Cuaderno Técnico nº 078

SF6, el gas dieléctrico

M. Dubois

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 2

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones,los sistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo delas redes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

Puede accederse a estas publicaciones en Internet:

http://www.schneiderelectric.es

Igualmente pueden solicitarse ejemplares en cualquier delegación comercial de Schneider ElectricEspaña S.A., o bien dirigirse a:

Centro de Formación Schneider

C/ Miquel i Badia, 8 bajos

08024 Barcelona

Telf. (93) 285 35 80

Fax: (93) 219 64 40

e-mail: formacion@schneiderelectric.es

La colección de Cuadernos Técnicos forma parte de la «Biblioteca Técnica» del Grupo Schneider.

Advertencia

Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilización de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no serán responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las consecuenciasde la aplicación de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edición.

La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 078 de Schneider Electric».

cuadernotécnico nº 78

SF6 ,el gas dieléctrico

Por M. Dubois

Trad.: José Mª Giró

Edición francesa: mayo 1976

Versión española: marzo 1997

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 4

El SF6, el gas dieléctrico

¿Qué fenómenos preceden a ladescarga en el gas SF6?

Su estructura molecular le confiere aeste gas una buena aptitud parafrenar y estabilizar, aún sin estarionizado, los electrones libres.

En los aparatos industriales, lasavalanchas eléctrónicas provocan, engeneral, descargas en arborescenciadentro del SF6 a presión atmosférica,para campos eléctricos de 9 kV/mm.

Introducción p. 5

1 La rigidez dieléctrica p. 5

2 El canal conductor en el gas 2.1 Los choques elásticos p. 6entre partículas en el SF6

2.2 Los choques no-elásticos p. 6entre partículas

3 Capacidad del SF6, sin estar ionizado, p. 7

3.1 Las vibraciones p. 7moleculares

3.2 Los cambios de estado p. 9moleculares

3.3 La fijación de electrones p. 10

4 Los fenómenos de avalancha electrónica y p. 12de descarga eléctrica en el SF6

4.1 La avalancha electrónica p. 12

4.2 La descarga en forma p. 13arborescente

Conclusión p. 15

Bibliografía p. 15

Índice

para parar y fijar los electrones

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 5

Introducción

La utilización del SF6 ha permitidoreducir notablemente el peso y lasdimensiones de los aparatoseléctricos. Hoy en día, la literaturatécnica cuenta con numerosos datosprecisos en este campo. Estareducción se debe en parte a lasbuenas cualidades como aislanteeléctrico del gas SF6 que seconsiguen incluso cuando se utiliza amuy bajas presiones, del orden de tansólo algunos bares.

¿Cómo se explica esta propiedad delgas SF6?

El lector encontrará aquí unarespuesta basada, en parte, en laexperiencia adquirida en Merlin Gerinen el curso de los estudios sobreaparatos aislados con SF6.

Después de haber situado loscriterios sobre las característicasdieléctricas de este gas, nospreguntaremos sobre los fenómenosfísicos que llevan a la perforación delos gases por una chispa eléctrica.Como veremos, la descarga sedesarrolla por la multiplicación de loselectrones libres que normalmentehay en la materia.

Por eso examinaremos, ante todo,los mecanismos de frenado y defijación de los electrones libresmediante el SF6, considerándolo auna escala particular, paracomprender su comportamientocuando se le somete a una tensióneléctrica.

Por último, recordaremos las dosmagnitudes macroscópicas quepermiten, conociendo la geometría deun aparato y la presión de SF6 que loaísla, calcular las tensiones límite deutilización de dicho aparato.

1 La rigidez dieléctrica

Para verificar el buen comportamientodel aislamiento de los aparatos seles somete a ensayos dieléctricos.En las normas se especifica elproceso y los valores de tensión paracada tipo de material. Una serie deensayos de funcionamiento acabanormalmente con una descarga. Ladescarga es el paso brusco delaislamiento del aparato del estadono-conductor al estado conductor.

Cuando esta descarga se produce,en el seno del SF6 se establece uncanal muy luminoso entre losconductores aislados. Estefenómeno se acompaña de unsonido seco mientras la corriente

circula por dicho canal entre los dosconductores.

Un aislante gaseoso será tanto mejorcuanto mayor sea el valor de tensióna la que se produce la descarga paraun aparato determinado.

Si el ensayo se hace con la ayuda deun espinterómetro -dos esferasconductoras e idénticas un pocoseparadas- se podrán notar, a unapresión determinada, las tensioneslímite de rigidez dieléctrica de losdiferentes gases. Al clasificarlos portensión creciente quedarán tambiénordenados por rigidez dieléctricacreciente.

