El gas SF6 como medio aislante y de extinción
El gas hexafluoruro de azufre (SF6) se emplea en instalaciones eléctricas para el aislamiento de partes en tensión y en los interruptores automáticos para la extinción del arco eléctrico. El SF6 es un gas muy electronegativo, siendo su resistencia dieléctrica a presión atmosférica aproximadamente tres veces más elevada que el aire. Es además incombustible, inodoro, químicamente inerte y muestra unas cualidades para la extinción del arco eléctrico de tres a cuatro veces superior que el aire a igual presión.
Las ventajas características de las instalaciones de distribución aisladas con SF6 son las siguientes:
- Escaso espacio,
- Poco peso,
- Ausencia de contaminación del medio ambiente,
- Elevada seguridad de servicio,
- Protección eficaz contra contactos casuales,
- Factor de ruido muy reducido,
- Escasas necesidades de mantenimiento,
- Ejecución de aparatos siguiendo la técnica modular,
- Corto periodo de montaje debido a un amplio ensamblaje previo,
- Comprobación y ensayo de grandes unidades, (ej. celdas completas)
Propiedades físicas
El hexafluoruro de azufre es un compuesto químico de fórmula SF6.
Es gaseoso a temperatura ambiente y presiones normales, y su densidad (a 20ºC y 1 bar) es de 6,14 g/l (unas cinco veces más denso que el aire).
Curva de presión de vapor saturado del SF6
Su temperatura crítica es de 45,6ºC y, por tanto se le puede licuar por compresión a temperatura ambiente; y se transporta normalmente en estado líquido y en botellas.
El gas puro es incoloro, inodoro, no tóxico e ininflamable.
Peligros asociados al gas SF6
Aunque este gas no es tóxico no es posible vivir (respirar) en su ambiente (asfixia). Por ello, no se debe entrar en un lugar o aparato que contenga SF6 sin antes haber efectuado una ventilación adecuada.
Por otra parte, como el gas SF6 es cinco veces más pesado que el aire, puede acumularse en pozas, fosas, canales, subterráneos, etc. El personal debe estar advertido y conocer el peligro de asfixia en estos lugares.
Desviación de las propiedades indicadas. Impurezas
Cualquier modificación de las propiedades indicadas se debe a las impurezas que existen en general en el SF6 comercial, las cuales provienen del método de fabricación o de la contaminación de los depósitos.
Las cantidades de máximas admisibles de estas impurezas en el SF6 nuevo son:
- Humedad (agua): 15 p.p.m. a -40ºC
- Aire (O2 y N2): 0,05 %
- CF4: 0,05 %
- Acidez expresada en FH: 0,3 p.p.m.
- Fluoruros hidrolizables expresados en FH: 1,0 p.p.m.
- Contenido en aceite: 10,0 p.p.m.
Propiedades eléctricas
● Tensión de perforación a 50Hz en un campo homogéneo
- A presión 1 atmósfera: 3 veces superior al aire o N2,
- A presión 2,5 atmósferas: 9 veces superior al aire o N2, y aproximadamente igual al aceite para transformadores e interruptores.
- A presión 4,0 atmósferas: 12 veces superior al aire o N2.
● Tensión soportada a impulsos tipo rayo, onda 1,2/50 μs, en campos ligeramente no homogéneos.
■ Rigidez dieléctrica en función de la distancia entre electrodos y según el fluido dieléctrico
Gráfica comparativa de varios fluidos dieléctricos. Las tensiones son en valor cresta
- Factor de pérdidas dieléctricas: ≤ 2 × 10 -7
- El SF6 es un gas electronegativo, tiende pues a captar electrones libres. Es una propiedad interesante para su utilización como fluido extintor en los interruptores.
Tipos de impurezas
El hexafluoruro de azufre extraído de material eléctrico en servicio, contiene diversos tipos de impurezas, algunas de las cuales estaban ya presentes en el gas nuevo por el proceso de fabricación.
Otras impurezas pueden haberse producido por la acción de las descargas eléctricas durante el funcionamiento del material. Su importancia depende grandemente del tipo de material y de las medidas tomadas por el fabricante para eliminarlas.
Los productos residuales y la difusión pueden incrementar las proporciones de aire y agua por encima de los valores iniciales de estas sustancias en el gas nuevo.
El SF6 se descompone con la temperatura hacia los 2000 ºK aproximadamente. Por tanto cuando en su interior se produce una descarga eléctrica el calor del arco lo descompone en SF6 → S + 6F.
Al cesar el arco eléctrico y enfriarse por debajo de los 2000ºK; el SF6 se recompone en casi su totalidad, pero no por completo. Existen reacciones secundarias entre otras con el material de los contactos (cobre, tungsteno) que originan subproductos primarios y secundarios sólidos y/o gaseoso, tales como:
- Fluoruros metálicos: CuF2, WF6 (a veces con contenido de S)
- Fluoruros de azufre: SF4, S2F2
CuF2 + H2O → CuO + 2HF
SF4 + H2O → SOF2 + 2HF
El fluoruro de Hidrógeno (HF) es muy corrosivo, ataca fuertemente materiales con contenido de silicona, vidrio, porcelana, etc.
