• Author / Uploaded
• Eduitar Rodriguez

• Categories
• Electrón
• Electricidad
• Permisividad
• Oxígeno
• Gases

Citation preview

Dieléctricos gaseosos

Eduard Ferney Rodriguez Cortes Daniel Camilo Ruiz Morales

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería-Ingeniería Eléctrica Bogotá, Colombia 2015

Dieléctricos Gaseosos

Eduard Ferney Rodriguez Cortes Daniel Camilo Ruiz Morales

Trabajo de investigación presentado como requisito parcial para la asignatura: Aislamiento Eléctrico.

Docente: Ing. Dagoberto Ortiz

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería-Ingeniería Eléctrica Bogotá, Colombia 2015

Resumen El presente informe conceptualiza los materiales dieléctricos y analiza las principales propiedades físicas, químicas y eléctricas de los diferentes dieléctricos gaseosos que actualmente presentan destacadas aplicaciones en la industria eléctrica, por lo cual a su vez contextualiza la importancia y el avance que ha tenido el estudio de estos dieléctricos por medio de la estandarización de parámetros físicos, económicos y medioambientales que permitan cuantificar las ventajas y desventajas de los mismos.

Palabras clave: dieléctrico, gaseoso, SF6, aire, rigidez, arco, nitrógeno, dióxido de carbono.

Abstract This report conceptualizes dielectric materials and analyzes the main physical, chemical and electrical properties of various gaseous dielectrics currently have important applications in the electrical industry properties, which in turn contextualize the importance and the progress that has been studying these dielectrics through standardization of physical, economic and environmental parameters to quantify the advantages and disadvantages of them. Keywords: dielectric gas, SF6, air, stiffness, arc electric, nitrogen, carbon dioxide.

CONTENIDO 1.

Características generales de un dieléctrico gaseoso ............................................ 2 1.1 Propiedades eléctricas ....................................................................................... 2 1.2 Propiedades físicas y químicas .......................................................................... 3 1.3 Requerimientos a largo plazo ............................................................................. 4 1.4 Condiciones medio ambientales ......................................................................... 4

2.

Breve historia de los dieléctricos gaseosos .......................................................... 5

3.

Diferentes tipos de gases dieléctricos ................................................................... 6 3.1. El Aire ................................................................................................................ 6 3.2. NITROGENO (N2).............................................................................................. 6 3.2.1. Propiedades físicas y químicas del Nitrógeno N2 ............................................ 6 3.2.2. Aplicaciones en la industria eléctrica ............................................................... 7 3.3. OXIDO DE NITROGENO (N20) ....................................................................... 7 3.3.1. Propiedades físicas y químicas N2O ............................................................... 7 3.4. DIOXIDO DE CARBONO (CO2) ...................................................................... 8 3.4.1. Propiedades físicas y químicas CO2 ............................................................... 8 3.4.2. Aplicaciones en la industria eléctrica ............................................................... 8 3.5. HAXAFLORURO DE AZUFRE (SF6) ............................................................... 8 3.5.1. Propiedades físicas y químicas SF6 ................................................................ 8 3.5.2. Aplicaciones en la industria eléctrica ............................................................... 9 3.6. El Vacío ............................................................................................................ 11 3.6.1. Aplicaciones en la industria eléctrica ............................................................. 11

4.

Propiedades físicas de algunas mezclas de SF6 ................................................. 12 4.1. Mezclas de SF6 ............................................................................................... 13

4.

Conclusiones .......................................................................................................... 15

Lista de figuras Pág. Figura 4-1: Características de ruptura a impulso negativo para 50 mm de brecha de varilla plano lleno de mezclas SF6-N2 que contiene un bajo contenido de SF6. Vara dicameter = 1. 58 mm [5]. ……………………………………………………………………………… 13 Figura 4.2: Características de ruptura impulso negativo para mezclas SF6-aire con bajo contenido de SF6 usando 50 mm brecha de varilla avión. Diámetro de la varilla = 1,59 mm[5]………………...........................................................................................................13 Figura 4.3: Características de ruptura impulso negativo para mezclas SF6-CO2 con bajo contenido de SF6 usando 50 mm brecha de varilla avión. Diámetro de la varilla = 1,59 mm[5]……………………………………………………………………………………………...14

Lista de tablas Pág.

