Una Breve Discussione sul Test e l'Analisi dell'Acqua Microscopica nei Gas nei Disconnettori SF6

Gli interruttori SF₆ possiedono eccellenti proprietà fisiche, chimiche, di isolamento e di spegnimento dell'arco. Consentono un gran numero di interruzioni consecutive, hanno un basso livello di rumore e non presentano rischi di scintille. Inoltre, sono compatti, leggeri, ad alta capacità e richiedono poca o nessuna manutenzione. Di conseguenza, stanno gradualmente sostituendo gli interruttori tradizionali a olio e quelli ad aria compressa. Inoltre, nella distribuzione di energia a media tensione, questi interruttori offrono vantaggi come l'assenza di riacceso durante l'interruzione di corrente capacitiva e la non generazione di sovratensioni durante l'interruzione di corrente induttiva, il che ha portato alla loro ampia applicazione.

1 Proprietà del gas SF₆
1.1 Proprietà fisiche

Il peso molecolare del gas SF₆ è 146,07, e il suo diametro molecolare è 4,56×10⁻¹⁰ m. Esiste in stato gassoso a temperatura e pressione normali. A 20°C e pressione atmosferica, la sua densità è 6,16 g/L (circa cinque volte quella dell'aria). La temperatura critica del gas SF₆ è 45,6°C, e può essere liquefatto mediante compressione. Solitamente, viene trasportato in cilindri d'acciaio in stato liquido. Il gas SF₆ puro è incolore, inodore, insapore, non tossico e non infiammabile.

1.2 Proprietà elettriche

(1) Lo SF₆ è un gas elettro-negativo (capace di assorbire elettroni liberi), con eccellenti proprietà di spegnimento dell'arco e di isolamento. In un campo elettrico uniforme a pressione atmosferica standard, la resistenza al passaggio di corrente del gas SF₆ è circa 2,5 volte quella dell'azoto.
(2) Il gas SF₆ puro è un gas inerte. Si decompone sotto l'azione di un arco. Quando la temperatura supera i 4000K, la maggior parte dei prodotti di decomposizione sono atomi singoli di zolfo e fluoro. Dopo lo spegnimento dell'arco, la maggior parte dei prodotti di decomposizione si ricombinano in molecole stabili di SF₆. Tra questi, una quantità molto piccola di prodotti di decomposizione reagisce chimicamente con atomi metallici liberi, acqua e ossigeno durante il processo di ricombinazione, generando fluoruri metallici e fluoruri di ossigeno e zolfo.

2 Test di micro-umidità del gas degli interruttori SF₆
2.1 Significato del test di micro-umidità

La rilevazione del contenuto di micro-umidità nel gas è un importante test per gli interruttori SF₆. Un gas SF₆ nuovo o in funzione contenente tracce di acqua influenzerà direttamente le proprietà del gas. Quando il contenuto di umidità raggiunge un certo livello, possono verificarsi reazioni di idrolisi, generando sostanze acide che possono corrodere l'attrezzatura. In particolare, a temperature elevate e sotto l'azione di un arco, si generano facilmente fluoruri a bassa quota. I composti fluorosolfurici reagiscono con l'acqua formando acido fluoridrico, acido solforico e altre sostanze chimiche altamente tossiche, mettendo a rischio la vita del personale di manutenzione e corrosivo per i materiali isolanti o i metalli dell'interruttore, causando la degradazione dell'isolamento. Quando l'interruttore è installato all'esterno e la temperatura diminuisce bruscamente, l'eccesso di acqua nel gas SF₆ può condensarsi sulla superficie del mezzo solido, provocando un guasto. In casi gravi, può causare l'esplosione dell'interruttore.

2.2 Metodi di test

(1) Metodo gravimetrico: dopo il passaggio attraverso un dissecante, si misura accuratamente la variazione di peso. Tuttavia, questo metodo richiede operazioni complesse e consuma una grande quantità di gas in un ambiente a temperatura e umidità costanti e privo di polvere.
(2) Metodo del punto di rugiada: quando la temperatura del sistema di prova è leggermente inferiore alla temperatura di saturazione del vapore acqueo (punto di rugiada) nel gas campione, il sistema di prova può fornire un segnale elettrico. Dopo l'amplificazione e l'output, il contenuto di umidità viene determinato in base al valore del punto di rugiada. Attualmente, questo metodo è un importante mezzo per misurare la traccia di acqua nello SF₆, e i punti di rugiada sono prodotti sia in patria che all'estero.

