inizia a condensare in condizioni di pressione specificate.

Un punto di rugiada più basso indica generalmente un livello di umidità inferiore.

Ad esempio, l'SF₆ con un punto di rugiada di −40°C è significativamente più secco dell'SF₆ con un punto di rugiada di −20°C.

ppmv

ppmv (parti per milione in volume)esprime direttamente la concentrazione relativa di vapore acqueo nel gas.

Tuttavia, il punto di rugiada e i ppmv non dovrebbero essere trattati come valori fissi intercambiabili.

La relazione tra punto di rugiada e concentrazione di umidità dipende da fattori tra cuipressione, temperatura e proprietà termodinamiche della miscela gassosa.

Pertanto, quando si converte una misurazione del punto di rugiada in una concentrazione di umidità, le condizioni di misurazione devono essere chiaramente definite.

3. Come Calcolare la Quantità di Vapore Acqueo

Se la concentrazione di umidità è già disponibile in ppmv, la quantità approssimativa di vapore acqueo in un compartimento GIS o GIL può essere calcolata utilizzando l'equazione dei gas ideali.

La quantità totale di gas è:

n = PV / RT

dove:

• n= quantità totale di gas, mol
• P= pressione assoluta, Pa
• V= volume del gas, m³
• R= costante universale dei gas, 8,314 J/(mol·K)
• T= temperatura assoluta, K

Se la concentrazione di umidità èC ppmv, la quantità approssimativa di vapore acqueo è:

n(H₂O) = n * C / 1.000.000

La massa d'acqua corrispondente è:

m(H₂O) = n(H₂O) * 18,015 g/mol

Ciò fornisce una stima del vapore acqueo contenuto nella fase gassosa.

4. Esempio: Compartimento GIS da 1 m³

Consideriamo un esempio semplificato.

Un compartimento GIS ha:

• Volume del gas:1 m³
• Pressione assoluta SF₆:0,6 MPa
• Temperatura del gas:20°C
• Concentrazione di umidità:100 ppmv

Innanzitutto convertire la temperatura:

T = 20 + 273,15 = 293,15 K

Utilizzando:

n = PV / RT

otteniamo approssimativamente:

n ≈ 246 mol

La quantità di vapore acqueo è quindi approssimativamente:

246 * 100 / 1.000.000 = 0,0246 mol

Utilizzando la massa molecolare dell'acqua:

m ≈ 0,0246 * 18,015 ≈ 0,44 g

Pertanto, in queste condizioni specifiche, la fase gassosa contiene approssimativamente:

0,44 g di vapore acqueo

Questo esempio illustra un punto importante: anche una concentrazione di umidità relativamente piccola può corrispondere a una quantità misurabile di acqua quando il volume e la pressione del gas sono significativi.

5. Perché Pressione e Temperatura Contano

Il calcolo sopra non può essere applicato universalmente a ogni sistema GIS o GIL.

A parità di volume del gas e concentrazione di umidità, l'aumento della pressione assoluta aumenta la quantità totale di gas contenuta nel compartimento e quindi aumenta la quantità corrispondente di vapore acqueo.

La temperatura influisce anche sulla relazione tra le proprietà del gas, la pressione di vapore e il punto di rugiada.

Questo è il motivo per cui una corretta valutazione dell'umidità dovrebbe registrare almeno:

• Pressione del gas
• Temperatura del gas
• Volume del gas, quando si stima la quantità totale di acqua
• Concentrazione di umidità o punto di rugiada
• Condizioni di misurazione

Nei test pratici sull'SF₆, dovrebbero essere considerati anche il metodo di misurazione dell'analizzatore e le condizioni di campionamento.

6. Il Valore Calcolato Rappresenta Tutta l'Acqua all'Interno del GIS?

No.

Questo è forse il punto più importante nell'interpretazione delle misurazioni di umidità dell'SF₆.

Il valore calcolato rappresenta una stima delvapore acqueo presente nella fase gassosa.