Lo normal es referirse al aire apresión atmosférica. Con este criterioel SF6 tendría una clasificación mediacomo dieléctrico.

Si se toma el 1 como la rigidezdieléctrica del aire, es decir, sutensión límite de rigidez dieléctricamedida con el espinterómetro, la delSF6 vale 2,5, quedando lejos, detrásde él, el cianógeno, que vale 6. Sinembargo actualmente se prefiere elSF6 respecto a otros gases de rigidezdieléctrica superior, por otras variasventajas, entre las que destacan:

o el no ser tóxico,o el alto grado de su tasa derecombinación, después de disociarsebajo el efecto de descargas elevadas,o su baja temperatura delicuefacción, que permite elfuncionamiento de los aparatos apleno rendimiento en los climas másfríos.

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 6

2 El canal conductor en el gas

2.1 Los choques elásticosentre partículas en el SF

6

La molécula de SF6, si no estácargada eléctricamente, es pocosensible al establecimiento de uncampo eléctrico.

Sin embargo, la radioactividadterrestre y los rayos cósmicosproducen constantemente iones comoel F�, SF5

+, SF6+, ... y electrones

libres que se recombinan entre ellosconstante y espontáneamente. Estolleva a la existencia, en estadonormal, de una cantidad de iones yelectrones libres en el SF6 muyinferior a la que se encuentra en elcanal de descarga.

Por tanto, además de la conducciónsimple de iones y electrones libresque habitualmente se encuentran enel SF6, ¿hay otros fenómenos queentren en juego en la producción dela descarga? ¿cuáles son?

En un medio como el SF6 atemperatura ambiente, las partículas(moléculas, iones, electrones) estánpermanentemente en movimiento detraslación. Chocan entre ellos y sudirección cambia a cada choque.

Este es el movimiento Browniano.

Para fijar las ideas, a 20oC y a lapresión atmosférica, la velocidadmedia de traslación de una moléculade SF6 es de 225 m/s y sufre unchoque cada 0,25 10 � 9 segundosaproximadamente, o sea cada 560anstroms (Å).(1Å = 10 �10 m).

La presencia de un campo eléctricohace variar la energía cinética de losiones y de los electrones libres entodos sus desplazamientos.

Los electrones y los iones (+) y (�)quedan sometidos a una fuerzaeléctrica media de la mismaintensidad: e .E (E = campo eléctrico;e = carga del electrón).

Los iones, puesto que son muchomás grandes que los electrones,recorren, como media, una distancia

más pequeña que éstos, entre doschoques consecutivos elásticoscontra dos moléculas de SF6.

Además, como los iones tienen unamasa comparable a la de lasmoléculas, en cada impacto ceden ala molécula de SF6 con la quechocan, una buena parte de la energíacinética adquirida bajo el efecto delcampo eléctrico.

El azar de los choques ocasiona aveces el desplazamiento en sentidocontrario de la aceleración que leimprime el campo; por tanto ciertoschoques tienen lugar después de ladesaceleración debida al campoeléctrico. Así, como media, es latotalidad de la energía cinéticaexcedente la que transfieren a lasmoléculas gaseosas que les rodean.

La medida de su movilidad muestra,en efecto, que los iones están,como media, en equilibrio térmicocon el SF6, es decir, que su energíacinética no es sensiblemente diferentea la de las moléculas neutras.

Los electrones, cuya masa es unas300 000 veces más pequeña que lasmoléculas de SF6, están en unasituación muy diferente.

Las aceleraciones que sufren entredos choques son de 40 000 a 300 000veces más fuertes que las causadas alos iones. Además, como su masa esmuy pequeña respecto a la de lasmoléculas de SF6, no pierden másque una parte muy pequeña de suenergía cinética en cada choqueelástico contra el SF6. La pérdidamáxima se alcanza en el caso de unchoque frontal cuando el electrón semueve a la velocidad más baja, esdecir, cuando está en equilibriotérmico con respecto al SF6envolvente.

Desciende entonces hasta

3

SF108

M

me4

6

-

= de su energía

cinética, siendo:

me = masa del electrón,MSF6

= masa de la molécula de SF6.

Entonces, algunos, cuando sufrenuna serie de colisiones elásticasfavorables que les predisponen adesplazamientos notables en elsentido de la aceleración queimprime el campo (algunas micras alo largo de las líneas de campo bajouna presión del SF6 de 4 baresabsolutos), pueden adquirir laenergía suficiente para romper lasmoléculas de SF6 en iones (+) yiones (�) o en electrones libres.

Sin embargo, antes de que alcancentales energías cinéticas (15 ó 16 eV),el SF6 es capaz de bloquearlos devarias maneras.

