¿Cómo apaga el SF6 un arco?

Cómo funciona la extinción de arcos con SF6 (hexafluoruro de azufre)

1. Propiedades físicas y químicas del SF6

• Alta resistencia aislante: Las moléculas de SF6 tienen una fuerte electronegatividad negativa, lo que les permite capturar rápidamente electrones libres, formando iones negativos. Estos iones negativos se mueven más lentamente y son menos propensos a causar ionización, lo que resulta en la alta resistencia aislante del gas SF6. Esto hace que el SF6 sea muy superior al aire o al vacío en términos de aislamiento.

• Alta capacidad calorífica: El SF6 tiene un peso molecular grande (aproximadamente 146) y exhibe una alta capacidad calorífica y conductividad térmica. Cuando se genera un arco, el gas SF6 puede absorber una cantidad significativa de calor, enfriando rápidamente el arco y reduciendo su temperatura.

• Estabilidad química: El SF6 es altamente estable a temperatura ambiente, pero se descompone en compuestos de flúor inferiores (como SF4, S2F10, etc.) a altas temperaturas (por ejemplo, durante la formación de arcos). Estos productos de descomposición se recombinan nuevamente en SF6 una vez que el arco se extingue, restaurando las propiedades aislantes del gas.

2. Principios básicos de la extinción de arcos con SF6

Generación y extinción de arcos: Cuando un interruptor de circuito se abre, los contactos se separan y la corriente fluye a través del pequeño espacio entre los contactos, formando un arco. La presencia del arco genera temperaturas locales muy altas, lo que provoca que el material de los contactos se vaporice y produzca un gran número de electrones libres, que sostienen el arco.

Papel del gas SF6:

• Enfriamiento rápido del arco: El gas SF6 tiene una alta capacidad calorífica y puede absorber rápidamente el calor generado por el arco, causando que la temperatura del arco disminuya rápidamente. A medida que la temperatura disminuye, la energía cinética de las partículas cargadas (electrones e iones) en el arco disminuye, agotando la energía del arco.

• Supresión de la ionización: Las moléculas de SF6 pueden capturar rápidamente electrones libres del arco, formando iones negativos. Estos iones negativos se mueven más lentamente y son menos propensos a mantener el proceso de ionización, inhibiendo así el desarrollo continuo del arco.

• Restauración de la resistencia aislante: Después de que el arco se extingue, el gas SF6 restaura rápidamente sus propiedades aislantes. Debido a su superior resistencia aislante en comparación con el aire, el aislamiento entre los contactos se restaura rápidamente, evitando que el arco se reencienda.

3. Proceso detallado de la extinción de arcos con SF6

• Etapa inicial de formación del arco: A medida que los contactos del interruptor de circuito comienzan a separarse, la corriente fluye a través del pequeño espacio entre ellos, formando un arco. La temperatura del arco aumenta rápidamente a varios miles de grados Celsius, causando que el material de los contactos se evapore y produzca un gran número de electrones libres.

• Efecto de enfriamiento del gas SF6: A medida que se forma el arco, el gas SF6 absorbe rápidamente el calor generado por el arco, causando que la temperatura del arco disminuya. Simultáneamente, las moléculas de SF6 capturan electrones libres del arco, formando iones negativos, que suprimen el proceso de ionización.

• Extinción del arco: A medida que la temperatura del arco disminuye, la energía de las partículas cargadas en el arco disminuye gradualmente, llevando a la extinción completa del arco. En este punto, el gas SF6 restaura rápidamente sus propiedades aislantes, aumentando la resistencia aislante entre los contactos y evitando que el arco se reencienda.

• Recuperación post-arco: Después de que el arco se extingue, los productos de descomposición del SF6 (como SF4, S2F10, etc.) se recombinan rápidamente para formar SF6, restaurando la estructura química original y las propiedades aislantes del gas. Este proceso ocurre muy rápidamente, generalmente en unos pocos milisegundos.

4. Ventajas de la extinción de arcos con SF6

• Extinción rápida del arco: El gas SF6 puede extinguir el arco casi instantáneamente, generalmente cerca del cruce cero de la corriente. Esto reduce la duración del arco, minimizando el daño a los contactos.

• Rápida restauración del aislamiento: Después de que el arco se extingue, el gas SF6 restaura rápidamente su resistencia aislante, evitando que el arco se reencienda y asegurando una interrupción confiable de la corriente.

• Adecuado para voltajes y corrientes altas: La alta resistencia aislante y el excelente rendimiento de extinción de arcos del SF6 lo hacen particularmente adecuado para aplicaciones de alto voltaje y alta corriente, como en sistemas de transmisión de ultra-alto voltaje (UHV).

• Sin riesgo de incendio: El gas SF6 no es inflamable, eliminando el riesgo de incendio que puede ocurrir con interruptores de circuito llenos de aceite, lo que lo hace más seguro para su uso en sistemas eléctricos.

5. Aplicaciones de la extinción de arcos con SF6

• Interruptores de circuito de alto voltaje: El gas SF6 se utiliza ampliamente en interruptores de circuito de alto voltaje, especialmente en sistemas que operan a 110kV y superiores, incluyendo sistemas de transmisión de UHV y extra-alto voltaje (EHV). Los interruptores de circuito con SF6 ofrecen un excelente rendimiento de interrupción, diseño compacto y larga vida útil, lo que los hace ideales para operaciones frecuentes e interrupciones de alta corriente.

• Interruptores de carga e interruptores de seccionamiento: Además de los interruptores de circuito, el gas SF6 también se utiliza en interruptores de carga e interruptores de seccionamiento, proporcionando aislamiento confiable y capacidades de extinción de arcos.

• GIS (Equipos de conmutación aislados por gas): En los sistemas GIS, el gas SF6 sirve como medio aislante en equipos de conmutación cerrados, ofreciendo conexiones eléctricas de alta densidad y aislamiento confiable.

Resumen

El gas SF6 extingue eficazmente los arcos aprovechando sus superiores propiedades aislantes, alta capacidad calorífica y rápida restauración de la resistencia aislante. Este mecanismo eficiente de extinción de arcos hace que los interruptores de circuito con SF6 sean componentes esenciales en los sistemas de potencia de alto voltaje, garantizando una operación segura y confiable. El SF6 se utiliza ampliamente en sistemas de transmisión y distribución de energía, donde su capacidad para extinguir rápidamente los arcos y prevenir la reiniciación es crítica para mantener la estabilidad y seguridad del sistema.