Elegas y sus propiedades
El gas SF6 (gas eléctrico) es hexafluoruro de azufre SF6 (seis flúor)... El gas SF6 es el principal aislante de los elementos de las celdas aisladas con SF6.
A presión de trabajo y temperaturas normales, gas SF6: gas incoloro, inodoro, no inflamable, 5 veces más pesado que el aire (densidad 6,7 frente a 1,29 para el aire), peso molecular también 5 veces mayor que el del aire.
El gas SF6 no envejece, es decir, no cambia sus propiedades con el tiempo; se descompone durante una descarga eléctrica, pero se recombina rápidamente, recuperando su fuerza dieléctrica original.
A temperaturas de hasta 1000 K, el gas SF6 es inerte y resistente al calor, hasta temperaturas de unos 500 K es químicamente inactivo y no agresivo con los metales utilizados en la construcción de aparamenta de SF6.
En un campo eléctrico, el gas SF6 tiene la capacidad de capturar electrones, lo que da como resultado una alta rigidez dieléctrica del gas SF6. Al capturar electrones, el gas SF6 forma iones de baja movilidad que se aceleran lentamente en un campo eléctrico.
El desempeño del gas SF6 mejora en un campo uniforme, por lo tanto, para la confiabilidad operativa, el diseño de los elementos individuales del tablero debe garantizar la mayor uniformidad y homogeneidad del campo eléctrico.
En un campo no homogéneo aparecen sobretensiones locales del campo eléctrico que provocan descargas corona. Bajo la influencia de estos vertidos, el SF6 se descompone formando fluoruros inferiores (SF2, SF4) en el medio ambiente, que tienen un efecto nocivo sobre los materiales estructurales. aparamenta completa aislada en gas (GIS).
Para evitar fugas, todas las superficies de los elementos individuales de las piezas metálicas y las rejillas de las celdas están limpias y lisas y no deben tener asperezas ni rebabas. La obligación de cumplir estos requisitos viene dictada por el hecho de que la suciedad, el polvo y las partículas metálicas también crean tensiones locales en el campo eléctrico y, por lo tanto, se deteriora la rigidez dieléctrica del aislamiento de SF6.
La alta rigidez dieléctrica del gas SF6 permite reducir las distancias de aislamiento a baja presión de trabajo del gas, con lo que se reducen el peso y las dimensiones de los equipos eléctricos. Esto, a su vez, permite reducir el tamaño de la aparamenta, lo que es muy importante, por ejemplo, para las condiciones del norte, donde cada metro cúbico de local es muy caro.
La alta rigidez dieléctrica del gas SF6 proporciona un alto grado de aislamiento con dimensiones y distancias mínimas, y la buena capacidad de extinción del arco y la capacidad de enfriamiento del SF6 aumentan la capacidad de interrupción de los dispositivos de conmutación y reducen calentamiento de partes vivas.
El uso de gas SF6 permite, en igualdad de condiciones, aumentar la carga actual en un 25% y la temperatura admisible de los contactos de cobre hasta 90 ° C (en aire 75 ° C) debido a la resistencia química, no inflamabilidad, seguridad contra incendios y mayor capacidad frigorífica del gas SF6.
Una desventaja del SF6 es su transición a un estado líquido a temperaturas relativamente altas, lo que establece requisitos adicionales para el régimen de temperatura del equipo de SF6 en funcionamiento. La figura muestra la dependencia del estado del gas SF6 con la temperatura.
Gráfico del estado del gas SF6 frente a la temperatura
Para el funcionamiento de equipos de SF6 a temperaturas negativas menos 40 gr es necesario que la presión del gas SF6 en el aparato no supere los 0,4 MPa a una densidad no superior a 0,03 g/cm3.
A medida que aumenta la presión, el gas SF6 se licuará a una temperatura más alta. por lo tanto, para mejorar la confiabilidad del equipo eléctrico a temperaturas de aproximadamente menos 40 °C, se debe calentar (por ejemplo, el depósito de un interruptor automático de SF6 se calienta a más 12 °C para evitar pasar el gas SF6 a un líquido estado).
La capacidad de arco del gas SF6, en igualdad de condiciones, es varias veces mayor que la del aire. Esto se explica por la composición del plasma y la dependencia de la temperatura de la capacidad calorífica, el calor y conductividad eléctrica.
En estado de plasma, las moléculas de SF6 se desintegran. A temperaturas del orden de 2000 K, la capacidad calorífica del gas SF6 aumenta considerablemente debido a la disociación de las moléculas. Por lo tanto, la conductividad térmica del plasma en el rango de temperatura de 2000 a 3000 K es mucho mayor (en dos órdenes de magnitud) que la del aire. A temperaturas del orden de 4000 K, la disociación de las moléculas disminuye.
Al mismo tiempo, el azufre atómico de bajo potencial de ionización formado en el arco de SF6 contribuye a una concentración de electrones suficiente para mantener el arco incluso a temperaturas del orden de 3000 K. A medida que aumenta la temperatura, la conductividad del plasma disminuye. alcanzando la conductividad térmica del aire y luego vuelve a aumentar. Dichos procesos reducen el voltaje y la resistencia de un arco encendido en gas SF6 en un 20 a 30% en comparación con un arco en el aire a temperaturas del orden de 12 000 a 8 000 K. Como resultado, la conductividad eléctrica del plasma disminuye.
A temperaturas de 6000 K, el grado de ionización del azufre atómico se reduce significativamente y se mejora el mecanismo de captura de electrones por el flúor libre, los fluoruros inferiores y las moléculas de SF6.
A temperaturas de alrededor de 4000 K, termina la disociación de las moléculas y comienza la recombinación de las moléculas, la densidad de electrones disminuye aún más a medida que el azufre atómico se combina químicamente con el flúor. En este rango de temperatura, la conductividad térmica del plasma sigue siendo significativa, el arco se enfría, esto también se ve facilitado por la eliminación de electrones libres del plasma debido a su captura por moléculas de SF6 y flúor atómico. La rigidez dieléctrica del espacio aumenta gradualmente y eventualmente se recupera.
Una característica de la extinción del arco en gas SF6 radica en el hecho de que a una corriente cercana a cero, la delgada varilla del arco aún se mantiene y se rompe en el último momento del cruce de la corriente por el cero.Además, después de que la corriente pasa por cero, la columna de arco residual en el gas SF6 se enfría intensamente, incluso debido al aumento aún mayor en la capacidad calorífica del plasma a temperaturas del orden de 2000 K, y la rigidez dieléctrica aumenta rápidamente. .
El aumento de la rigidez dieléctrica del gas SF6 (1) y el aire (2)
Tal estabilidad de la quema de arco en gas SF6 a valores mínimos de corriente a temperaturas relativamente bajas da como resultado la ausencia de interrupciones de corriente y grandes sobretensiones durante la extinción del arco.
En el aire, la rigidez dieléctrica del espacio en el momento en que la corriente del arco cruza el cero es mayor, pero debido a la gran constante de tiempo del arco en el aire, la tasa de aumento de la rigidez dieléctrica después de que la corriente cruza el cero es menor.