Uma Breve Discussão sobre o Teste e Análise de Micro-Água em Gás em Disjuntores SF6

Os disjuntores de SF₆ possuem excelentes propriedades físicas, químicas, de isolamento e de extinção de arco. Eles permitem um grande número de interrupções consecutivas, têm baixo ruído e não apresentam risco de faísca. Além disso, são pequenos em tamanho, leves em peso, de grande capacidade e requerem pouca ou nenhuma manutenção. Como resultado, estão gradualmente substituindo os disjuntores tradicionais a óleo e a ar comprimido. Além disso, na distribuição de energia de média tensão, esses disjuntores têm vantagens como a não recombustão ao interromper corrente capacitiva e a não geração de sobretensão ao interromper corrente indutiva, o que levou à sua aplicação generalizada.

1 Propriedades do Gás SF₆
1.1 Propriedades Físicas

O peso molecular do gás SF₆ é 146,07, e seu diâmetro molecular é 4,56×10⁻¹⁰ m. Ele existe no estado gasoso sob temperatura e pressão normais. A 20°C e uma pressão atmosférica, sua densidade é 6,16 g/L (aproximadamente cinco vezes a do ar). A temperatura crítica do gás SF₆ é 45,6°C, e ele pode ser liquefeito por compressão. Geralmente, é transportado em cilindros de aço no estado líquido. O gás SF₆ puro é incolor, inodoro, insípido, não tóxico e não inflamável.

1.2 Propriedades Elétricas

(1) O SF₆ é um gás eletronegativo (capaz de adsorver elétrons livres), com excelentes propriedades de extinção de arco e isolamento. Em um campo elétrico uniforme sob uma pressão atmosférica padrão, a resistência à tensão do gás SF₆ é aproximadamente 2,5 vezes a do nitrogênio.
(2) O gás SF₆ puro é um gás inerte. Ele se decompe sob a ação de um arco. Quando a temperatura ultrapassa 4000K, a maioria dos produtos de decomposição são átomos simples de enxofre e flúor. Após a extinção do arco, a vasta maioria dos produtos de decomposição se recombinam em moléculas estáveis de SF₆. Entre eles, uma quantidade muito pequena de produtos de decomposição reage quimicamente com átomos de metais livres, água e oxigênio durante o processo de recombinação, gerando fluoruros de metais e fluoruros de oxigênio e enxofre.

2 Teste de Micro-água no Gás do Disjuntor de SF₆
2.1 Significado do Teste de Micro-água

Detectar o teor de micro-água no gás é um item de teste importante para disjuntores de SF₆. Gás SF₆ novo ou em operação contendo traços de água afetará diretamente as propriedades do gás. Quando o teor de água atinge certo nível, reações de hidrólise podem ocorrer, gerando substâncias ácidas que podem corroer o equipamento. Especialmente sob altas temperaturas e a ação de um arco, facilmente são gerados fluoridos tóxicos de baixa massa. Os compostos fluorossulfurados resultantes reagem com a água para formar ácido fluorídrico, ácido sulfúrico e outras substâncias químicas altamente tóxicas, colocando em risco a vida do pessoal de manutenção e corroendo os materiais isolantes ou metais do disjuntor, causando degradação do isolamento. Quando o disjuntor é instalado ao ar livre e a temperatura cai bruscamente, a água excessiva no gás SF₆ pode condensar na superfície do meio sólido, levando a flashover. Em casos graves, pode causar a explosão do disjuntor.

2.2 Métodos de Teste

(1) Método gravimétrico: Após passar por um dessecante, a mudança de peso é medida com precisão. No entanto, este método tem requisitos operacionais elevados e consome grande quantidade de gás em um ambiente de temperatura, umidade e sem poeira constantes.
(2) Método de ponto de orvalho: Quando a temperatura do sistema de teste é ligeiramente inferior à temperatura de saturação do vapor de água (ponto de orvalho) no gás amostra, o sistema de teste pode fornecer um sinal elétrico. Após amplificação e saída, o teor de água é determinado com base no valor do ponto de orvalho. Atualmente, este método é um meio importante para medir a micro-água em SF₆, e os termômetros de ponto de orvalho são produzidos tanto no país quanto no exterior.

