1

6.3. Intreruptoare cu hexafluorură de sulf – SF6

Preparat pentru prima oară în anul 1980 de către chimiştii francezi H. Moissan şi P. Lebeau dintr-o reacţie a fluorului cu sulful, gazul SF6 este un gaz puternic electronegativ, cu o masă moleculară ridicată şi cu caracterstici termice şi electrice care îl fac deosebit de interesant pentru aplicaţii din domeniul echipamentelor electrice. Prima aplicare industrială datează din anul 1937 când, în Statele Unite gazul SF6 a fost folosit ca agent izolant în construcţia cablurilor electrice şi, ulterior pentru instalaţiile de înaltă tensiune din domeniul fizicii nucleare. Utilizat şi ca mediu de stingere pentru arcul electric încă de la sfârşitul anilor '50, SF6 a devenit astăzi mediul de stingere şi electroizolant predominant la întreruptoarele de înaltă tensiune, înlocuind treptat întreruptoarele cu ulei puţin şi pe cele cu aer comprimat. În figura 6.25 se poate urmări evoluţia curentului de rupere şi tensiunii pe camera de stingere pentru întreruptoarele cu SF6.

16

20

80

63

50

40

31,5

25

1965 1970 1975 1980 19901985

Curent de rupere

420

300

240

160

80

40

Tensiune pe camerã

Tens

iune

pe

cam

erã

Cur

ent d

e ru

pere

, kA

Figura 6.25

Evoluţia performanţelor întreruptoarelor cu SF6 Din producţia mondială de SF6 estimată la nivelul anului 1995 la cca. 10000 tone – jumătate a fost folosită pentru echipamentul de înaltă tensiune. Restul a fost utilizat în alte tipuri de aplicaţii de înaltă tensiune cum ar fi linii de comunicaţii tubulare, transformatoare şi generatoare electrostatice precum şi în aplicaţii care nu sunt de natură electrică (ca gaz de marcare pentru detectarea neetanşeităţilor, în industria metalurgică, ca izolator fonic la ferestrele duble, etc. Producerea SF6 Singurul proces industrial de sinteză a SF6 utilizează reacţia fluorului (obţinut prin electroliza HF – acid fluoric) cu sulful; reacţia este exotermă (cu eliberare de căldură) şi se desfăşoară după ecuaţia:

kcal262SFF3S 62 +→+

În timpul acestei reacţii apar şi alţi compuşi ai fluorului (fluoruri) respectiv sulfului (sulfuri) cum ar fi:

102222 FSFSFS

precum şi alte impurităţi datorită prezenţei umidităţii, oxigenului sau carbonului din care sunt construiţi electrozii pentru electroliza fluorinei. Aceste reziduuri ale procesului de fabricaţie sunt eliminate prin diferite metode de purilficare, pentru obţinerea unui gaz cu puritatea necesară aplicaţiilor în domeniul înaltei tensiuni. În tabelul care urmează sunt sintetizate cerinţele impuse de standardul (IEC 60376) cu privire la compoziţia SF6

2

Componente Unitate de măsură Valoare conform

IEC 60376 SF6 % din greutate ≥ 99.90 Aer ppm din greutate ≤ 500 CF4 ppm din greutate ≤ 500 H2O ppm din greutate ≤ 15 Ulei mineral ppm din greutate ≤ 10 Aciditate (conţinut de HF) ppm din greutate ≤ 0.3 Fluoruri hidrolizabile ppm din greutate ≤ 1

ppm – părţi (de masă) din elementul urmărit, la un milion de părţi (de masă) ale amestecului HF – acid fluoric (principala sursă industrială de fluor)

6.3.1. SF6 - proprietăţi fizico-chimice şi electrice

6.3.1.1 Proprietăţi fizice

Structura moleculei de SF6 Reprezentare în spaţiu a moleculei de SF6 (2 variante)

Masa moleculară 146,07 kg/kmol Punctul de fierbere la 1,013 bar -63,8 °C Densitatea la 1,013 bari şi 20°C 6,14 kg/m3 Presiunea de vapori la 0°C 1,26 MPa Presiunea de vapori la 20°C 2,3 MPa Condiţii de ardere în aer Necombustibil Conductivitatea termică 0,0136 W/(m-K) Căldura specifică la presiune constantă 96,60 J/(mol-K) Volumul specific la 1,013 bar şi 15 °C 0,160 m3/kg Viteza sunetului la 1,013 bar şi 25 °C 136 m/s Punctul critic Temperatura critică Densitate critică Presiunea critică

46 °C 730 kg/m3

3,78 MPa SF6 este unul dintre cele mai grele gaze cunoscute (vezi tabel). Densitatea sa la 20°C şi la 1,013 bari (0,1 MPa) este aproape de cinci ori mai mare decât cea a aerului. Este un gaz inodor şi incolor. Nu există în stare lichidă decât la presiuni mai mari decât cea atmosferică.

6.3.1.2 Ecuaţia de stare

Până la temperaturi de ordinul 1200 K SF6 respectă ecuaţia de stare de tip Beattie-Bridgeman, comportându-se ca un gaz perfect.

