Come fa l'SF6 a spegnere un arco?

Come funziona l'Estinzione dell'Arco con SF6 (Esafloreto di Zolfo)

1. Proprietà Fisiche e Chimiche dello SF6

• Alta Capacità Isolante: Le molecole di SF6 hanno una forte elettronegatività negativa, che permette loro di catturare rapidamente elettroni liberi, formando ioni negativi. Questi ioni negativi si muovono più lentamente e sono meno probabili a causare ionizzazione, risultando in un'alta capacità isolante del gas SF6. Ciò rende lo SF6 molto superiore all'aria o al vuoto in termini di isolamento.

• Alta Capacità Termica: Lo SF6 ha un peso molecolare elevato (circa 146) e presenta alta capacità termica e conducibilità termica. Quando viene generato un arco, il gas SF6 può assorbire una quantità significativa di calore, raffreddando rapidamente l'arco e riducendone la temperatura.

• Stabilità Chimica: Lo SF6 è altamente stabile a temperatura ambiente ma si decompone in composti fluorurati inferiori (come SF4, S2F10, ecc.) a temperature elevate (ad esempio, durante l'arco). Questi prodotti di decomposizione si ricombinano nuovamente in SF6 una volta spento l'arco, ripristinando le proprietà isolanti del gas.

2. Principi Fondamentali dell'Estinzione dell'Arco con SF6

Generazione e Estinzione dell'Arco: Quando un interruttore si apre, i contatti si separano e la corrente fluisce attraverso la piccola fessura tra i contatti, formando un arco. La presenza dell'arco genera temperature localizzate elevate, causando la vaporizzazione del materiale dei contatti e la produzione di un gran numero di elettroni liberi, che sostengono l'arco.

Ruolo del Gas SF6:

• Raffreddamento Rapido dell'Arco: Il gas SF6 ha una alta capacità termica e può assorbire rapidamente il calore generato dall'arco, causando una rapida diminuzione della temperatura dell'arco. Man mano che la temperatura diminuisce, l'energia cinetica delle particelle cariche (elettroni e ioni) nell'arco diminuisce, esaurendo l'energia dell'arco.

• Inibizione dell'Ionizzazione: Le molecole di SF6 possono catturare rapidamente elettroni liberi dall'arco, formando ioni negativi. Questi ioni negativi si muovono più lentamente e sono meno probabili a sostenere il processo di ionizzazione, quindi inibiscono lo sviluppo continuo dell'arco.

• Ripristino della Capacità Isolante: Dopo che l'arco è spento, il gas SF6 ripristina rapidamente le sue proprietà isolanti. Grazie alla sua superiorità in termini di isolamento rispetto all'aria, l'isolamento tra i contatti viene rapidamente ripristinato, impedendo la riaccesione dell'arco.

3. Processo Dettagliato dell'Estinzione dell'Arco con SF6

• Fase Iniziale della Formazione dell'Arco: Mentre i contatti dell'interruttore iniziano a separarsi, la corrente fluisce attraverso la piccola fessura tra di essi, formando un arco. La temperatura dell'arco aumenta rapidamente a diverse migliaia di gradi Celsius, causando la vaporizzazione del materiale dei contatti e la produzione di un gran numero di elettroni liberi.

• Effetto Raffreddante del Gas SF6: Mentre si forma l'arco, il gas SF6 assorbe rapidamente il calore generato dall'arco, causando una diminuzione della temperatura dell'arco. Simultaneamente, le molecole di SF6 catturano elettroni liberi dall'arco, formando ioni negativi, che inibiscono il processo di ionizzazione.

• Estinzione dell'Arco: Man mano che la temperatura dell'arco diminuisce, l'energia delle particelle cariche nell'arco diminuisce gradualmente, portando all'estinzione completa dell'arco. A questo punto, il gas SF6 ripristina rapidamente le sue proprietà isolanti, aumentando la capacità isolante tra i contatti e impedendo la riaccesione dell'arco.

• Recupero Post-Arco: Dopo che l'arco è spento, i prodotti di decomposizione dello SF6 (come SF4, S2F10, ecc.) si ricombinano rapidamente per formare SF6, ripristinando la struttura chimica originale e le proprietà isolanti del gas. Questo processo avviene molto rapidamente, tipicamente entro pochi millisecondi.

4. Vantaggi dell'Estinzione dell'Arco con SF6

• Estinzione Rapida dell'Arco: Il gas SF6 può estinguere l'arco quasi istantaneamente, tipicamente vicino al passaggio per zero della corrente. Ciò riduce la durata dell'arco, minimizzando i danni ai contatti.

• Rapido Ripristino dell'Isolamento: Dopo che l'arco è spento, il gas SF6 ripristina rapidamente la sua capacità isolante, impedendo la riaccesione dell'arco e garantendo un'interruzione affidabile della corrente.

• Adatto a Tensioni e Correnti Elevate: L'alta capacità isolante e l'eccellente prestazione nell'estinzione dell'arco rendono lo SF6 particolarmente adatto per applicazioni a tensioni e correnti elevate, come nei sistemi di trasmissione a ultra-alta tensione (UHV).

• Nessun Rischio di Incendio: Il gas SF6 non è infiammabile, eliminando il rischio di incendio che può verificarsi con gli interruttori a olio, rendendolo più sicuro per l'uso in sistemi elettrici.

5. Applicazioni dell'Estinzione dell'Arco con SF6

• Interruttori a Tensione Elevata: Il gas SF6 è ampiamente utilizzato negli interruttori a tensione elevata, specialmente nei sistemi operativi a 110kV e superiori, inclusi i sistemi di trasmissione a ultra-alta tensione (UHV) e extra-alta tensione (EHV). Gli interruttori a SF6 offrono ottime prestazioni di interruzione, design compatto e lunga durata, rendendoli ideali per operazioni frequenti e interruzioni di corrente elevata.

• Commutatori di Carico e Interruttori Isolanti: Oltre agli interruttori, il gas SF6 è utilizzato anche nei commutatori di carico e negli interruttori isolanti, fornendo isolamento affidabile e capacità di estinzione dell'arco.

• GIS (Apparecchiature Commutate a Gas): Nei sistemi GIS, il gas SF6 serve come mezzo isolante nelle apparecchiature commutate chiuse, offrendo connessioni elettriche ad alta densità e isolamento affidabile.

Riepilogo

Il gas SF6 estingue efficacemente gli archi sfruttando le sue superiori proprietà isolanti, la alta capacità termica e il rapido ripristino della capacità isolante. Questo efficiente meccanismo di estinzione dell'arco rende gli interruttori a SF6 componenti essenziali nei sistemi di potenza a tensione elevata, garantendo un'operazione sicura e affidabile. Lo SF6 è ampiamente utilizzato nei sistemi di trasmissione e distribuzione di energia, dove la sua capacità di estinguere rapidamente gli archi e prevenire la riaccesione è critica per mantenere la stabilità e la sicurezza del sistema.