Dieléctricos gaseosos

Eduard Ferney Rodriguez Cortes Daniel Camilo Ruiz Morales

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad de Ingeniería-Ingeniería Eléctrica

Bogotá, Colombia

2015

Dieléctricos Gaseosos

Eduard Ferney Rodriguez Cortes Daniel Camilo Ruiz Morales

Trabajo de investigación presentado como requisito parcial para la asignatura:

Aislamiento Eléctrico.

Docente:

Ing. Dagoberto Ortiz

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad de Ingeniería-Ingeniería Eléctrica

Bogotá, Colombia

2015

Resumen

El presente informe conceptualiza los materiales dieléctricos y analiza las principales

propiedades físicas, químicas y eléctricas de los diferentes dieléctricos gaseosos que

actualmente presentan destacadas aplicaciones en la industria eléctrica, por lo cual a su

vez contextualiza la importancia y el avance que ha tenido el estudio de estos dieléctricos

por medio de la estandarización de parámetros físicos, económicos y medioambientales

que permitan cuantificar las ventajas y desventajas de los mismos.

Palabras clave: dieléctrico, gaseoso, SF6, aire, rigidez, arco, nitrógeno, dióxido de

carbono.

Abstract

This report conceptualizes dielectric materials and analyzes the main physical, chemical

and electrical properties of various gaseous dielectrics currently have important

applications in the electrical industry properties, which in turn contextualize the importance

and the progress that has been studying these dielectrics through standardization of

physical, economic and environmental parameters to quantify the advantages and

disadvantages of them.

Keywords: dielectric gas, SF6, air, stiffness, arc electric, nitrogen, carbon dioxide.

CONTENIDO 1. Características generales de un dieléctrico gaseoso ............................................ 2

1.1 Propiedades eléctricas ....................................................................................... 2 1.2 Propiedades físicas y químicas .......................................................................... 3 1.3 Requerimientos a largo plazo ............................................................................. 4 1.4 Condiciones medio ambientales ......................................................................... 4

2. Breve historia de los dieléctricos gaseosos .......................................................... 5

3. Diferentes tipos de gases dieléctricos ................................................................... 6 3.1. El Aire ................................................................................................................ 6 3.2. NITROGENO (N2) .............................................................................................. 6

3.2.1. Propiedades físicas y químicas del Nitrógeno N2 ............................................ 6 3.2.2. Aplicaciones en la industria eléctrica ............................................................... 7 3.3. OXIDO DE NITROGENO (N20) ....................................................................... 7 3.3.1. Propiedades físicas y químicas N2O ............................................................... 7 3.4. DIOXIDO DE CARBONO (CO2) ...................................................................... 8 3.4.1. Propiedades físicas y químicas CO2 ............................................................... 8 3.4.2. Aplicaciones en la industria eléctrica ............................................................... 8 3.5. HAXAFLORURO DE AZUFRE (SF6) ............................................................... 8 3.5.1. Propiedades físicas y químicas SF6 ................................................................ 8 3.5.2. Aplicaciones en la industria eléctrica ............................................................... 9

3.6. El Vacío ............................................................................................................ 11 3.6.1. Aplicaciones en la industria eléctrica ............................................................. 11

4. Propiedades físicas de algunas mezclas de SF6 ................................................. 12 4.1. Mezclas de SF6 ............................................................................................... 13

4. Conclusiones .......................................................................................................... 15

Lista de figuras

Pág. Figura 4-1: Características de ruptura a impulso negativo para 50 mm de brecha de varilla

plano lleno de mezclas SF6-N2 que contiene un bajo contenido de SF6. Vara dicameter =

1. 58 mm [5]. ……………………………………………………………………………… 13

Figura 4.2: Características de ruptura impulso negativo para mezclas SF6-aire con bajo

contenido de SF6 usando 50 mm brecha de varilla avión. Diámetro de la varilla = 1,59

mm[5]………………...........................................................................................................13

Figura 4.3: Características de ruptura impulso negativo para mezclas SF6-CO2 con bajo

contenido de SF6 usando 50 mm brecha de varilla avión. Diámetro de la varilla = 1,59

mm[5]……………………………………………………………………………………………...14

Lista de tablas

Pág.

