Como Calcular o Teor de Umidade em Equipamentos GIS e GIL com Enchimento de SF₆

Compreendendo o Ponto de Orvalho, ppmv, Pressão, Temperatura e Teor de Vapor d'Água do SF₆

Em aparelhagens isoladas a gás (GIS) e linhas de transmissão isoladas a gás (GIL), o hexafluoreto de enxofre (SF₆) é amplamente utilizado como meio isolante e de extinção de arco. Manter a qualidade adequada do gás é essencial para o desempenho confiável do isolamento, a vida útil do equipamento e a operação segura.

Entre os diferentes parâmetros de qualidade do gás SF₆,o teor de umidade é um dos fatores mais importantes a serem monitorados.

O excesso de umidade pode reduzir o desempenho dielétrico do gás e, sob certas condições, contribuir para a formação de subprodutos corrosivos ou relacionados à decomposição. Por esse motivo, fabricantes de GIS e GIL, engenheiros de comissionamento e equipes de manutenção medem rotineiramente o ponto de orvalho ou a concentração de umidade do SF₆.

Mas uma pergunta importante surge frequentemente:

Se um analisador de SF₆ relata uma determinada concentração de umidade, quanta água está realmente presente dentro do compartimento GIS ou GIL?

A resposta requer uma compreensão da relação entreponto de orvalho, ppmv, pressão do gás, temperatura e volume do gás.

1. O que Significa o Teor de Umidade do SF₆?

Quando um analisador de gás SF₆ relata umidade, o resultado pode ser expresso em diferentes unidades, dependendo do instrumento e da aplicação.

Unidades comuns incluem:

• Ponto de orvalho (°C)
• Concentração de umidade (ppmv)
• Concentração de umidade (mg/m³)

Esses parâmetros descrevem a quantidade de vapor d'água presente na fase gasosa do SF₆.

Por exemplo, uma leitura de:

100 ppmv H₂O

significa que o vapor d'água ocupa aproximadamente 100 partes por milhão em volume da mistura gasosa sob as condições de medição definidas.

Isso não significa necessariamente que todo o compartimento GIS contém apenas uma quantidade fixa de água igual à água calculada na fase gasosa.

Essa distinção é importante porque a umidade também pode ser absorvida ou adsorvida por materiais isolantes, vedações e superfícies internas.

2. Ponto de Orvalho vs. ppmv

Ponto de orvalho e ppmv descrevem a umidade de maneiras diferentes.

Ponto de Orvalho

O ponto de orvalho é a temperatura na qual o vapor d'água começa a condensar sob uma condição de pressão especificada.

Um ponto de orvalho mais baixo geralmente indica um nível de umidade mais baixo.

Por exemplo, SF₆ com um ponto de orvalho de −40°C é significativamente mais seco do que SF₆ com um ponto de orvalho de −20°C.

ppmv

ppmv (partes por milhão em volume)expressa diretamente a concentração relativa de vapor d'água no gás.

No entanto, ponto de orvalho e ppmv não devem ser tratados como valores fixos intercambiáveis.

A relação entre ponto de orvalho e concentração de umidade depende de fatores que incluempressão, temperatura e as propriedades termodinâmicas da mistura gasosa.

Portanto, ao converter uma medição de ponto de orvalho em concentração de umidade, as condições de medição devem ser claramente definidas.

3. Como Calcular a Quantidade de Vapor d'Água

Se a concentração de umidade já estiver disponível em ppmv, a quantidade aproximada de vapor d'água em um compartimento GIS ou GIL pode ser calculada usando a equação do gás ideal.

A quantidade total de gás é:

n = PV / RT

onde:

• n= quantidade total de gás, mol
• P= pressão absoluta, Pa
• V= volume do gás, m³
• R= constante universal dos gases, 8,314 J/(mol·K)
• T= temperatura absoluta, K

Se a concentração de umidade forC ppmv, a quantidade aproximada de vapor d'água é:

n(H₂O) = n * C / 1.000.000

A massa de água correspondente é:

m(H₂O) = n(H₂O) * 18,015 g/mol

Isso fornece uma estimativa do vapor d'água contido na fase gasosa.

4. Exemplo: Compartimento GIS de 1 m³

Considere um exemplo simplificado.

Um compartimento GIS tem:

• Volume de gás:1 m³
• Pressão absoluta de SF₆:0,6 MPa
• Temperatura do gás:20°C
• Concentração de umidade:100 ppmv

Primeiro, converta a temperatura:

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

Usando:

n = PV / RT

obtemos aproximadamente:

n ≈ 246 mol

A quantidade de vapor d'água é, portanto, aproximadamente:

246 * 100 / 1.000.000 = 0,0246 mol

Usando a massa molecular da água:

m ≈ 0,0246 * 18,015 ≈ 0,44 g

Portanto, sob essas condições específicas, a fase gasosa contém aproximadamente:

0,44 g de vapor d'água

Este exemplo ilustra um ponto importante: mesmo uma concentração de umidade relativamente pequena pode corresponder a uma quantidade mensurável de água quando o volume e a pressão do gás são significativos.