Un sistema GIS o GIL può contenere anche umidità associata a:

• Materiali isolanti solidi
• Superfici metalliche interne
• Materiali di tenuta
• Umidità superficiale adsorbita
• Umidità residua introdotta durante la produzione o l'installazione

Questi materiali possono rilasciare gradualmente umidità nel gas SF₆.

Di conseguenza, le letture di umidità possono cambiare dopo la messa in servizio, il riempimento del gas, l'evacuazione o le operazioni di essiccazione.

Ad esempio, un GIS può inizialmente mostrare una lettura di umidità relativamente bassa dopo l'essiccazione, ma il valore può aumentare in seguito poiché l'umidità residua migra dai materiali interni nel gas SF₆.

Pertanto, il test di umidità non è semplicemente un calcolo una tantum.Il monitoraggio delle tendenze e le corrette procedure di messa in servizio sono ugualmente importanti.

7. Come Viene Misurata l'Umidità dell'SF₆ in Pratica?

Sul campo, gli ingegneri utilizzano normalmente un analizzatore di gas SF₆ per misurare parametri quali:

• Purezza dell'SF₆
• Punto di rugiada / umidità
• SO₂
• Altri prodotti di decomposizione, a seconda della configurazione dell'analizzatore

Per la messa in servizio e la manutenzione di routine di GIS e GIL, gli analizzatori portatili consentono agli ingegneri di effettuare misurazioni direttamente dalle apparecchiature senza rimuovere l'intera carica di gas.

Un analizzatore multifunzionale può essere particolarmente utile perché la qualità del gas è raramente determinata solo dall'umidità.

Ad esempio, ilKS30-3 SF₆ Gas Analyzer di KSTONE è progettato per il test di routine della qualità del gas SF₆, combinando misurazioni come la purezza dell'SF₆, il punto di rugiada e SO₂ in un unico strumento.

Per applicazioni che richiedono diversi parametri di qualità del gas, laserie di analizzatori di gas modulari KS30 SF₆ può essere configurata in base ai requisiti di test del cliente.

8. Dalla Misurazione dell'Umidità alla Gestione della Qualità del Gas

Il controllo dell'umidità dovrebbe essere considerato parte di una strategia più ampia di gestione del gas SF₆.

Un tipico flusso di lavoro per la qualità del gas GIS/GIL può includere:

Riempimento del gas → misurazione di messa in servizio → ispezione periodica → recupero del gas → test di qualità del gas → trattamento o purificazione → riutilizzo

Durante questi processi, misurazioni accurate dell'umidità aiutano gli ingegneri a determinare se il gas SF₆ è adatto all'uso continuato o richiede un ulteriore trattamento.

Se combinata con apparecchiature di recupero e gestione del gas SF₆, l'analisi dell'umidità può anche supportare una gestione del gas più sistematica e ridurre le perdite inutili di SF₆.

Conclusione

Il calcolo dell'umidità nelle apparecchiature GIS e GIL riempite con SF₆ richiede più che leggere semplicemente un numero da un analizzatore.

Punto di rugiada, ppmv, pressione, temperatura e volume del gas sono strettamente correlati, e ogni parametro fornisce informazioni diverse sullo stato del gas.

Se la concentrazione di umidità è nota in ppmv, l'equazione dei gas ideali può essere utilizzata per stimare la quantità di vapore acqueo nella fase gassosa. Tuttavia, questo valore calcolato non deve essere confuso con la quantità totale di umidità contenuta nell'intero sistema GIS o GIL.

Per una gestione affidabile del gas SF₆, sono essenziali misurazioni accurate, condizioni di campionamento coerenti e un'appropriata interpretazione dei risultati.

KSTONE fornisce analizzatori di gas SF₆ e apparecchiature di gestione del gas per GIS, GIL e altre apparecchiature elettriche isolate in SF₆, supportando gli ingegneri neltest di qualità del gas SF₆, recupero, trattamento e riutilizzo.