Tabla 3-1: Elementos gaseosos que se encuentran en el aire…………………………….6

Tabla 3-2: Recopilación de datos generales para los diferentes dieléctricos gaseosos en

comparación con el SF6……………………………………………………………………………………10

Tabla 4-1: Propiedades físicas de Fluorogases en comparación con el SF6……………12

Introducción

Los materiales dieléctricos son materiales que se caracterizan en primer medida, porque

las fuerzas de acoplamiento entre sus electrones de valencia son tan grandes que evitan

su intercambio presentando así una gran resistencia al movimiento de electrones por lo

cual la conducción de electricidad es un fenómeno que está prácticamente ausente, si

bien es cierto que esta es una característica fundamental de los materiales aislantes, los

dieléctricos se diferencian de estos en que además se caracterizan por el arreglo interno

de sus cargas mediante la aplicación de campos eléctricos, fenómeno llamado

polarización, el cual en otras palabras permite la modificación interna de cargas en

presencia de un campo eléctrico de manera que las cargas negativas se desplazan con

respecto a las positivas dando lugar a una estructura eléctrica dipolar que modifica el

campo eléctrico, provocando la polarización eléctrica dentro del material dentro del

material. De aquí se desprende, la permitividad dieléctrica, la cual es la propiedad que

permite cuantificar la respuesta del material frente al campo eléctrico aplicado para

representar la capacidad de almacenar carga por inserción del medio dieléctrico entre las

placas de un condensador, la cual cambia su valor dependiendo el medio, pues para el

aire es aproximadamente 1 mientras para la mayoría de los sólidos toma valores entre 5

y 10. A su vez, esta es una de las causas por la que se ha llevado a clasificar los

materiales dieléctricos en sólidos, líquidos o gaseosos.

En el presente trabajo se detallara especialmente en los dieléctricos gaseosos, la

importancia de sus principales propiedades dieléctricas que los han llevado a que hoy en

día su utilidad abarque un amplio campo en las diferentes aplicaciones de la industria

eléctrica así como también el estudio de las mismas haya venido incrementando en los

últimos tiempos, pues los materiales dieléctricos deben ser capaces de resistir voltajes

elevados sin degradarse o volverse conductores, además de minimizar la perdida de

energía eléctrica que usualmente se transforma en calor al aplicarle un voltaje alterno.

2

1. Características generales de un dieléctrico gaseoso

Básicamente un gas debe cumplir algunos requerimientos para ser un gas dieléctrico que

se describen en función de diferentes propiedades, las cuales son físicas, químicas, y

eléctricas, además se deben tener presente algunas cuestiones que puedan afectar el

medio ambiente a corto y largo plazo, aunque estos dos requerimientos son para la

elección de un dieléctrico comercialmente viable y ambientalmente sostenible.

1.1 Propiedades eléctricas

Todos los dieléctricos independientemente si son gaseosos, líquidos o sólidos, poseen

algunas propiedades comunes como lo son la permitividad relativa, la rigidez dieléctrica

y el factor de perdida dieléctrica, por lo cual a continuación se introduce la definición autor

Saguay y Torres para tener una mejor idea de las mismas, veamos:

“La constante dieléctrica o permitividad relativa representa la cantidad de energía

electroestática que puede ser almacenada por unidad de volumen y por unidad de

gradiente de potencial, y es una característica de cada material. Cuanto mayor es

la permitividad del material, más fuerte se polariza y son mayores los efectos

eléctricos”.

“La rigidez Dieléctrica por su parte es conocida como el máximo gradiente de

potencial que puede soportar el dieléctrico, sin que llegue a producirse una

corriente disruptiva, antes de que se produzca su destrucción por perforación, sin

que llegue a una degradación física de sus propiedades aislantes. Su valor se

expresa en (Kv/mm)”.

“Finalmente el factor de perdida dieléctrica (tag 𝛿), es la variable que permite

relacionar la resistividad eléctrica del material y la constante dieléctrica, por lo que

determina la perdida de potencia de un dieléctrico, la cual generalmente se

representa en forma de calor y además está en función de la frecuencia y de la

naturaleza del dieléctrico”.

3 Dieléctricos Gaseosos

Estas definiciones permiten dar una idea de las principales propiedades eléctricas

asociadas a los dieléctricos en general, mas sin embargo el presente documento pretende

enfatizar el estudio de los dieléctricos gaseosos, por lo cual vale la pena resaltar las

propiedades más importantes que permiten determinar y caracterizar la selección

apropiada de un buen dieléctrico gaseoso, por lo cual a continuación se hace mención de

estas:

Alta rigidez dieléctrica, como ya se mencionó, es básicamente que el material soporte

un gran gradiente de potencial eléctrico, o en otras palabras que pueda sostener un

valor de intensidad de campo sin que circule una corriente disruptiva sobre él, y se

perfore el gas, que se evidenciaría en una evaporación del mismo.