Los fluoruros metálicos son en forma de polvo. De las reacciones químicas secundarias antes formuladas se desprende que el agua (H2O) es la causa de la formación del fluoruro de hidrógeno (FH). Es pues primordial evitar la entrada de humedad en los recintos con SF6, de tal manera, que un fallo en la estanqueidad (por ejemplo un poro), no es tan preocupante (dentro de ciertos límites) por la pérdida de SF6 como por la entrada de aire húmedo.
Efectos de las impurezas
Algunos tipos de impurezas, como el nitrógeno, provienen de la dilución del producto, y su efecto se puede, generalmente, despreciar mientras los porcentajes sean pequeños. En algunos casos esta dilución puede ser intencionada.
En cambio, las cantidades de otros tipos de impurezas se deben limitar a niveles tales que, solas o combinadas, no ofrezcan riegos para el funcionamiento del material en cuestión.
Por ejemplo, el agua, las impurezas ácidas y el oxígeno (sobre todo si están combinados) pueden corroer el material, produciendo un funcionamiento mecánico defectuoso; el agua en presencia de impurezas ácidas se pueden condensar a temperaturas de funcionamiento bajas y presiones elevadas, con el consiguiente peligro para la seguridad eléctrica del material. Será necesario, pues mantener baja la tasa de estas impurezas para despreciable la corrosión o la condensación.
No existen reglas fijas referentes a los límites aceptables en el uso de un gas impuro, puesto que estos límites dependen fuertemente del diseño y emplazamiento del material: longitud de la línea de fuga, distancia mínima de contorneo, presencia de arcos en el interior del recipiente, naturaleza de los elementos en contacto con el gas, sistemas de absorción, etc. El fabricante debe indicar claramente, para cada caso, el contenido máximo de impurezas en el gas antes de que sea necesario tratar el gas o sustituirlo.
En general, no debe utilizarse SF6 que contengan impurezas que puedan condensarse (punto de rocío) a una temperatura superior a la temperatura más baja de funcionamiento prevista para el aparato o equipo.
Peligros de las impurezas tóxicas
La experiencia actual demuestra que la presencia de pequeñas cantidades de productos de descomposición se detecta claramente por un olor acre o desagradable o (y) irritación de boca, nariz y ojos.
Estos fenómenos ocurren en unos pocos segundos y, desde luego, antes de que tenga lugar reacción tóxica alguna. Al percibirse olor acre o desagradable, el personal debe salir rápidamente al aire libre.
En condiciones normales, el gas se elimina con un tratamiento por vacío; pero si, después de haber realizado la aspiración, persistiera el olor y fuera necesario trabajar en el interior del aparato, se recomienda utilizar un autorrespirador.
Algunos equipos van provistos de filtros especiales para absorber los productos gaseosos de descomposición. Antes de intentar cambiar cualquier tipo de filtro de gas, el operario debe estar familiarizado con las instrucciones del fabricante y con los métodos de eliminación del producto filtrante usado, limpieza del recipiente y recarga del producto nuevo.
En general la experiencia demuestra que no son necesarias máscaras ni dispositivos de protección mientras no existan polvos ni olores. De todos modos, al efectuar la inspección inicial de las partes internas de los aparatos, el personal deberá tomar precauciones que eviten su exposición a los productos de descomposición y para ello deberá disponer de los dispositivos de protección más convenientes. Por ejemplo, se recomienda proveerse de máscaras (con filtros para polvo y de carbón activado) al detectarse una cantidad apreciables de polvo puede también atacar el vidrio de las gafas). Se puede evitar la irritación de la piel utilizando guantes de caucho.
El fabricante del material y el comprador deben ponerse de acuerdo para establecer una serie de reglas de seguridad.
Presiones de utilización del SF6 en equipos eléctricos
La rigidez dieléctrica y las propiedades refrigerantes del SF6 aumentan con la presión, pero por otra parte también aumenta su temperatura de licuación (temperatura de rocío).
Para los equipos y aparatos de Alta Tensión (AT) se utiliza la presión más elevada posible pero cuya temperatura de condensación sea inferior a la temperatura de funcionamiento más baja prevista para aquel aparato o equipo.
Es frecuente la presión de 6 bar absolutos cuya temperatura de condensación es de -25ºC. (Véase curva de presión de vapor saturado del SF6).
En los equipos de aparamenta MT bajo envolvente metálica (cabinas) en atmósfera de SF6, las presiones del mismo acostumbra a ser del orden de 1,5 a 2 bar absolutos. Este rango de presiones se considera suficiente a efectos de aislamiento y por otra parte permiten obtener estanqueidades elevadas y duraderas (vida media 20 años) a un coste de construcción razonable.
En los interruptores de MT las presiones varían según el fabricante pero siempre teniendo presente lo indicado con respecto a la temperatura de condensación, tiene que ser inferior a la mínima temperatura de funcionamiento prevista para el aparato.
Normativa
Norma UNE 60 376 (concordante con IEC 376): Especificaciones recepción del Hexafluoruro de azufre nuevo.
Norma UNE 60 480 (concordante con IEC 480): Guía para el control del hexafluoruro de azufre extraído de aparamenta eléctrica.
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