3 Fontes e Controle da Umidade no Gás do Disjuntor de SF₆
3.1 Fontes de Umidade no Gás

(1) Para gás novo, as principais fontes de umidade são: detecção insuficientemente rigorosa pela fábrica de gás; ambientes de armazenamento não conformes durante o transporte; e tempo de armazenamento excessivo.
(2) Para equipamentos elétricos preenchidos com gás SF₆, as principais fontes de umidade são: a umidade trazida pelo próprio gás SF₆; a pequena quantidade de umidade residual devido à purificação incompleta do gás antes do carregamento; a umidade liberada gradualmente ao longo do tempo pelos materiais isolantes, partes soldadas e componentes do equipamento elétrico; e a umidade que invade do exterior através de vazamentos no equipamento.

3.2 Medidas de Controle para o Teor de Água do Gás SF₆ nos Disjuntores de SF₆

Garantir a inspeção rigorosa de qualidade durante a aceitação de gás novo; controlar o tratamento das peças isolantes; controlar a qualidade das peças de vedação; controlar a qualidade dos adsorventes; controlar a operação durante o carregamento de gás; intensificar a detecção de vazamento de gás durante a operação; e intensificar o monitoramento e a medição da micro-água do gás durante a operação.

4 Toxicidade do Gás SF₆

Quando o gás SF₆ é usado em equipamentos elétricos, seja em condições de falha ou durante a interrupção normal do arco, pode se decompor para produzir fluoridos de oxigênio e enxofre, bem como pós de fluoridos metálicos. Quando o conteúdo de fluoridos hidrolisáveis no gás SF₆ atinge certa concentração, o gás SF₆ torna-se tóxico e também afeta a resistência ao isolamento e o desempenho de extinção de arco do gás SF₆ em equipamentos elétricos.

Sob a ação de descarga de faísca e arco, os disjuntores de gás SF₆ gerarão gases altamente tóxicos através de dissociação e ionização. Como esses gases são incolores e inodoros, são difíceis de detectar. Além disso, com uma densidade de 6,16 g/L (cerca de cinco vezes a do ar), alguns gases tóxicos e nocivos gerados durante o monitoramento se acumulam perto do solo na sala de interruptores. Isso torna fácil a ocorrência de intoxicação potencial dos trabalhadores durante a desmontagem, grandes reparos ou testes de micro-água do gás, representando uma grande ameaça à saúde física e mental dos trabalhadores e à operação segura do equipamento.

Por exemplo, se um sistema de monitoramento e alarme de vazamento de gás SF₆ e um detector quantitativo de vazamento de gás SF₆ não forem instalados na sala de interruptores de SF₆, será impossível saber se a concentração de SF₆ está dentro do intervalo de segurança padrão. A experiência mostra que mesmo em um ambiente com produtos de decomposição em quantidades muito traços, os trabalhadores podem sentir gases pungentes ou desconfortáveis, que podem causar irritação óbvia no nariz, boca e olhos. Geralmente, após a intoxicação, sintomas como lacrimejamento, espirros, corrimento nasal, sensação de queimação na cavidade nasal e garganta, voz rouca, tosse, tontura, náuseas, aperto no peito e desconforto no pescoço podem ocorrer. Em casos graves, pode ocorrer choque.

Portanto, o monitoramento online do vazamento de gás SF₆ tornou-se um tema importante na pesquisa técnica atual. Por exemplo, o ventilador de exaustão pode ser controlado organicamente juntamente com o sistema de alarme de vazamento de gás SF₆, de modo que o ventilador possa ser automaticamente ligado quando a concentração de vazamento de gás SF₆ exceder o padrão, garantindo a segurança das pessoas e do equipamento.

Os dois itens de monitoramento mais importantes para disjuntores de SF₆ são o teor de água e a detecção de vazamento. Se sua confiabilidade for afetada, também poluirá o ambiente. Portanto, o monitoramento de micro-água e detecção de vazamento de disjuntores de SF₆ em operação recebeu muita atenção.

(3) Método de eletrolise: Pode medir a umidade no gás de forma intermitente ou contínua. Existem outros métodos para teste de micro-água em gás SF₆, como o método de oscilação de quartzo piezelétrico, calorimetria de adsorção e cromatografia gasosa. No entanto, devido ao alto custo dos instrumentos ou limitações técnicas, não foram amplamente promovidos e aplicados.