Buena extinción de arco y propiedades de regeneración del gas, esto es, que tenga

una formación de iones negativos que básicamente reduzcan la cantidad y la

movilidad de los electrones que contribuyen la mayor parte de la corriente que forma

el arco.

Baja sensibilidad a la rugosidad de la superficie de los conductores, es decir que el

comportamiento del gas no cambie ante variaciones en las superficies así estas sean

heterogéneas.

Baja generación de productos de descomposición o residuos, esto se presenta en

algunos gases cuando se someten a esfuerzos eléctricos (chispas, arqueos, efecto

corona, entre otros) lo que origina subproductos en su mayoría toxicos y/o corrosivos

los cuales pueden afectar tanto la salud del operario como del medio ambiente.

1.2 Propiedades físicas y químicas

Eelectronegatividad o propiedad de moderación de electrones que define la

formación de iones negativos estables. En otras palabras, que sirvan para no dejar

mover electrones y absorber electrones.

Inercia química, que no reaccione con la mezcla de gases, esto es, atmosferas de

uso, productos de descomposición, o materiales de equipos, por lo cual se reduce a

que debe tener una estabilidad muy alta.

Alta presión de vapor, lo cual significa que pase más rápido de un estado líquido a

uno gaseoso, por lo que no se requieran altas temperaturas para pasar de estado

líquido a gaseosos, ya que por lo general estos se van a utilizar a temperatura

ambiente y el dieléctrico tiene que ser gaseoso para aumentar su rigidez dieléctrica.

4

Alta conductividad térmica, es decir al haber un descarga el calor aumenta pero al

ser el gas un conductor térmico lo puede transmitir a otro medio diferente al de

influencia y así disipar el calor producido por la descarga.

No inflamable, básicamente se hace necesario que cumpla esta condición ya que se

desea es evitar el daño a equipos de manera eléctrica o térmica ya que al producirse

una descarga el flujo de electrones circulante produce una corriente de fuga al

aislante y así aplicando la ley joule se genera pérdidas en forma de calor, lo que

implica que si es inflamable requiere una magnitud de calor muy baja para formar

ignición y producir un daño mayor.

1.3 Requerimientos a largo plazo

Separación propiedades dieléctricas estables en el tiempo y la temperatura, sin

degradación de gas es decir que tenga una alta duración de estabilidad en el tiempo

como el SF6 que posee una duración 3200 años en la atmosfera.

No hay gas (mezcla) de licuefacción bajo condiciones de temperatura ambiental, es

decir que el gas permanezca en estado gaseoso en temperatura ambiente y no se

transforme a estado líquido.

Insensibilidad a las impurezas del gas (es decir, la humedad, otros gases) que no

reaccione químicamente ante las partículas que están en el ambiente del dieléctrico

y cambien sus propiedades dieléctricas.

1.4 Condiciones medio ambientales

Básicamente el impacto ambiente y su nivel toxico tienen que ser evaluados antes

de producirse ya que se va hacer uso intensivo del dieléctrico, por esta razón se

busca un cambio del SF6 el cual es un dieléctrico excelente pero su poder de

calentamiento global es muy alto (GWP=23900) lo cual implica que es uno de los

peores gases invernaderos, por ejemplo la unidad GWP está en unidad con CO2 esto

quiere decir por una tonelada de SF6 equivale a 23900 toneladas de CO2 lo cual es

mucho, ya que este gas se ha extendido demasiado en la industria eléctrica.

Debe poder ser económicamente sostenible donde se evalué características de

disponibilidad, precio, facilidad y posibilidades de almacenamiento barato hasta un

fácil reciclaje de este.

2. Breve historia de los dieléctricos gaseosos

Básicamente el dieléctrico que impero y sigue imperando es el aire ya que tiene una gran

capacidad dieléctrica, y se sigue utilizando donde no se requiere un nivel de aislamiento

tan alto. El problema comenzó cuando se hicieron los tubos de rayos X donde los niveles

de tensión aumentaron, donde primero se utilizó el aire como aislador con muy poco

resultado al igual que los aisladores líquidos y sólidos. El aire al encontrase con este

problema, llevo a buscar una solución para los ingenios en la materia, los cuales lo

comprimieron para mejorar su rigidez dieléctrica aunque para su uso se necesita llevar al

gas a una gran presión a fin de poder evitar el arco; por este motivo se incentivó a llevar

otros gases que se pudieran comprimir más fácil y que tuvieran mejores propiedades

dieléctricas.