Tabla 3-1: Elementos gaseosos que se encuentran en el aire…………………………….6 Tabla 3-2: Recopilación de datos generales para los diferentes dieléctricos gaseosos en comparación con el SF6……………………………………………………………………………………10

Tabla 4-1: Propiedades físicas de Fluorogases en comparación con el SF6……………12

Introducción Los materiales dieléctricos son materiales que se caracterizan en primer medida, porque las fuerzas de acoplamiento entre sus electrones de valencia son tan grandes que evitan su intercambio presentando así una gran resistencia al movimiento de electrones por lo cual la conducción de electricidad es un fenómeno que está prácticamente ausente, si bien es cierto que esta es una característica fundamental de los materiales aislantes, los dieléctricos se diferencian de estos en que además se caracterizan por el arreglo interno de sus cargas mediante la aplicación de campos eléctricos, fenómeno llamado polarización, el cual en otras palabras permite la modificación interna de cargas en presencia de un campo eléctrico de manera que las cargas negativas se desplazan con respecto a las positivas dando lugar a una estructura eléctrica dipolar que modifica el campo eléctrico, provocando la polarización eléctrica dentro del material dentro del material. De aquí se desprende, la permitividad dieléctrica, la cual es la propiedad que permite cuantificar la respuesta del material frente al campo eléctrico aplicado para representar la capacidad de almacenar carga por inserción del medio dieléctrico entre las placas de un condensador, la cual cambia su valor dependiendo el medio, pues para el aire es aproximadamente 1 mientras para la mayoría de los sólidos toma valores entre 5 y 10. A su vez, esta es una de las causas por la que se ha llevado a clasificar los materiales dieléctricos en sólidos, líquidos o gaseosos.

En el presente trabajo se detallara especialmente en los dieléctricos gaseosos, la importancia de sus principales propiedades dieléctricas que los han llevado a que hoy en día su utilidad abarque un amplio campo en las diferentes aplicaciones de la industria eléctrica así como también el estudio de las mismas haya venido incrementando en los últimos tiempos, pues los materiales dieléctricos deben ser capaces de resistir voltajes elevados sin degradarse o volverse conductores, además de minimizar la perdida de energía eléctrica que usualmente se transforma en calor al aplicarle un voltaje alterno.

2

1. Características generales de un dieléctrico gaseoso Básicamente un gas debe cumplir algunos requerimientos para ser un gas dieléctrico que se describen en función de diferentes propiedades, las cuales son físicas, químicas, y eléctricas, además se deben tener presente algunas cuestiones que puedan afectar el medio ambiente a corto y largo plazo, aunque estos dos requerimientos son para la elección de un dieléctrico comercialmente viable y ambientalmente sostenible.

1.1 Propiedades eléctricas Todos los dieléctricos independientemente si son gaseosos, líquidos o sólidos, poseen algunas propiedades comunes como lo son la permitividad relativa, la rigidez dieléctrica y el factor de perdida dieléctrica, por lo cual a continuación se introduce la definición autor Saguay y Torres para tener una mejor idea de las mismas, veamos:



“La constante dieléctrica o permitividad relativa representa la cantidad de energía electroestática que puede ser almacenada por unidad de volumen y por unidad de gradiente de potencial, y es una característica de cada material. Cuanto mayor es la permitividad del material, más fuerte se polariza y son mayores los efectos eléctricos”.



“La rigidez Dieléctrica por su parte es conocida como el máximo gradiente de potencial que puede soportar el dieléctrico, sin que llegue a producirse una corriente disruptiva, antes de que se produzca su destrucción por perforación, sin que llegue a una degradación física de sus propiedades aislantes. Su valor se expresa en (Kv/mm)”.



“Finalmente el factor de perdida dieléctrica (tag 𝛿), es la variable que permite relacionar la resistividad eléctrica del material y la constante dieléctrica, por lo que determina la perdida de potencia de un dieléctrico, la cual generalmente se representa en forma de calor y además está en función de la frecuencia y de la naturaleza del dieléctrico”.

