Como o SF6 extingue um arco?

Como Funciona o Extintor de Arco com SF6 (Hexafluoreto de Enxofre)

1. Propriedades Físicas e Químicas do SF6

• Alta Resistência à Isolação: As moléculas de SF6 têm uma forte eletronegatividade negativa, o que as permite capturar rapidamente elétrons livres, formando íons negativos. Esses íons negativos se movem mais lentamente e são menos propensos a causar ionização, resultando na alta resistência à isolação do gás SF6. Isso torna o SF6 muito superior ao ar ou ao vácuo em termos de isolamento.

• Alta Capacidade Térmica: O SF6 tem um peso molecular elevado (aproximadamente 146) e exibe alta capacidade térmica e condutividade térmica. Quando um arco é gerado, o gás SF6 pode absorver uma quantidade significativa de calor, resfriando rapidamente o arco e reduzindo sua temperatura.

• Estabilidade Química: O SF6 é altamente estável à temperatura ambiente, mas se decompe em compostos de flúor de menor ordem (como SF4, S2F10, etc.) em temperaturas elevadas (por exemplo, durante a arqueação). Esses produtos de decomposição recompõem-se em SF6 uma vez que o arco é extinto, restaurando as propriedades isolantes do gás.

2. Princípios Básicos da Extinção de Arco com SF6

Geração e Extinção do Arco: Quando um disjuntor abre, os contatos separam-se e a corrente flui através da pequena lacuna entre os contatos, formando um arco. A presença do arco gera temperaturas locais elevadas, causando a vaporização do material dos contatos e produzindo um grande número de elétrons livres, que sustentam o arco.

Papel do Gás SF6:

• Resfriamento Rápido do Arco: O gás SF6 tem alta capacidade térmica e pode absorver rapidamente o calor gerado pelo arco, fazendo com que a temperatura do arco caia rapidamente. À medida que a temperatura diminui, a energia cinética das partículas carregadas (elétrons e íons) no arco diminui, esgotando a energia do arco.

• Inibição da Ionização: As moléculas de SF6 podem capturar rapidamente elétrons livres do arco, formando íons negativos. Esses íons negativos se movem mais lentamente e são menos propensos a sustentar o processo de ionização, inibindo assim o desenvolvimento contínuo do arco.

• Restauração da Resistência à Isolação: Após a extinção do arco, o gás SF6 restaura rapidamente suas propriedades isolantes. Devido à sua superior resistência à isolação em comparação com o ar, a isolação entre os contatos é rapidamente restaurada, impedindo que o arco se reinicie.

3. Processo Detalhado de Extinção de Arco com SF6

• Estágio Inicial de Formação do Arco: Conforme os contatos do disjuntor começam a se separar, a corrente flui através da pequena lacuna entre eles, formando um arco. A temperatura do arco sobe rapidamente para vários milhares de graus Celsius, causando a evaporação do material dos contatos e produzindo um grande número de elétrons livres.

• Efeito Resfriante do Gás SF6: À medida que o arco se forma, o gás SF6 absorve rapidamente o calor gerado pelo arco, fazendo com que a temperatura do arco caia. Simultaneamente, as moléculas de SF6 capturam elétrons livres do arco, formando íons negativos, que inibem o processo de ionização.

• Extinção do Arco: À medida que a temperatura do arco diminui, a energia das partículas carregadas no arco diminui gradualmente, levando à extinção completa do arco. Nesse ponto, o gás SF6 restaura rapidamente suas propriedades isolantes, aumentando a resistência à isolação entre os contatos e impedindo que o arco se reinicie.

• Recuperação Pós-Arco: Após a extinção do arco, os produtos de decomposição do SF6 (como SF4, S2F10, etc.) recompõem-se rapidamente para formar SF6, restaurando a estrutura química original e as propriedades isolantes do gás. Este processo ocorre muito rapidamente, geralmente em poucos milissegundos.

4. Vantagens da Extinção de Arco com SF6

• Extinção Rápida do Arco: O gás SF6 pode extinguir o arco quase instantaneamente, tipicamente próximo à travessia zero da corrente. Isso reduz a duração do arco, minimizando danos aos contatos.

• Rápida Restauração da Isolação: Após a extinção do arco, o gás SF6 restaura rapidamente sua resistência à isolação, impedindo que o arco se reinicie e garantindo a interrupção confiável da corrente.

• Adequação para Alta Tensão e Alta Corrente: A alta resistência à isolação e o excelente desempenho de extinção de arco do SF6 o tornam particularmente adequado para aplicações de alta tensão e alta corrente, como em sistemas de transmissão de ultra-alta tensão (UHT).

• Sem Risco de Incêndio: O gás SF6 é não inflamável, eliminando o risco de incêndio que pode ocorrer com disjuntores a óleo, tornando-o mais seguro para uso em sistemas elétricos.

5. Aplicações da Extinção de Arco com SF6

• Disjuntores de Alta Tensão: O gás SF6 é amplamente utilizado em disjuntores de alta tensão, especialmente em sistemas operando a 110kV ou mais, incluindo sistemas de transmissão de UHT e extra-alta tensão (EHT). Os disjuntores de SF6 oferecem excelente desempenho de interrupção, design compacto e longa vida útil, tornando-os ideais para operações frequentes e interrupções de alta corrente.

• Chaves de Carga e Isoladores: Além de disjuntores, o gás SF6 também é usado em chaves de carga e isoladores, fornecendo isolamento confiável e capacidades de extinção de arco.

• GIS (Equipamentos de Comutação Isolados a Gás): Nos sistemas GIS, o gás SF6 serve como meio isolante em equipamentos de comutação fechados, oferecendo conexões elétricas de alta densidade e isolamento confiável.

Resumo

O gás SF6 extingue efetivamente arcos aproveitando suas superiores propriedades de isolamento, alta capacidade térmica e rápida restauração da resistência à isolação. Este mecanismo eficiente de extinção de arco torna os disjuntores de SF6 componentes essenciais em sistemas de energia de alta tensão, garantindo operação segura e confiável. O SF6 é amplamente utilizado em sistemas de transmissão e distribuição de energia, onde sua capacidade de extinguir rapidamente arcos e prevenir a recombustão é crítica para manter a estabilidade e segurança do sistema.