En las obras de Charlton y Cooper en 1937 y Pollock y Cooper en 1939 lograron demostrar

que los fluorocarbonos y el hexafloruro de azufre tenían propiedades superiores que la del

aire en rigidez dieléctrica. Para el año de 1940 la compañía General Electric ya tenía una

patente del hexafloruro de azufre como dieléctrico gaseoso. El investigador ruso

Hochberg, dio información del uso del SF6 en los condensadores de alta tensión en 1942.

La división de química general de la Allied Chemical Corporation comenzó a hacer SF6 a

escala comercial en 1947. Trabajos posteriores por varios equipos de investigadores ha

tendido en confirmar que los mejores dieléctricos gaseosos

se caracterizan por tener bastante número de moléculas que tienen un alto porcentaje de

flúor1. Ahora el SF6 es el aislamiento por excelencia en el medio eléctrico actual utilizado

en diferentes medios de aislamiento para dispositivos de distribución de aislamiento de gas

(GIS), y líneas de transmisión con aislamiento de gas (GITL) esto debido a sus excelentes

propiedades de aislamiento como es su alta rigidez dieléctrica y excelente capacidad de

extinción de arco. Pero su uso excesivo ha producido altas concentraciones en la

atmosfera, de tal modo que se está convirtiendo en un problema global por ser un gas

invernadero de alto GWP.

Debido a esto en la actualidad se están estudiando nuevos tipos de mezclas para encontrar

el remplazo del SF6, más que todo en utilizando dopajes de esta molécula en N2 con

proporciones de 10/90%. En lo últimos años se ha buscado un medio alternativo de

aislamiento, especialmente para los equipos de gran escala como los buses de

conductores aislados (GIB) o líneas de transmisión (GITL), estas investigaciones tratan de

utilizar otras mezclas con bajo contenido del SF6 o de carácter nulo. Se están haciendo

mezclas como las siguientes SF6/N2, SF6/CO2, SF6 AIRE, entre otras. También mezclas

sin contenido del SF6 se han plantead en la comunidad científica del tema como son.

O2/N2, C02 / N2 y N20 / N2.

1 Holloway, F. L.; Mears, W. H., "A review of gaseous dielectric development," in Electrical Engineering , vol.78, no.2, pp.137-140, Feb. 19591

Dieléctricos Gaseosos

3. Diferentes tipos de gases dieléctricos

A ciencia cierta no se tiene una clasificación de los dieléctricos gaseosos, más sin embargo

a continuación se nombraran los principales tipos de gases dieléctricos que en la

actualidad son utilizados en aplicaciones de la industria eléctrica a fin de conocer un poco

más a fondo sus diferentes propiedades, veamos:

3.1. El Aire

El aire ha sido el primer dieléctrico gaseoso utilizado por el hombre y por la naturaleza en

sí. Del aire se comenzó hacer estudio sobre que otros tipos de gases podían actuar como

dieléctricos y tuviera mejores propiedades, como se dijo en el capítulo 2, el aire aumenta

su rigidez dieléctrica a presiones altas, debido a esto se hace necesario más energía para

elevar esta propiedad, de ahí se debe el cambio y como se sabe los demás dieléctricos la

mayoría supera su rigidez dieléctrica en valores de 2.5 veces como el SF6. Se puede decir

que todos los componentes del aire son aislantes. En la tabla 3.1 se muestran los

diferentes componentes del aire:

Tabla 3-1: elementos gaseosos que se encuentran en el aire.

Elemento Porcentaje

Nitrógeno 78%

Oxigeno 20.99%

Argón 0.9325%

Gas carbónico 0.03%

Hidrogeno 0.01%

Neón, helio, criptón, Xenón <0.01% Fuente: Saguay, M, Torres, R. “Análisis del comportamiento de medios dieléctricos ante las altas

tensiones eléctricas”. Cuenca, 2011, 91p.

3.2. NITROGENO (N2)

El nitrógeno es un gas inerte con numerosas aplicaciones industriales, posee un peso

molecular de 28,0134 g/mol.