3

Dieléctricos Gaseosos

Estas definiciones permiten dar una idea de las principales propiedades eléctricas asociadas a los dieléctricos en general, mas sin embargo el presente documento pretende enfatizar el estudio de los dieléctricos gaseosos, por lo cual vale la pena resaltar las propiedades más importantes que permiten determinar y caracterizar la selección apropiada de un buen dieléctrico gaseoso, por lo cual a continuación se hace mención de estas: 

Alta rigidez dieléctrica, como ya se mencionó, es básicamente que el material soporte un gran gradiente de potencial eléctrico, o en otras palabras que pueda sostener un valor de intensidad de campo sin que circule una corriente disruptiva sobre él, y se perfore el gas, que se evidenciaría en una evaporación del mismo.



Buena extinción de arco y propiedades de regeneración del gas, esto es, que tenga una formación de iones negativos que básicamente reduzcan la cantidad y la movilidad de los electrones que contribuyen la mayor parte de la corriente que forma el arco.



Baja sensibilidad a la rugosidad de la superficie de los conductores, es decir que el comportamiento del gas no cambie ante variaciones en las superficies así estas sean heterogéneas.



Baja generación de productos de descomposición o residuos, esto se presenta en algunos gases cuando se someten a esfuerzos eléctricos (chispas, arqueos, efecto corona, entre otros) lo que origina subproductos en su mayoría toxicos y/o corrosivos los cuales pueden afectar tanto la salud del operario como del medio ambiente.

1.2 Propiedades físicas y químicas 

Eelectronegatividad o propiedad de moderación de electrones que define la formación de iones negativos estables. En otras palabras, que sirvan para no dejar mover electrones y absorber electrones.



Inercia química, que no reaccione con la mezcla de gases, esto es, atmosferas de uso, productos de descomposición, o materiales de equipos, por lo cual se reduce a que debe tener una estabilidad muy alta.



Alta presión de vapor, lo cual significa que pase más rápido de un estado líquido a uno gaseoso, por lo que no se requieran altas temperaturas para pasar de estado líquido a gaseosos, ya que por lo general estos se van a utilizar a temperatura ambiente y el dieléctrico tiene que ser gaseoso para aumentar su rigidez dieléctrica.

4



Alta conductividad térmica, es decir al haber un descarga el calor aumenta pero al ser el gas un conductor térmico lo puede transmitir a otro medio diferente al de influencia y así disipar el calor producido por la descarga.



No inflamable, básicamente se hace necesario que cumpla esta condición ya que se desea es evitar el daño a equipos de manera eléctrica o térmica ya que al producirse una descarga el flujo de electrones circulante produce una corriente de fuga al aislante y así aplicando la ley joule se genera pérdidas en forma de calor, lo que implica que si es inflamable requiere una magnitud de calor muy baja para formar ignición y producir un daño mayor.

1.3 Requerimientos a largo plazo 

Separación propiedades dieléctricas estables en el tiempo y la temperatura, sin degradación de gas es decir que tenga una alta duración de estabilidad en el tiempo como el SF6 que posee una duración 3200 años en la atmosfera.



No hay gas (mezcla) de licuefacción bajo condiciones de temperatura ambiental, es decir que el gas permanezca en estado gaseoso en temperatura ambiente y no se transforme a estado líquido.



Insensibilidad a las impurezas del gas (es decir, la humedad, otros gases) que no reaccione químicamente ante las partículas que están en el ambiente del dieléctrico y cambien sus propiedades dieléctricas.

1.4 Condiciones medio ambientales 

Básicamente el impacto ambiente y su nivel toxico tienen que ser evaluados antes de producirse ya que se va hacer uso intensivo del dieléctrico, por esta razón se busca un cambio del SF6 el cual es un dieléctrico excelente pero su poder de calentamiento global es muy alto (GWP=23900) lo cual implica que es uno de los peores gases invernaderos, por ejemplo la unidad GWP está en unidad con CO2 esto quiere decir por una tonelada de SF6 equivale a 23900 toneladas de CO2 lo cual es mucho, ya que este gas se ha extendido demasiado en la industria eléctrica.



Debe poder ser económicamente sostenible donde se evalué características de disponibilidad, precio, facilidad y posibilidades de almacenamiento barato hasta un fácil reciclaje de este.

