Densità gas

Nei dispositivi Trafag, la densità del gas isolante viene monitorata secondo i principi della camera di riferimento o della forcella vibrante al quarzo. Entrambi i metodi sono caratterizzati dalla massima affidabilità e precisione. Inoltre, i dispositivi possono funzionare perfettamente in camere a temperatura e pressione fluttuanti. I sistemi possono essere utilizzati in modo sicuro e senza interruzioni anche durante i lavori di manutenzione e ispezione. E Trafag si sta già attrezzando per risolvere ulteriori sfide tecniche: le normative ambientali più severe e l'utilizzo di gas neutri per il clima.

Il salto nello sviluppo dei quadri elettrici ad alta tensione isolati in aria (AIS), dalle dimensioni di un campo da calcio a quelli che richiedono solo il dieci per cento dello spazio occupato in precedenza, è avvenuto a passi sempre più grandi a partire dagli anni '80. Ciò è stato possibile anche grazie agli innovativi densostati: la base è che i componenti ad alta tensione sono stati installati in camere a pressione in cui un gas isolante altamente compresso ed efficiente previene o estingue i guasti da arco elettrico e i cortocircuiti.

Il gas esafluoruro di zolfo (SF₆) ha il miglior effetto isolante e di spegnimento alle alte e altissime tensioni (da 66 a >1000kV). Tuttavia, l'SF₆ supera l'effetto serra della CO₂ di un fattore pari a 23.500. Pertanto, non si deve permettere la fuoriuscita di gas dal quadro elettrico. Le autorità di regolamentazione di tutti i Paesi pongono requisiti elevati al monitoraggio del gas SF₆. In collaborazione con i più noti produttori di quadri elettrici, negli anni '80 Trafag AG ha sviluppato il sistema di camere di riferimento per il monitoraggio della densità del gas, che offre una maggiore precisione rispetto ai principi manometrici convenzionali e previene falsi allarmi evitabili.

Oggi, gli operatori di quadri elettrici ad alta tensione si trovano di fronte a nuove sfide. Da un lato, le aziende elettriche si sforzano di far funzionare i loro impianti in modo permanente senza interruzioni. A tal fine, l'industria si affida sempre di più a una misurazione elettronica della densità aggiuntiva e continua e alla manutenzione predittiva, invece di affidarsi esclusivamente a meccanismi di avvertimento e spegnimento come in passato. Dall'altro lato, le dimensioni degli impianti devono essere ulteriormente ridotte, con conseguenti diametri e aree di isolamento più piccoli. E infine, miscele sostitutive di gas isolanti più rispettose del clima stanno visibilmente prendendo il posto dell'SF₆.

I quadri elettrici isolati in aria (AIS) (nella foto in alto) hanno lasciato il posto a quadri elettrici isolati in gas (GIS) molto compatti in luoghi dove lo spazio è limitato (nella foto in basso)

Trafag ha impostato i requisiti di qualità e precisione dei monitor di densità in modo tale che i punti di allarme siano limitati a un intervallo ristretto. Maggiore è l'affidabilità e l'accuratezza dei sistemi, minori sono le tolleranze in cui l'impianto può essere utilizzato. Le distanze di isolamento possono quindi essere più ridotte, l'impianto completo può essere ottimizzato per soddisfare i requisiti e le sue dimensioni possono essere ridotte: l'area del sito necessaria per i quadri elettrici si riduce. La misurazione imprecisa della densità richiede volumi più grandi, mentre la misurazione precisa della densità consente di realizzare impianti su misura e aree compatte.

L'affidabilità e la sicurezza operativa dei sistemi ad alta tensione isolati in gas possono essere garantite solo se la densità del gas isolante richiesta viene mantenuta all'interno dei compartimenti in pressione. Le perdite metterebbero a rischio la funzionalità e la sicurezza del quadro e allo stesso tempo violerebbero le normative ambientali. I requisiti normativi prevedono quindi un monitoraggio permanente del compartimento in pressione. I sistemi devono rimanere sempre a tenuta e i monitor di densità devono funzionare con la precisione specificata.

Finché non ci sono perdite nella camera di pressione isolata con gas, il numero di molecole di gas nello spazio chiuso rimane lo stesso. Il numero di molecole (densità), la pressione e la temperatura interagiscono fisicamente, in base alle cosiddette isocore. Più alta è la temperatura in uno spazio chiuso, pieno di gas, più alta è la pressione. I sistemi isolati con gas vengono installati anche all'esterno, dove le temperature possono variare da -40°C a +60°C. È quindi indispensabile che l'intero sistema sia compensato in base alla temperatura, perché altrimenti il display della densità mostrerebbe valori più alti quando è esposto alla luce del sole e valori più bassi quando è esposto al gelo - anche se nel sistema è presente lo stesso numero di molecole.

Monitoraggio e misurazione accurati - e quindi anche sicuri - della densità del gas isolante nella tecnologia ad alta tensione: influenze ambientali, sicurezza operativa o manutenzione efficiente, normative - queste sono solo alcune delle sfide affrontate dagli operatori dei quadri elettrici ad alta tensione

Al gas isolante SF₆, oggi prevalentemente utilizzato, viene attribuita una quota dello 0,5% del riscaldamento globale. Molti operatori stanno quindi cercando di equipaggiare i nuovi impianti con gas alternativi neutrali per il clima fin dall'inizio. Anche gli impianti esistenti, di cui centinaia di migliaia sono in funzione in tutto il mondo, vengono parzialmente riadattati. Con i gas alternativi, cambiano solo il tipo e il numero di molecole utilizzate per l'isolamento elettrico. Trafag AG è in grado di fornire gli strumenti appropriati per tutti i gas alternativi oggi utilizzati, che sono conformi agli standard esistenti. Gli strumenti Trafag vengono regolati in fabbrica per il gas specifico e la pressione di riempimento specifica. Gli strumenti sono poi sigillati e pronti per l'uso.