2.2 Los choques no-elásticos entre partículasLos alemanes Franck y Hertz en 1913,y después Frank y Einsporn en 1920,al comunicar a los electronesvelocidades controladas, demostraronque en ciertos choques contramoléculas gaseosas, los electrones enmovimiento pueden perder toda suenergía cinética. En este caso, laenergía del electrón incidente quedaabsorbida por la molécula contra laque choca. Este fenómeno no seproduce más que para energíascinéticas perfectamente determinadas,que caracterizan el gas escogido.

De una forma general, la energíaperdida por los electrones en este tipode choques sirve para calentar lamuestra gaseosa. Puede convertirse,parcial o totalmente, en energíaluminosa radiante, siendo esto mismocaracterístico del gas utilizado.

En tales choques, la energía cinéticatotal de dos partículas se reduce; lasfuerzas «de contacto» producen untrabajo resistente. Éstos son loschoques no elásticos. Supredisposición a ellos, como veremos,es especialmente importante para laexcelente rigidez dieléctrica del gasSF6.

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 7

Fig. 1: Representación esquemática deuna molécula de SF6.

Fig. 2: Orbital que representa lo quepodría ser la unión azufre-flúor en elespacio.

"+" representa los núcleos de los átomosde azufre y de flúor acompañados de sucortejo de electrones, disminuido por loselectrones de enlace. Es en el áreasombreada alrededor del eje S-F dondese sitúan, muy probablemente, loselectrones de valencia o de enlace.

3 Capacidad del SF6, sin estar ionizado,

para frenar y fijar los electrones

3.1 VibracionesmolecularesEn su estado normal �estadofundamental� la molécula de SF6tiene la forma de un octaedro.(Figura 1).

Las posiciones medias de los núcleosde los seis átomos de flúor seencuentran a una distancia del ordende 1,56 Å del de azufre; los seisenlaces azufre-flúor están situados enlos ejes rectangulares pasando por elnúcleo de azufre.

Esquemáticamente, se puederepresentar el mecanismo de uniónde la forma siguiente:

Antes del establecimiento de la unión,un átomo de azufre y un átomo deflúor se aproximan si alguno de loselectrones (cargas negativas) de cadauno de los átomos se muestransensibles a la presencia del núcleo(carga positiva) del otro átomo.

En este movimiento la energía total del sistema es constante

Fig. 3: representación de un sistema mecánico de vibración.

c: separación máxima de 2 masas: las velocidades son nulas.

El esfuerzo del muelle de tracción es máximo.La energía del movimiento vibratorio, estrictamente potencial, es igual a la energía delmuelle de tracción menos la energía del muelle de compresión.

b: separación mínima de las 2 masas: las velocidades son nulas.

El esfuerzo del resorte de tracción es mínimo.El esfuerzo del resorte de expansión es máximo.La energía del movimiento vibratorio, estrictamente potencial, es igual a la energía delmuelle de compresión, menos la energía del muelle de tracción.

M1 = masa del átomo de azufreM2 = masa del átomo de flúor

a: separación normal de las 2 masas: las velocidades son máximas.

El esfuerzo del muelle de tracción (efecto de los electrodos de unión sobre los núcleos)es igual al esfuerzo del muelle de expansión (repulsión internuclear).La energía del movimiento vibratorio es estrictamente cinética.

Muelle de tracción =atracción de los electrones

sobre los núcleos

Muelle de expansión =repulsión de los núcleosentre sí

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 8

Fig. 4: Esfuerzos que originan lavibración de la unión S-F.

Uno se puede figurar en el espacioun volumen en el que se tiene, porejemplo, el 95 % de posibilidades deencontrar estos electrones. Se tienenentonces las circunstancias favorablesen el espacio de un orbital molecularque une el azufre al flúor. (Figura 2).

El conjunto tiene, grosso modo,simetría de rotación respecto al ejeque une los núcleos del F y del S. Lamasa mecánica de los átomos estáconcentrada en los núcleos.Inicialmente y a medida que se vanacercando, la velocidad relativa de losdos átomos se reduce poco a poco,por el efecto de la repulsión de losnúcleos entre sí. Después, estavelocidad se invierte, justo a ladistancia en la que la energía

Fig. 5: Se constata que la absorción es muy fuerte para las longitudes de onda del orden de 10.6 µ (energía equivalente = 0.118 eV). Unelectrón que impacta con una molécula de SF6 con esta energía tendrá muchas más probabilidades de ser parado en el sitio. A ungrado menor, esto se producirá también para energías de 0,077 y 0,047 eV y, en fin, con muy poca probabilidad para las energías de losotros picos.

potencial eléctrica entre núcleos,teniendo en cuenta la presencia deelectrones, es igual a la energíacinética del movimiento relativo inicial.Entonces los núcleos se separan, ladistancia aumenta, el efecto deatracción de los electrones de enlacesobre los núcleos supera a larepulsión internuclear y la velocidadrelativa de separación de los átomosse reduce.