2. Breve historia de los dieléctricos gaseosos Básicamente el dieléctrico que impero y sigue imperando es el aire ya que tiene una gran capacidad dieléctrica, y se sigue utilizando donde no se requiere un nivel de aislamiento tan alto. El problema comenzó cuando se hicieron los tubos de rayos X donde los niveles de tensión aumentaron, donde primero se utilizó el aire como aislador con muy poco resultado al igual que los aisladores líquidos y sólidos. El aire al encontrase con este problema, llevo a buscar una solución para los ingenios en la materia, los cuales lo comprimieron para mejorar su rigidez dieléctrica aunque para su uso se necesita llevar al gas a una gran presión a fin de poder evitar el arco; por este motivo se incentivó a llevar otros gases que se pudieran comprimir más fácil y que tuvieran mejores propiedades dieléctricas. En las obras de Charlton y Cooper en 1937 y Pollock y Cooper en 1939 lograron demostrar que los fluorocarbonos y el hexafloruro de azufre tenían propiedades superiores que la del aire en rigidez dieléctrica. Para el año de 1940 la compañía General Electric ya tenía una patente del hexafloruro de azufre como dieléctrico gaseoso. El investigador ruso Hochberg, dio información del uso del SF6 en los condensadores de alta tensión en 1942. La división de química general de la Allied Chemical Corporation comenzó a hacer SF6 a escala comercial en 1947. Trabajos posteriores por varios equipos de investigadores ha tendido en confirmar que los mejores dieléctricos gaseosos se caracterizan por tener bastante número de moléculas que tienen un alto porcentaje de flúor1. Ahora el SF6 es el aislamiento por excelencia en el medio eléctrico actual utilizado en diferentes medios de aislamiento para dispositivos de distribución de aislamiento de gas (GIS), y líneas de transmisión con aislamiento de gas (GITL) esto debido a sus excelentes propiedades de aislamiento como es su alta rigidez dieléctrica y excelente capacidad de extinción de arco. Pero su uso excesivo ha producido altas concentraciones en la atmosfera, de tal modo que se está convirtiendo en un problema global por ser un gas invernadero de alto GWP. Debido a esto en la actualidad se están estudiando nuevos tipos de mezclas para encontrar el remplazo del SF6, más que todo en utilizando dopajes de esta molécula en N2 con proporciones de 10/90%. En lo últimos años se ha buscado un medio alternativo de aislamiento, especialmente para los equipos de gran escala como los buses de conductores aislados (GIB) o líneas de transmisión (GITL), estas investigaciones tratan de utilizar otras mezclas con bajo contenido del SF6 o de carácter nulo. Se están haciendo mezclas como las siguientes SF6/N2, SF6/CO2, SF6 AIRE, entre otras. También mezclas sin contenido del SF6 se han plantead en la comunidad científica del tema como son. O2/N2, C02 / N2 y N20 / N2.

1

Holloway, F. L.; Mears, W. H., "A review of gaseous dielectric development," in Electrical Engineering , vol.78, no.2, pp.137-140, Feb. 19591

Dieléctricos Gaseosos

3. Diferentes tipos de gases dieléctricos A ciencia cierta no se tiene una clasificación de los dieléctricos gaseosos, más sin embargo a continuación se nombraran los principales tipos de gases dieléctricos que en la actualidad son utilizados en aplicaciones de la industria eléctrica a fin de conocer un poco más a fondo sus diferentes propiedades, veamos:

3.1. El Aire El aire ha sido el primer dieléctrico gaseoso utilizado por el hombre y por la naturaleza en sí. Del aire se comenzó hacer estudio sobre que otros tipos de gases podían actuar como dieléctricos y tuviera mejores propiedades, como se dijo en el capítulo 2, el aire aumenta su rigidez dieléctrica a presiones altas, debido a esto se hace necesario más energía para elevar esta propiedad, de ahí se debe el cambio y como se sabe los demás dieléctricos la mayoría supera su rigidez dieléctrica en valores de 2.5 veces como el SF6. Se puede decir que todos los componentes del aire son aislantes. En la tabla 3.1 se muestran los diferentes componentes del aire: Tabla 3-1: elementos gaseosos que se encuentran en el aire. Elemento Nitrógeno Oxigeno Argón Gas carbónico Hidrogeno Neón, helio, criptón, Xenón

Porcentaje 78% 20.99% 0.9325% 0.03% 0.01%