3.2.1. Propiedades físicas y químicas del Nitrógeno N2

En condiciones normales, el nitrógeno (N2) es incoloro, inodoro, no tóxico, no inflamable,

no combustible muy barato y duradero contra el envejecimiento. Además es

aproximadamente tan pesado como el aire. En condiciones atmosféricas normales el N2

difícilmente puede desplazar el oxígeno en el aire, debido a su peso específico. Más sin

embargo, el nitrógeno puro es un simple asfixiante, esto debido a que en ambiente cerrado

7

este puede desplazar el oxígeno en el aire y puede causar síntomas de falta de oxígeno

(asfixia) cuando está presente en concentraciones significativamente grandes y para

concentraciones de oxígeno más bajos que normalmente se encuentran en aire, cabe

recordar que el aire normalmente contiene aproximadamente 78% de nitrógeno y 21% de

oxígeno, por lo que el contenido de oxígeno no debe caer por debajo de 18% ya que de lo

contrario resultará con efectos nocivos para la salud de las personas.

Es un gas inerte, el cual se caracteriza por su comportamiento no reactivo con otros gases

o material, a excepción de litio que reacciona con N2 para formar nitruro de litio. Además

tiene una temperatura muy baja, un punto de ebullición equivalente a -195 °C. Por lo tanto,

el nitrógeno es adecuado para la reducción de la temperatura del punto de ebullición de

una mezcla de gas de manera significativa.

3.2.2. Aplicaciones en la industria eléctrica

El nitrógeno no es electronegativo, por lo que es generalmente aceptado como un aditivo

superior en los medios de aislamiento para los equipos de alta tensión. Teniendo en cuenta

las buenas propiedades en general, el nitrógeno (N2) es la base de mezcla de gas de dos

o tres elementos, que tiene un mínimo impacto ambiental. Además, es usado como gas

portador, para la protección total contra impurezas y oxidación en semiconductores y

procesos de soldadura. En su forma fría y liquida, N2 es usado como un medio de

enfriamiento de dispositivos eléctricos en las pruebas ambientales.

3.3. OXIDO DE NITROGENO (N20)

El óxido de nitrógeno es un gas volátil incoloro con un olor ligeramente dulce, no inflamable,

ni combustible pero si ligeramente toxico. Sus propiedades se han venido estudiando a fin

de establecerlo como una alternativa en las aplicaciones dieléctricas del nitrógeno puro,

más sin embargo posee la gran problemática de ser un gas de efecto invernadero, no

obstante su potencial de contaminación es mucho menor al SF6, el dieléctrico gaseoso

más usado actualmente en la industria eléctrica.

3.3.1. Propiedades físicas y químicas N2O

El N2O es aproximadamente 1,5 veces más pesado que el aire. Su punto de ebullición

está en T=-88.0 C y es significativamente menor que la de SF6 (T=-63,8 C). El N20 es un

gas muy estable, se considera que es un gas de efecto invernadero. En comparación con

SF6, el potencial de efecto invernadero de la N20 es 77 veces menor (GWP = 210). Su

tiempo de vida en la atmósfera es de aproximadamente 150 a 170 años. El óxido de

nitrógeno es térmicamente estable hasta una temperatura igual a 650 ° C y se descompone

térmicamente (disociación) a temperaturas de por encima de 1.500 K a 2.000 K.

Dieléctricos Gaseosos

3.4. DIOXIDO DE CARBONO (CO2)

El dióxido de carbono es un gas resultante de la combinación del carbono y del oxígeno,

con un peso molecular de 44,01 g/mol.

3.4.1. Propiedades físicas y químicas CO2

En condiciones normales se caracteriza por ser incoloro, inodoro y no inflamable. Se utiliza

como agente de extinción de incendios, ya que puede desplazar el oxígeno del aire. CO2

es de aproximadamente 1,5 veces más pesado que el aire. Su punto de ebullición esta en

T = -78,5 ° C. El dióxido de carbono es un gas muy estable, pero que desafortunadamente

también se considera que es un gas de efecto invernadero. En comparación con SF6, el

potencial de efecto invernadero de CO2 es 23900 veces más baja (GWPco2 = 1). Su

tiempo de vida en la atmósfera es de aproximadamente 50 a 200 años. CO2 es estable

térmicamente hasta T= 650 ° C y se descompone térmicamente a temperaturas superiores

a 2200 K.

3.4.2. Aplicaciones en la industria eléctrica

El dióxido de carbono es muy requerido por tener adecuado aislamiento, capacidad de

extinguir el arco eléctrico, estabilidad química, y no ser inflamable como ya se mencionó

en sus principales propiedades. Es así que el CO2 es usado en equipos de potencia,

puesto que la cantidad que se usa en estos, así como su contaminación, es despreciable

comparando con las emisiones globales.