5. Por que Pressão e Temperatura Importam

O cálculo acima não pode ser aplicado universalmente a todos os sistemas GIS ou GIL.

Para o mesmo volume de gás e concentração de umidade, o aumento da pressão absoluta aumenta a quantidade total de gás contida no compartimento e, portanto, aumenta a quantidade correspondente de vapor d'água.

A temperatura também afeta a relação entre as propriedades do gás, a pressão de vapor e o ponto de orvalho.

É por isso que uma avaliação adequada da umidade deve registrar pelo menos:

• Pressão do gás
• Temperatura do gás
• Volume do gás, quando a quantidade total de água está sendo estimada
• Concentração de umidade ou ponto de orvalho
• Condições de medição

No teste prático de SF₆, o método de medição do analisador e as condições de amostragem também devem ser considerados.

6. O Valor Calculado Representa Toda a Água Dentro do GIS?

Não.

Este é talvez o ponto mais importante ao interpretar medições de umidade de SF₆.

O valor calculado representa uma estimativa dovapor d'água presente na fase gasosa.

Um sistema GIS ou GIL também pode conter umidade associada a:

• Materiais isolantes sólidos
• Superfícies metálicas internas
• Materiais de vedação
• Umidade superficial adsorvida
• Umidade residual introduzida durante a fabricação ou instalação

Esses materiais podem liberar gradualmente umidade no gás SF₆.

Como resultado, as leituras de umidade podem mudar após o comissionamento, enchimento de gás, evacuação ou operações de secagem.

Por exemplo, um GIS pode inicialmente mostrar uma leitura de umidade relativamente baixa após a secagem, mas o valor pode aumentar mais tarde à medida que a umidade residual migra de materiais internos para o gás SF₆.

Portanto, o teste de umidade não é simplesmente um cálculo único. O monitoramento de tendências e procedimentos de comissionamento adequados são igualmente importantes.

7. Como a Umidade do SF₆ é Medida na Prática?

No campo, os engenheiros normalmente usam um analisador de gás SF₆ para medir parâmetros como:

• Pureza do SF₆
• Ponto de orvalho / umidade
• SO₂
• Outros produtos de decomposição, dependendo da configuração do analisador

Para comissionamento e manutenção rotineira de GIS e GIL, analisadores portáteis permitem que os engenheiros façam medições diretamente do equipamento sem remover toda a carga de gás.

Um analisador multifuncional pode ser particularmente útil porque a qualidade do gás raramente é determinada apenas pela umidade.

Por exemplo, o Analisador de Gás SF₆ KS30-3 da KSTONE é projetado para testes rotineiros de qualidade de gás SF₆, combinando medições como pureza de SF₆, ponto de orvalho e SO₂ em um único instrumento.

Para aplicações que exigem diferentes parâmetros de qualidade de gás, a série de analisadores de gás SF₆ modulares KS30 pode ser configurada de acordo com os requisitos de teste do cliente.

8. Da Medição de Umidade ao Gerenciamento da Qualidade do Gás

O controle de umidade deve ser considerado como parte de uma estratégia mais ampla de gerenciamento de gás SF₆.

Um fluxo de trabalho típico de qualidade de gás GIS/GIL pode incluir:

Enchimento de gás → medição de comissionamento → inspeção periódica → recuperação de gás → teste de qualidade de gás → tratamento ou purificação → reutilização

Durante esses processos, a medição precisa de umidade ajuda os engenheiros a determinar se o gás SF₆ é adequado para uso contínuo ou requer tratamento adicional.

Quando combinado com equipamentos de recuperação e manuseio de gás SF₆, a análise de umidade também pode ajudar a apoiar um gerenciamento de gás mais sistemático e reduzir perdas desnecessárias de SF₆.

Conclusão

Calcular a umidade em equipamentos GIS e GIL com enchimento de SF₆ requer mais do que simplesmente ler um número de um analisador.

Ponto de orvalho, ppmv, pressão, temperatura e volume do gás estão intimamente relacionados, e cada parâmetro fornece informações diferentes sobre a condição do gás.

Se a concentração de umidade for conhecida em ppmv, a equação do gás ideal pode ser usada para estimar a quantidade de vapor d'água na fase gasosa. No entanto, esse valor calculado não deve ser confundido com a quantidade total de umidade contida em todo o sistema GIS ou GIL.

Para um gerenciamento confiável de gás SF₆, medição precisa, condições de amostragem consistentes e interpretação apropriada dos resultados são essenciais.

A KSTONE fornece analisadores de gás SF₆ e equipamentos de manuseio de gás para GIS, GIL e outros equipamentos elétricos isolados a SF₆, apoiando os engenheiros emteste de qualidade de gás SF₆, recuperação, tratamento e reutilização.