I manometri erano un tempo lo standard per i sistemi di monitoraggio. Grazie al loro semplice design meccanico con un tubo Bourdon e la compensazione bimetallica della temperatura, di solito sono meno costosi, ma sono meno precisi a causa del loro design. Le misurazioni con un tubo Bourdon devono essere compensate in temperatura in ogni caso, in modo da poter verificare i valori effettivi di densità. Gli elementi bimetallici utilizzati per la compensazione della temperatura devono essere adattati in modo specifico al rispettivo gas isolante. In caso di grandi fluttuazioni di temperatura, questo meccanismo porta a un'imprecisione di misurazione più elevata. A temperature particolarmente alte o basse, lo spostamento della precisione con tali manometri a compensazione bimetallica è sproporzionatamente alto. Il risultato è un falso allarme evitabile.

Per contrastare le imprecisioni dei misuratori di densità convenzionali, Trafag ha sviluppato il principio della camera di riferimento, basato sulla tecnologia dei pressostati. Il principio è semplice, ma ingegnoso: nei monitor di densità del gas, nella camera di riferimento viene utilizzato un gas di riferimento che ha le stesse proprietà del gas isolante nei componenti del quadro. Il gas di riferimento e il gas isolante sono accoppiati termicamente e alla stessa temperatura, in modo da eliminare le fluttuazioni di pressione dovute alle variazioni di temperatura. Di conseguenza, i monitor sono completamente compensati in temperatura per design e raggiungono quindi una precisione superiore rispetto ai manometri compensati in temperatura.

Oggi, la quarta generazione di strumenti è già sul mercato. Ogni strumento ha una durata di vita di oltre 25 anni. Inoltre, questi strumenti stessi sono esenti da manutenzione. Se la camera di pressione da monitorare perde effettivamente il gas isolante, cioè la pressione fuoriesce, il sistema della camera di riferimento aziona meccanicamente i punti di commutazione tramite microinterruttori. Al primo livello di allarme, il gas isolante deve essere rifornito. Solo un rapido calo di pressione causa lo spegnimento del sistema, che viene attivato da una commutazione appropriata e affidabile di altri microinterruttori.

Principio della camera di riferimento semplificato. Integrato nei prodotti Trafag, consente agli operatori di quadri elettrici ad alta tensione di garantire un funzionamento ininterrotto e sicuro

Negli ultimi anni, nel settore della distribuzione di energia è cresciuta la domanda di misurazione continua della densità, che fornisce informazioni in tempo reale sulla quantità di gas effettivamente dispersa e sul raggiungimento di valori critici, in modo da poter intervenire immediatamente. I problemi generali dell'impianto possono essere rilevati prima e il rifornimento o, ad esempio, la sostituzione degli O-ring possono essere avviati per tempo, nel senso della manutenzione predittiva.

Il metodo convenzionale per la misurazione della densità consiste in una misurazione della pressione combinata con un sensore di temperatura integrato, per poter correggere la pressione in funzione della temperatura. Trafag ha rivoluzionato questo principio prendendo la forcella al quarzo oscillante dalla tecnologia degli orologi e incorporandola nei sensori. L'oscillazione di un quarzo in un gas è smorzata dal numero di molecole. Il grado di smorzamento è direttamente proporzionale alla densità. Questa forma di misurazione continua della densità è significativamente più stabile e accurata della misurazione della pressione compensata dalla temperatura.

Nel frattempo, ogni densostato di quarta generazione ha incluso un sensore esente da manutenzione per la misurazione continua della densità del gas. Il segnale di misurazione viene trasmesso tramite un segnale di corrente oppure il sistema di sensori dispone di un'uscita digitale Modbus. Il sistema di controllo dell'operatore calcola quindi, in base ai valori trasmessi, la quantità di gas attualmente presente nel sistema e analizza le azioni eventualmente necessarie.

Principio semplificato del confronto tra diapason al quarzo. Il principio di misurazione determina lo smorzamento dell'oscillazione del quarzo in base alla quantità di molecole (densità)

L'ispezione regolare dei quadri elettrici isolati in gas è regolata da diverse normative nazionali, in Europa, ad esempio, dal Regolamento F-Gas. In base a questo, il rilevatore di densità deve essere controllato ogni sei anni per gli impianti che sono stati messi in funzione a partire dal 2017 e che contengono più di 22 chilogrammi di gas SF₆. Molti gestori di impianti sono già passati ad effettuare l'ispezione ogni due o quattro anni. Per fare questo, la parte interessata dell'impianto deve essere spenta in precedenza e il gas isolante deve essere catturato. Il rilevatore di densità del gas viene smontato e collegato ad un dispositivo di prova separato.

Trafag è il primo fornitore a sviluppare una valvola integrata che consente di testare il monitor durante il funzionamento, senza dover spegnere il sistema. Il monitor della densità del gas è combinato con una valvola di ricarica e di test e saldato saldamente, rendendo il sistema a prova di perdite. Con l'aiuto della valvola, l'unità può essere controllata per il funzionamento durante il funzionamento e il gas può essere ricaricato, se necessario, senza dover spegnere il sistema.

Nel funzionamento normale, la connessione di prova è strettamente sigillata dall'esterno. Se viene collegato uno strumento di prova, viene stabilito un collegamento diretto tra lo strumento di prova e la camera di riferimento del densimetro.