Si no ha habido absorción de unaparte de la energía cinética por untercer cuerpo (átomo ligado al azufre oal flúor por ejemplo), al ser reversibleel trabajo de las fuerzaselectrostáticas en juego, los núcleosse separarían infinitamente el uno delotro, como antes de encontrarse, y,por tanto, la reacción de formación delenlace azufre-flúor no se produciría. Siesta condición de absorción secumple, la velocidad relativa deseparación llega a anularse, loselectrodos de unión acercan losnúcleos y el ciclo vuelve a empezar.Se está en presencia de un sistemamecánico de vibración que puederepresentarse como en la figura 3.

Un conjunto tal, por modificación desu régimen vibratorio, puedeintercambiar energía con el medioexterior.

En el SF6, son seis los sistemasvibratorios así constituidos que están

relacionados los unos con los otrosinterdependientemente. Además, lanube electrónica de un átomo de flúorno es solamente sensible a lapresencia del azufre, sino también alos otros átomos de flúor. Los muelles�es verdad que más flojos que losdel azufre� unen igualmente los flúorentre sí. (Figura 4).

La vibración del conjunto de lamolécula es, de hecho, muy compleja.Un electrón libre incidente, aceleradopor el campo eléctrico, podrá, alaproximarse a una molécula de SF6:

n o entrar en colisión con elequivalente de masas M1 y M2 yrebotar sobre ellos elásticamente sinceder más que 1/100 000 de suenergía cinética debido a la relaciónde las masas de las partículasafectadas,

n o bien, comprimir �o estirar�uno de los múltiples resortes queatan las masas entre sí.

Al almacenar la diferencia de energíaentre los dos regímenes, la moléculacambia entonces de régimenvibratorio. Una transferencia deenergía de este tipo entre el electrónincidente y la molécula sólo se puedeproducir si la energía cinética delelectrón incidente es de valorcomparable a la diferencia energética

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 9

a: estado fundamental del enlaceEl conjunto vibra alrededor de la distancia normal entre el azufre y el flúor (r 0 = 1,56 Å).

Fig. 7: Cambio de características debido a un choque.

b: estado electrónico excitadoEl muelle de tracción está más flojo y el conjunto vibra alrededor de la distancia r1 > r 0,entre el azufre y el flúor.

Fig. 6: Dispositivo experimental de medida de la absorción por infrarrojos.

La luz infrarroja calienta la materia que atraviesa aumentando la energía de vibraciónintramolecular. Para que una materia absorba infrarrojos, hace falta que una o variasuniones moleculares se polaricen eléctricamente. Es el caso del SF6.

entre los dos niveles de vibraciónmolecular posibles.

Debido a que la molécula poseemúltiples enlaces, el SF6 es capaz deparar electrones libres con energíasmuy diversas, al cambiar su estadovibratorio. Esto es lo que expresa elespectro de absorción infrarrojo de lasfiguras 5 y 6.

3.2 Los cambios de estadomolecularesEl SF6 es incoloro y transparente y noabsorbe la luz en el campo visible. Laspartículas proyectiles, mediante lasenergías correspondientes a lasenergías transportadas por los fotonesde la luz visible, no sufrirán por tantocolisiones inelásticas en el SF6.

Si un electrón sufre choquesfavorables que le permiten alcanzarlas energías correspondientes a la luzroja visible (8 000 Å: 1,5 eV) nocorrerá el riesgo de quedar retenidohasta que no haya alcanzado laenergía correspondiente a la luz azul(4 000 Å: 3 eV). En realidad no eshasta antes del dominio delultravioleta que podría pararse denuevo en seco en una colisión(2 000 Å: 6 eV). En efecto, en unchoque así, el enlace azufre-flúorpuede cambiar de características: elresorte de tracción en la figura 3 sevuelve más flojo o el resorte decompresión más rígido. (Figura 7).

La unión azufre-flúor se vuelve menoselástica.

En la práctica se presentan muchasposibilidades, en algunas de las

cuales puede suceder que un orbitalsituado principalmente entre el azufrey un flúor se desdoble, con lo que loselectrones de enlace tienen entoncesuna probabilidad importante deencontrarse al exterior del segmentoque une los núcleos �enlace σ*antienlazante� (figura 8).

Una transformación así se haceabsorbiendo una energía mucho másfuerte de la que sería suficiente pararomper el enlace en su estadofundamental (ver nota 1): si la rupturaocurriera en este estado de excitación(SF6* ⇒ SF5* + F*), los productos dedescomposición SF5* ó F* no seencontrarían en su estadofundamental.