3.5. HAXAFLORURO DE AZUFRE (SF6)

El SF6, es un gas inerte, no es tóxico, no tiene color, inodoro, insípido, y no inflamable.

Basándonos en la definición del autor Saguay y Torres para una buena explicación de las

propiedades del SF6 tomamos el siguiente fragmento:

“Tiene una densidad de 6.07 g/I a 20°C, es un gas artificial utilizado en los equipos

eléctricos de alta y media tensión, el gas es 5 veces más pesado que el aire. Es

químicamente muy estable por lo que a temperatura ambiente no reacciona con ninguna

otra sustancia, su gran estabilidad se basa en el arreglo simétrico de sus seis átomos de

Flúor en torno a su átomo de Azufre central”.

3.5.1. Propiedades físicas y químicas SF6

El SF6 es un compuesto sintético, producido electrolíticamente haciendo burbujear flúor

gaseoso a través de azufre fundido, químicamente muy estable, de alta densidad y no

biodegradable. Sus 6 enlaces son covalentes, lo que explica químicamente la gran

estabilidad de este compuesto.

9

A presión atmosférica, el hexafloruro de azufre tiene una rigidez dieléctrica 2.5 veces mejor

que la del aire. Usualmente la presión de trabajo es mayor a 500kPa, en cuyo caso la

rigidez dieléctrica alcanza a ser 10 veces mayor que la del aire. Por otra parte, al ser

fuertemente electronegativo, es un excelente aislante eléctrico, ya que las moléculas del

gas atrapan los electrones libres formando iones negativos muy fuertes y que no tienen

mucha movilidad, lo cual es muy efectivo contra las avalanchas de los electrones que

pueden causar la apertura de un circuito. De igual manera, el SF6 es útil para la extinción

del arco eléctrico dentro de la cámara de un interruptor, ya que durante este fenómeno el

SF6 se disocia absorbiendo cantidades considerables de energía.

3.5.2. Aplicaciones en la industria eléctrica

Alrededor del año 1937, las aplicaciones del SF6 en la industria eléctrica se empezaron

a ver reflejadas cuando la General Electric Company realizo las primeras investigaciones

y propuso la utilización del mismo en la fabricación de equipos eléctricos debido a su alta

rigidez dieléctrica en comparación con la del aire. Hacia 1967, salieron al mercado los

primeros interruptores de SF6 de media y alta tensión, los cuales comenzaron a sustituir

de manera progresiva los interruptores de aire comprimido.

En la actualidad, en los interruptores de potencia, el SF6 se utiliza como medio aislante y

de extinción del arco, debido a su alto esfuerzo dieléctrico y baja conductividad térmica.

Por otro lado, los interruptores de alta tensión contenidos de SF6 son capaces de cortar

energía, lo que es imposible de igualar con cualquier otro medio.

A su vez, una de las aplicaciones más marcadas del SF6 son las subestaciones eléctricas

encapsuladas (GIS) aisladas con este gas, las cuales se utilizan donde las restricciones

de espacio son importantes y se pueden encontrar en zonas urbanas debido a que se

liberan del mantenimiento continuo, debido a que reducen el campo magnético en forma

considerable y eliminan por completo el campo eléctrico. No obstante, la descomposición

parcial del SF6 es su principal desventaja, la cual se ocurre cuando este se somete a

esfuerzos eléctricos (chispas, arqueo, efecto corona, etc.) lo que origina subproductos

altamente tóxicos y corrosivos que no cuentan con las mismas capacidades dieléctricas y

térmicas del SF6 en su estado original, y conlleva además a la disminución de la capacidad

de aislamiento y extinción de arco, lo cual puede causar fallas eléctricas en el sistema.

Finalmente a continuación, a fin de poder realizar una comparación en la tabla 3.2 se

muestra algunas propiedades de los diferentes gases analizados en este subcapítulo.

Tabla 3-2: Recopilación de datos generales para los diferentes dieléctricos gaseosos en

comparación con el SF6.

Dieléctricos Gaseosos

Parámetro Condiciones SF6 N2 N2O CO2

Rigidez dieléctrica en

referencia con el SF6

1 0.37 0.46

0.50

0.35

0.32

Presión reducida de

campos críticos

(kV mm-1 MPa-1)

Tm=20-25 °C 88.4 33.0 40.7 32.1

Punto de roció

Tdp /°C

P=0.1013 MPa -63.9 -195.8 40.7 32.1

GWP100 Referente con el

CO2.