3 Fonti e controllo dell'umidità nel gas degli interruttori SF₆
3.1 Fonti di umidità nel gas

(1) Per il gas nuovo, le principali fonti di umidità sono: controlli insufficientemente rigorosi da parte del sito di produzione del gas; ambienti di stoccaggio non conformi durante il trasporto; e tempo di stoccaggio eccessivo.
(2) Per l'attrezzatura elettrica riempita con gas SF₆, le principali fonti di umidità sono: l'umidità portata dal gas SF₆ stesso; l'umidità residua minima dovuta a una purificazione incompleta del gas prima del riempimento; l'umidità rilasciata gradualmente nel tempo dai materiali isolanti, dalle parti saldate e dai componenti dell'attrezzatura elettrica; e l'umidità che penetra dall'esterno attraverso fughe nell'attrezzatura.

3.2 Misure di controllo per il contenuto di acqua nel gas SF₆ degli interruttori SF₆

Assicurare un rigoroso controllo della qualità durante l'accettazione del gas nuovo; controllare il trattamento delle parti isolate; controllare la qualità delle parti di sigillatura; controllare la qualità degli adsorbenti; controllare l'operazione durante il riempimento del gas; intensificare la rilevazione delle falle di gas durante l'operazione; e intensificare il monitoraggio e la misurazione della micro-umidità del gas durante l'operazione.

4 Tossicità del gas SF₆

Quando il gas SF₆ viene utilizzato in attrezzature elettriche, sia in condizioni di guasto che durante l'interruzione normale dell'arco, può decomporre generando fluoruri di ossigeno e zolfo, oltre a polveri di fluoruri metallici. Quando il contenuto di fluoruri idrolizzabili nel gas SF₆ raggiunge una certa concentrazione, il gas SF₆ diventa tossico e influenza anche la forza di isolamento e le prestazioni di spegnimento dell'arco del gas SF₆ nelle attrezzature elettriche.

Sotto l'azione di scariche elettriche e di archi, gli interruttori a gas SF₆ generano gas altamente tossici attraverso dissociazione e ionizzazione. Poiché questi gas sono incolori e inodori, sono difficili da rilevare. Inoltre, con una densità di 6,16 g/L (circa cinque volte quella dell'aria), alcuni gas tossici e nocivi generati durante il monitoraggio si accumulano vicino al suolo nella stanza degli interruttori. Questo rende facile la potenziale intossicazione dei lavoratori durante lo smontaggio, le grandi riparazioni o i test di micro-umidità del gas, rappresentando una grande minaccia per la salute fisica e mentale dei lavoratori e per l'operazione sicura dell'attrezzatura.

Ad esempio, se nella stanza degli interruttori SF₆ non sono installati un sistema di monitoraggio e allarme per le fughe di gas SF₆ e un rilevatore quantitativo di fughe di gas SF₆, è impossibile sapere se la concentrazione di SF₆ è entro il range di sicurezza. L'esperienza dimostra che anche in un ambiente con tracce molto piccole di prodotti di decomposizione, i lavoratori possono percepire gas pungenti o sgradevoli, che possono causare un'evidente irritazione al naso, alla bocca e agli occhi. Generalmente, dopo l'intossicazione, possono verificarsi sintomi come lacrimazione, starnuti, raffreddore, sensazione di bruciore nella cavità nasale e nella gola, voce roca, tosse, capogiro, nausea, oppressione toracica e disagio al collo. In casi gravi, può addirittura verificarsi uno shock.

Pertanto, il monitoraggio online delle fughe di gas SF₆ è diventato un tema importante nella ricerca tecnica attuale. Ad esempio, il ventilatore di estrazione può essere controllato organicamente insieme al sistema di allarme per le fughe di gas SF₆, in modo che il ventilatore possa essere automaticamente acceso quando la concentrazione delle fughe di gas SF₆ supera lo standard, garantendo la sicurezza del personale e dell'attrezzatura.

Le due prove più importanti per gli interruttori SF₆ sono il contenuto di umidità e la rilevazione delle fughe. Se la loro affidabilità viene compromessa, ciò può anche inquinare l'ambiente. Pertanto, il monitoraggio della micro-umidità e la rilevazione delle fughe degli interruttori SF₆ in funzione hanno ricevuto molta attenzione.

(3) Metodo elettrolitico: può misurare l'umidità nel gas in modo intermittente o continuo. Esistono altri metodi per il test di micro-umidità del gas SF₆, come il metodo dell'oscillazione del quarzo piezoelettrico, la calorimetria di adsorzione e la cromatografia gasosa. Tuttavia, a causa del costo elevato degli strumenti o limitazioni tecniche, non sono stati ampiamente promossi e applicati.