La molécula de SF6 excitada (SF6*)ya no tiene simetría octaédrica.

A un estado de excitación de este tipole corresponde una disminución de laenergía electrostática de acoplamiento�núcleo-electrones de enlace�superior a la que se usa en elmomento de la unión del azufre y elflúor. Los electrones están menosatados al conjunto de los dos núcleosde lo que estarían si se encontrarancada uno en su posición normalalrededor de cada uno de los dosátomos separados.

Los cambios de estados molecularesen el SF6 son mucho más complejosde lo que hemos dicho aquí. Lo únicoque nos interesa ahora es cuándo senecesitan energías inferiores a laprimera energía de ionizaciónproductoras de electrones libres.Según Liu, Moe y Duncan, estaprimera energía es de 16 eV:SF6 + 16 eV ⇒ SF6 + e. La posibilidadde absorción de la energía cinética deun electrón para los cambios deestado electrónicos del SF6 paraenergías inferiores a 16 eV semanifiesta en la parte de baja energíadel espectro de absorción ultravioletadel SF6 gaseoso descrito hastaahora (figura 9).

(1) Nota: D0 = energía de disociacióndel SF6 en su estado fundamentalSF6 ⇒ SF5 + FD0 = 3,7 e V, según Fehsenfeld.

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 10

Fig. 9: Los picos de 11,3 y 14,4 eV corresponden a los cambios de estado que sedescriben en el texto. La gran subida a partir de 15 eV corresponde a la vez a un cambiode estado molecular y a la primera disociación ionizante: 15,5 eV + SF6 SF5

+ + F�, apartir de estos valores de energía, el SF6 se convierte en muy absorbente.

Fig. 8: Nuevo orbital posible de un estado excitado. El volumen rayado en el que loselectrones de enlace tienen muchas probabilidades de encontrarse, se extiende al exteriordel segmento S-F. La fuerza de atracción de los electrones de unión sobre el S y el F esdirigida al interior del segmento SF pero está muy debilitada. La distancia entre S y Faumenta.

Fig. 11.

3.3 La fijación deelectronesCuando un electrón ha perdido suenergía cinética, sea en un choqueinelástico con el SF6, sea gracias auna serie de choques elásticos, sedesplaza en el seno del campoeléctrico, siendo frenado por dichocampo hasta la casi anulación total desu energía cinética. ¿Qué le pasaentonces?

Entonces el electrón está rodeado demoléculas de SF6 que, aunque son

eléctricamente neutras, no dejan detener influencia eléctrica. Las unionesazufre-flúor no son simétricasrespecto al punto M, punto medio delsegmento que une las posicionesmedianas del azufre y el flúor. (Figura10).

Las uniones y las cortezaselectrónicas de los dos átomos sontales que el flúor aparece cargadonegativamente y el azufrepositivamente. El conjunto esequivalente a un dipolo eléctrico demomento µ0 = 1,8 Debye (1 Debye =1,6 10� 29 culombios.metro).

En la dirección de los seis vérticesdel octaedro que representa lamolécula SF6, se encuentran las seiscargas negativas. En la dirección delcentro, las seis cargas positivas.

Cerca de la molécula, la influencia dela carga (-) de los átomos de flúor sehace sentir en la periferia,principalmente a lo largo de los tresejes sobre los cuales se encuentranlos átomos de flúor. Es sobre lasbisectrices de los cuatro cuadrantes,donde la influencia de los fluorcargados negativamente es más débil.En el centro, el azufre aparece cargado(positivamente) seis veces más quecada carga de flúor. (Figura 11).

A lo lejos, a lo largo de un eje en unpunto A (figura 12), a una distancia ldel centro S, la molécula induce unpotencial eléctrico ligeramentenegativo:

++

++

−−=

22 a

4

a

1

a

1q

q6v

o

oo llll

4aq

5,3v

−≈ll

o

.

Fig. 10.

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 11

Fig. 12: a0 = longitud media de unión S-F.

En un punto B, también a una distacial del dentro S, sobre una bisectriz delcuadrante, se tiene:

≅

+−

−−=

3

a3

3

a36

qvoo

lll

2aq

2

−≅ll

o

.

Así, a larga distancia, la moléculaaparece como envuelta por una zona depotencial negativo más marcada a lolargo de las bisectrices de loscuadrantes que a lo largo de los ejes desimetría de la molécula. (Figura 13).

Fig. 13: Tendencia de la curva depotencial eléctrico medio en la moléculay en su entorno.

A lo largo de una bisectriz decuadrante. Los mínimos negativos estánatenuados y distanciados del centro de lamolécula.

A lo largo de un eje.

(a)

(b)

Nota 2: El ion (SF6�)* es inestable.