23900 - 310 1

Conductividad Térmica

λ/ (Wm-1K-1)

P=0,1013 Mpa

Tm=25 °C

0.0155 0.0238 0.0174 0.0142

Calor específico

cp/Kjkg-1K-1)

P=0,1013 Mpa

Tm=20 °C

0.657 1.038 0.873 0.837

Densidad del gas en

referencia con el aire

p/(Kgm-3)

6.07 1.250 1.948 1.977

Peso relativo Molar

(Cg/ms-1)

146.06 28.01 44.01 44.01

Velocidad del sonido

(pc/(kgm-3)

P=0,1013 Mpa

Tm=0 °C

138 336 263 258

Presión Critica

(ps/MPa)

3.755 3.394 7.236 7.38

Temperatura critica

(Tc/K)

318.72 126.04 309.4 304.1

Densidad crítica

(Pc/Kgm-3)

735 311 450 460

Primera energía de

ionización

(El /eV)

15.32 15.38 12.89 13.78

Fuente: Pfeiffer, W.; Schoen, D., "Requirements for gaseous insulation for application in GITL

considering N2, N2O and CO2 with low content SF6," in Electrical Insulation, 2004. Conference

Record of the 2004 IEEE International Symposium on , vol., no., pp.536-539, 19-22 Sept. 2004.

11

3.6. El Vacío

La interrupción de corriente en el vacío se consideraba una técnica de conmutación ideal,

sin embargo, las dificultades prácticas hicieron que se ignorase por mucho tiempo, más

sin embargo, en la actualidad es una gran solución en equipos de alta tensión.

3.6.1. Aplicaciones en la industria eléctrica

El vacío es actualmente utilizado como nueva tecnología en los interruptores de vacío, ya

que el vacío tiene una alta rigidez dieléctrica. Esta tecnología estuvo ignorada por la

incapacidad de procesos herméticos de sellado.

Cuando se abre un circuito de alta tensión de corriente alterna este separa dos lamina de

contactos que al separarse en la cámara de vacío, cortan la corriente en el primer cruce

por cero de la señal de corriente o antes ya que la rigidez dieléctrica es muy superior a la

de los interruptores convencionales, (1 KV por µs para 100 A en comparación con 50 V/µs

para el aire); el aumento de la rigidez dieléctrica genera que el arco no se pueda encender

de nuevo. En la actualidad se hace demasiado estudio en mejorar la tecnología ya que el

diseño constructivo hace parte fundamental del funcionamiento ya que por ejemplo los

contactos deben resistir la erosión al arco eléctrico.

Esta tecnología se ve afectada básicamente por la incapacidad de mantener la condición

de vacío, e igualmente resistir sobre tensiones producto de la alta variación de la corriente

en el tiempo, lo cual hace necesario una exhaustiva investigación en ingeniería de

materiales para resolver estos problemas que limitan al vacío para uso en alta tensión.

Dieléctricos Gaseosos

4. Propiedades físicas de algunas mezclas de SF6

En los años 60 ya se andaba buscando otro tipo de gas dieléctrico de alto rendimiento

como el SF6, aunque los posibles candidatos en esta época tenían deficiencias en sus

características, no solamente deben cumplir factores de rigidez dieléctrica sino que

también factores físicos, ambientales y económicos. En esta época lo candidatos eran

moléculas con contenido de flúor como son los perflourocarbonos entre ellos

perfluoropropano (C3F8), o el perfluorobutano (C4F10) y Perfluorociclobutano. En la tabla

4.1 se enumeran las propiedades más destacadas de estos fluorogases.

Tabla 4-1: Propiedades físicas de Fluorogases en comparación con el SF6.

Propiedades físicas de Fluorogases en comparación

SF6 C8F8 C4F10 c-C4F8

Mol. (wt). 146.06 188.02 238.03 200.03

P.E (C) -63.8 Subli. -36.7 -2.0 -6.0

P.C (C) -50.8 <-160 <-80 -41.4

Rigidez dieléctrica relativa

2.2 2.2 2.8 2.8

Vapor de presión (psi)

0 C 185 60.4 15.9 18.8

21.1 C 325 114.8 34.0 40.1

38 C 462 180.0 59.0 66.8 Fuente: Holloway, F. L.; Mears, W. H., "A review of gaseous dielectric development," in Electrical