Se descompone espontáneamenteen SF6* + e. El tiempo de vida del ion(SF6

�)* queda establecido cuando enel medio considerado quedan n/2,72iones, siendo n el número de iones(SF6

�)* de partida.

A este aspecto se le añade lainfluencia del campo eléctricomacroscópico sobre la molécula.Además, un electrón que se aproximea una molécula de SF6, la polarizarápor efecto de su propio campoeléctrico. Sin embargo, habrá enmedio una ligera barrera de potencialque habrá que franquear para llegar ala zona de potencial elevado delazufre. En esta zona, sin ninguna otraintervención, su energía cinética seríatal que abandonaría la moléculadespués de pasar cerca del azufre(reversibilidad de fenómeno). Porrazones ligadas a las múltiplesposibilidades de aceptación de loselectrones que caracterizan elcompuesto SF6, se produce lareacción:e + SF6 ⇒ (SF6

�)*.

(SF6�)* es un estado excitado del ión

cuya esperanza de vida (ver nota 2)es del orden de 25 µs. El electrónincidente debe tener energías muydébiles, comprendidas entre laenergía térmica a temperaturaambiente (40 meV) y 100 meV paraque haya una buena probabilidad dereacción. Para las presiones del SF6utilizadas en los aparatos industriales,de 1 a 5 bares absolutos, el ión(SF6

�)* tiene todas las posibilidadesde estabilizarse frente a una colisióncon una molécula neutra:(SF6

� )* + SF6 SF6� + SF6.

Parece que son así los procesos quefijan los electrones libres al SF6. Portanto, a pesar de la existencia de uncampo eléctrico, el ion SF6

� noadquirirá apenas una energía cinética

de traslación superior a la debida a laagitación térmica propia de su granmasa.

Sin embargo, para valoressuficientemente elevados de campoeléctrico, los electrones libres puedenalcanzar, después de una serie dechoques elásticos favorables,energías cinéticas del orden de 16 eV.

¿Qué pasa entonces?

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 12

4 Los fenómenos de avalancha electrónicay de descarga eléctrica en el SF

6

4.1 La avalanchaeléctrónicaA 16 eV, un electrón que entra encolisión con una molécula de SF6,puede provocar la ionización:

e (16 eV) + SF6 ⇒ SF6+ + e + e

El electrón incidente ha perdido casi latotalidad de su energía. El electrónproducido es igualmente pocoenergético. Para adquirir los 16 eVbajo la influencia del campo eléctrico,el primer electrón no ha de recorrer enel sentido de la aceleración del campomás que una distancia que se cifra enmicrones.

En nuestros aparatos, puesto que losradios de los electrodos están a unadistancia de algunos centímetroshasta algunos decímetros, el campomacroscópico no varía sensiblementecon distancias del orden de micrones.Los 2 electrones nacidos de lareacción citada se encuentran en lasmismas condiciones que el electróniniciador de la reacción en su punto departida. Tienen una cierta probabilidadde provocar a lo largo del recorridootras reacciones de este tipo. Losotros electrones que pudieran habernacido estarían en las mismascondiciones...

Hay una reacción en cadena dondelos electrones se multiplicanexponencialmente.

Se trata de una avalanchaelectrónica.

Estadísticamente, un electrónrecorriendo la distancia dx produce

otros α ( α : coeficiente de ionizaciónefectiva).

Si n es el número de electrones quese han producido a la distancia x delpunto de partida del electrón iniciador,entonces:

dn = α_n dx

y n = eα_ x,

siendo α_

una función del campoeléctrico macroscópico y de lapresión del SF6. Medidas efectuadaspara presiones de hasta los 400 torr,muestran que α

_ / P será lineal en

función de E/P.

α_

/ P = 0,0277 E/P � 3,26

con:

P en torr,E en V/cm,α_

en cm�1.

La extrapolación de esta relación a lapresión atmosférica en el campouniforme, parece que lleva a unaaproximación admisible.

Si E = 9 kV/mm, α_

= 15,4 cm�1.

Con una profundidad de 1 mm: unelectrón produce otros e1,54 � 1 = 3,6.

Los electrones prácticamente no semultiplican.

Si E = 9,5 kV/mm, α_

= 154 cm�1: unelectrón produce otros 4,8 106 .

Fig. 14.

Si E = 10 kV/mm, α_

= 292 cm�1: unelectrón producirá otros 5 1012.

En la práctica uno no se encuentratales cargas en una avalancha. No sepodrá establecer por tanto un campoeléctrico así en el seno del SF6 apresión atmosférica.

¿Cómo se desarrollan losfenómenos en el espacio?

Imaginémonos que se desencadenauna avalancha en un aparato en unensayo a 50 Hz mientras que lapolaridad de la tensión es negativa.

Las partes activas se cubren decargas (�) de densidad variable a lolargo de la superficie, dependiendo dela geometría del aparato y de latensión de ensayo. De la mismaforma, el recinto metálico de la masase cubre de cargas (+) por oposición alas cargas (�) de las partes activas.Se establece un campo eléctrico en elseno del SF6 contenido en el aparatoa presión atmosférica, por ejemplo.

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 13

Así es macroscópicamente en A, conun campo de unos 9,5 kV/mm, y cercade las partes activas. Los electronesproducidos, acelerados por el campo,avanzan muy rápidamente hacia elelectrodo (+).

Sometidos al efecto de repulsiónentre ellos, se desplazan a lo largode un frente de forma análoga a latela de un paracaídas, lo queaumentará el diámetro conformeavanza hacia el ánodo.

Durante este tiempo, los iones (+),unas 300 000 veces más pesados ysometidos a una fuerza de intensidadcomparable a la que se aplica a loselectrones, no tienen prácticamentenada que hacer. En A, con losprimeros iones (+) formados,constituye un punto positivo. Elconjunto tiene el aspecto de unparacaídas en el que la zona de la telaserá (�) y el lado del paracaidistaserá (+). (Figuras 14 y 15).

4.2 La descarga en formaarborescente en el SF

6

En la práctica, todo pasa como si lamultiplicación de los electrones antesde la formación del canal conductorionizado entre los electrodos fueramás rápido que la simplemultiplicación exponencial.

Hay otros fenómenos además de losdescritos. ¿Cuáles son?

En la avalancha inicial, hay iones (+),iones (�) y muchos electrones. Ciertospares de iones (+) y electrones serecombinan, originando una radiaciónultravioleta que transporta alrededorde 16 eV por fotón.

SF6+ + e ⇒ SF6 + hνr

hνr ≈ 16 eV:h = constante de Plank,νr = frecuencia de radiación a 16 eV.

La avalancha dispersa estos fotonesen todas direcciones. En el gasenvolvente, esta radiación esabsorbida por el SF6 para originarotros pares SF6

+ y electrones en laparte de fuera de la avalancha.

SF6 + hνr ⇒ SF6+ + e.

Si la avalancha se produce cerca delcátodo, esta radiación puede arrancarelectrones por efecto fotoeléctrico.

Fig. 16: Aspecto de las líneas de campo en presencia de una avalancha electrónica.

Fig. 15: Aspecto de una avalancha electrónica.

Se puede ver aquí la traza de descargas parciales sucesivas habiéndose hecho sobre unaislador soporte en un lugar blindado, realzadas por el método de polvos de H. Bertein.Sometido a los mismos efectos conjuntos del campo macroscópico y de la carga delespacio, las cargas eléctricas, que provienen de la disociación del gas, han evolucionadode la misma forma que los electrones en una avalancha. Se han depositado sobre elaislador como la copa axial de una avalancha electrónica que, en el espacio, tiene unasimetría de revolución.

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 14

Fig. 17.

a: Las primeras avalanchas hijas, quealcanzan la parte (+) de otras avalanchassecundarias, están unidas a la avalanchamadre y tienen las mismas posibilidadesde conducir las chispas que vanapareciendo.

Fig. 18: Esta fotografía muestra la trazade dos descargas en el SF6 a lo largo deun soporte aislante cubierto de productospulverulentos. Las ramificaciones sonvisibles en dirección del electrodo demasa externa. Es en la zona del electrodointerno, al pie de las ramificacionesdonde hay que intervenir si se quierenmejorar las características del aparato enestas condiciones.

c: Antes o después aparecen en el gasotras avalanchas hijas, mientras elcanal ionizado conectado al ánodoprogresa.

b:

El bombardeo del cátodo por losiones (+) formados en la avalanchaconduce, sobre el metal, a larecombinación SF6

+ e ⇒ SF6 + hνr,que tiene los mismos efectos que laradiación anterior.

El resultado de todo esto es laaparición en el exterior de laavalancha de electrones que, situadosen condiciones semejantes a los delelectrón provocador del principio,podrán conducir a la creación denuevas avalanchas eléctrónicas.

Entre los dos electrodos, la avalanchainicial se comporta un poco como unelemento conductor cargado porinfluencia del campo eléctrico,absorbiendo de él las líneas de campoo de fuerza. Así el campo quedareforzado en sus extremidades yreducido en sus flancos laterales.(Figura 16).

Es pues sobre todo alrededor del ejede la primera avalancha que loselectrones producidos por efecto de lafoto-ionización podrán dar origen aotras avalanchas que tendrán buenasposibilidades de evolucionar como laprimera. Los electrones aparecidos alos lados de la avalancha inicialtendrán más bien la tendencia aoriginar avalanchas que fracasarán, alser en ese punto el campo más débil.