Engineering , vol.78, no.2, pp.137-140, Feb. 1959

Tomando una breve conclusión de la tabla tomada de la referencia se puede explicar varias

cosas: los pesos moleculares relativos de los diferentes compuestos son

aproximadamente proporcionales a sus densidades de llenado y por tanto más o menos

proporcional a sus costes relativos de llenar una unidad determinada, es decir asumiendo

que su coste por libra es el mismo, donde el SF6 ya tiene una ventaja significativa al ser el

cual dé se tiene claridad en este proceso al ser el que comercialmente está activo. Mirando

los criterios tomados en la tabla el punto de ebullición y la presión de vapor de cada gas

se llega a la conclusión de que el SF6 es excelente, C3F8 es bueno, y los C-4 son pobres

esto determinado por lo que se dice en el capítulo 1 en el cual se debe tener una presión

de vapor alta y punto de ebullición muy bajo. Respecto al punto de congelación del c-C4F8

es más bien alta aunque es la menor de las sustancias analizadas que tienen son

excelentes en este aspecto. Cabe señalar que la presión de vapor de SF6 en su punto de

congelación es de 2 ambientes, tales que presta "aislamiento gaseoso" a temperaturas

sustancialmente por debajo de su punto de congelación. Por ultimo cabe destacar que la

rigidez dieléctrica de los C-4 son 25% superiores a las del SF6 y C3F8.

13

4.1. Mezclas de SF6

Básicamente se han entablado numerosos estudios sobre rigidez de descarga en mezclas

de SF6 que mantiene características similares. En este caso cabe señalar que se va a

mostrar una serie de graficas obtenidas en varios paper para el estudio de descargas en

diferentes mezclas de SF6 y en algunos elementos para no dejar de paso este tema. En

la figura 4.1 y 4.2 y 4.3 se muestran la descarga al impulso negativo de diferentes mezclas

de SF6 a diferentes valores de presión.

Figura 4.1: características de ruptura a impulso negativo para 50 mm de brecha de varilla plano

lleno de mezclas SF6-N2 que contiene un bajo contenido de SF6. Vara dicameter = 1. 58 mm [5].

Figura 4.2: Características de ruptura impulso negativo para mezclas SF6-aire con bajo contenido

de SF6 usando 50 mm brecha de varilla avión. Diámetro de la varilla = 1,59 mm[5].

Dieléctricos Gaseosos

Figura 4.3: Características de ruptura impulso negativo para mezclas SF6-CO2 con bajo contenido

de SF6 usando 50 mm brecha de varilla avión. Diámetro de la varilla = 1,59 mm[5].

Según basado en el autor del experimento se evidencia claramente que al dopar los

diferentes gases con muy poco contenido de SF6 afecta significativamente el voltaje de

ruptura al impulso negativo de los gases puros, aunque en la figura 4-2 se evidencia un

aumento en la tensión de ruptura al impulso negativo del aire dopado de SF6 hasta una

presión aproximada de 2,5 bares. Este fenómeno sucede también en la figura 4-3 donde

el CO2 dopado es superior en la tensión de ruptura al del gas puro en un valor de 4 bares2.

2 Safar, Y.A.; Malik, N.H.; Qureshi, A.H., "Impulse Breakdown Behavior of Negative Rod-Plane Gaps in SF6-N2, SF6-Air and SF6-C02 Mixtures," in Electrical Insulation, IEEE Transactions on , vol.EI-

17, no.5, pp.441-450, Oct. 1982.

15

4. Conclusiones

Los dieléctricos gaseosos son muy importantes eléctrica ya que suponen la manera de

mejorar el aislamiento a altas tensión de transmisión. Básicamente desde el nacimiento de

altas tensión se ha buscado dichos gases que cumplan requerimientos eléctricos,

fisicoquímico y que no impacte al ambiente aunque no se ha encontrado un mejor gas

aislante que el SF6 que ya lleva unos años en comercialización; el SF6 es el principal

aislamiento en sistemas de trasmisión de línea (GILT)y en sistemas de buses de

conductores (GIB), aunque se sabe que ambientalmente es un gas muy dañino a su gran

poder de calentamiento global, de esto se concluye que la tecnología en este instante está

en la búsqueda de un gas capaz de tener las mismas propiedades que el SF6 pero que no

tenga un impacto ambiental tan alto; aunque desde los años 60 se ha buscado diferentes

mezclas no se ha llegado a una mezcla o gas que definitivamente solucione los problemas

que presenta el SF6 en función económica y ambiental.

Dieléctricos Gaseosos

Bibliografía

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