Se produce así la propagación de lachispa de descarga mediante lacadena de avalanchas.

En el SF6, como en el aire, lapropagación es más fácil en elelectrodo (+) que en el electrodo (�)probablemente a causa del efecto depunta de la avalancha en la zonapositiva.

El desarrollo típico de la secuencia dedescarga puede ser el de la figura 17.

De una manera general, estosfenómenos empiezan a partir de zonasde máximo gradiente de potencial quepueden ser independientemente elcátodo o el ánodo en los aparatosindustriales donde el campo eléctricoes poco variable y donde las distanciasentre los electrodos no son muygrandes. El sentido de propagación dela chispa lo da el de lasarborescencias, desde el tronco comúnhacia las ramas. (Figura 18).

d: El canal ionizado está unido alcátodo. Las ramas que no alcanzan elotro electrodo, pero que están encontacto con el tronco de conexión,pierden cargas en los electrodos através del tronco principal. El tronco ylas ramas que están conectadas sevuelven muy luminosos. Las series deavalanchas no conectadas al tronco sedesvanecen lentamente sin fenómenosluminosos importantes.

De media, un electrón que seencuentra en la avalancha madretiene γ posibilidades de producir unelectrón iniciador de una nuevaavalancha. La condición de descarga,cerca de una línea de campo cuyoorigen esté en el electrodo de rayodébil, siendo d la distancia entreelectrodos, será:

dxd

0

γe > 1

(γ = coeficiente de emisión deelectrones por efectos secundarios).

Para que haya posibilidad de chispahace falta que estas condiciones seanfavorables. Lo que no quiere decir quela descarga se vaya a producirnecesariamente si se cumplen estosrequisitos.

Para el SF6, γ es del orden de 10�8.Hace falta que haya unos 100 millonesde electrones en una avalancha paraque, estadísticamente, se produzca unelectrón por los mecanismossecundarios al exterior de laavalancha.

Cuaderno Técnico nº 78 / p. 15

Conclusión

Para explicar la buena rigidezdieléctrica del SF6 gaseoso, se hanexaminado las características del SF6mediante los procesos físicos de laconducción de la chispa de descarga.

Sus múltiples posibilidades de pararlos electrones energéticos, junto a sufacultad de fijarlos a baja energía enforma de iones pesados retardan laaparición de la cadena de avalanchaselectrónicas que forman la descarga.

Hoy por hoy, parece que son éstas laspropiedades del SF6 que le confierensu gran rigidez dieléctrica.

Maury, Pariselle, Vigreux: Cigre. 23-06-1970.

J.-C. Pebay Peyroula et B. Cagnac:Physique atomique. Dunod, Paris, 71,p. 29.

Banwell Fundamentals of molecularSpectroscopy. Mac Graw Hill.

Liu, Moe, Duncan: The absorptionSpectrum of Sulfur hexafluoride in thevacuum ultra violet region. Journal ofChemical Physics, vol. 19, 1951, p. 71.

Gianturco, Guidotti, Lamanna:Electronic properties of sulfurhexafluoride. Molecular orbitalinterpretation of X ray absorptionspectra. Journal of Chemical Physics,vol. 57-1972, tabla 4, p. 844.

Bibliografía

Fehsenfeld: Electron attachment toSF6. Journal of Chemical Physics, vol.53, sept. 70, p. 2000.

Herzberg: Electronic spectra andelectronic structure of polyatomicmolecules. Vol. III: The Jahn TellerTheorem. p. 40. Van Norstrand, NewYork 1966.

Blechschmidt, Haensel, Koch, Nielson,Sagawa: The optical Spectra ofgazeous and solid SF6 in the extremeultraviolet and soft X. ChemicalPhysics Letters. Vol. 14, 1972, p. 34.

Thakur: Force constant of SF6 fromisotopic substitution. Journal ofMolecular structure. Vol. 7, 1971, p.315.

Stockdaje, Compton, Sweinler:Negative ion formation in selectedhexafluorides molecules. Journal ofChemical Physics 1970, vol. 53, p.1505.

Christophorou, Mc Corkle, Carter:Cross sections for electron attachmentresonance Peaking at subthermalenergies. Journal of Chemical Physics,vol. 54, 1971, p. 253.

Boyd, Crichton: Measurement ofionisation and attachment coefficientsin SF6. Proceeding lEE, vol. 118,1971, p. 1872.

Bortnik, Cooke: Electrical Breakdownand the Similarity law in SF6 at extrahigh voltages. Paper number T-72-116-7. IEEE Winter Meeting 1972.