( ) abvTRpv2 −+=

în care:

3

a, b – constante calculate cu relaţiile

⋅−⋅=

⋅−⋅=

−−

−−

v

110123601103660b

v

110106201107815a

33

36

,,

,,

p – presiunea (Pa) v – volumul (m3 mol-1) R – constanta gazelor ideale (8,3143 J mol-1 K-1) T – temperatura absolută

6.3.1.3 Relaţia presiune / temperatură

În domeniul temperaturilor de utilizare (- 25 ...+50° presiunea creşte proporţional cu creşterea temperaturii după cum se observă din diagrama de stare reprezentată în figura 6.26

Figura 6.25 – Diagrama de stare a SF6 şi dreptele

de echi-densitate. Deasupra curbei de saturaţie SF6 este în stare lichidă

Figura 6.27 – Variaţia conductivităţii termice cu temperatura pentru SF6 şi N2

6.3.1.4 Căldura specifică

Căldura specifică este de 3,7 ori mai mare decât cea a aerului. În consecinţă, pentru a încălzi cu un grad o unitate de volum de SF6 este nevoie de o cantitate de căldură de 3,7 ori mai mare decât pentru aer. La aceeaşi cantitate de căldură înmagazinată, temperatura SF6 va fi mai mică decât cea a aerului; scad solicitările termice ale echipamentului realizat cu SF6.

6.3.1.5 Conductivitatea termică

Conductivitatea termică a SF6 este mai mică decât cea a aerului, însă capacitatea globală de transfer de căldură, în special pentru transfer prin convecţie, este excelentă fiind mai mare decât cea a aerului şi comparabilă cu cea a altor gaze folosite pentru răcire cum ar fi hidrogenul sau heliul. Variaţia conductivităţii termice cu temperatura reprezentatată în figura 6.27 pune în evidenţă un maxim al conductivităţii localizat în jurul temperaturii de 2000 K, ceea ce justifică utilizarea SF6 ca mediu de stingere a arcului electric precum şi utilizarea convecţiei ca principal mijloc de stingere a arcului. Această comportare reprezintă una dintre calităţile de excepţie ale SF6. Maximul conductivităţii termice

4

corespunde temperaturii de disociere a molecului de SF6 (2100 la 2500 K funcţie de presiune).

6.3.1.6 Proprietăţi electrice

a. Afinitate pentru electron

Proprietăţile electroizolante de excepţie ale SF6 sunt atribuite afinităţii sale pentru electron (electronegativitate). Aceasta se bazează în principal pe două mecanisme: • captura rezonantă −− →+ 66 SFeSF

• ataşare disociativă FSFeSF 56 +→+ −− Ambele mecanisme sunt active pentru o valoare medie a energiei cinetice a electronilor de ordinul 0,1 eV şi o abatere standard de 0.5 eV (distribuţia energiilor cinetice a electronilor fiind de tip Boltzmann).

b. Permitivitatea dielectrică relativă

La 20°C presiune de 1 bar permitivitatea dielectrică relativă este egală cu 1,00133; o creştere a presiunii până la 20 bar determină o cresştere cu cca.6% a permitivităţii dielectrice relative. Permitivitatea dielectrică relativă pentr SF6 în stare lichidă este egală cu 1,81±0.02 şi este practic constantă într-o bandă de frecvenţă de la 10 la 500 kHz.

c. Rigiditatea dielectrică

Prin rigiditate dielectrică se înţelege intensitatea câmpului electric uniform pentru care, în dielectricul analizat, apare o descărcare disruptivă. După cum rezultă din figura 6.27, la aceeaşi presiune (1,0 bar) SF6 are o rigiditate dielectrică de 2,5...3,0 ori mai mare decât aerul. Creşterea presiunii determină creşterea rigidităţii dielectrice astfel încât, pentru a asigura aceeaşi tensiune disruptivă (de exemplu 150 kV) este nevoie de o distanţă de separaţie între electrozi de cca.24 cm la 1,0 bar şi 8 cm la 5,0 bar. Calităţile electroizolante ale SF6 se explică pe seama afinităţii pentru electron manifestate de moleculele de gaz. Datorită afinităţii pentru electron electronii liberi sunt ataşaţi moleculelor de gaz formând ioni negativi mult mai grei şi deci mai dificil de accelerat în câmp electric. Această comportare inhibă dezvoltarea fenomenelor disruptive a căror evoluţie se bazează pe existenţa unei concentraţii importante de electroni liberi. Pentru presiuni mai mari de 1 bar în câmp electric uniform tensiunea disruptivă respectă legea lui Pashen (figura 6.28)

5

Figura 6.27 – Variaţia tensiunii disruptive cu distanţa pentru SF6 la diferite presiuni. Câmp electric

uniform. Tensiune de frecvenţă 50 Hz. Panta fiecărei curbe este egală cu rigiditatea dielectrică

Figura 6.28 – Variaţia tensiunii disruptive cu produsul între presiune şi distanţă

Conform |legii lui Paschen tensiunea disruptivă este o funcţie de produsul dintre presiune şi distanţă; creşterea tensiunii disruptive se poate obţie pe două căi: • la distanţă constantă creşterea se obţine prin creşterea presiunii

6

• la presiune constantă creşterea se obţine prin mărirea distanţei. În figurile 6.29 şi 6.30 este ilustrată variaţia cu presiunea a tensiunii disruptive în câmp electric neuniform pentru distanţe mici de ordinul centimetrilor (6.29) respectiv în câmp electric puternic neuniform pentru distanţa de 10 cm (6.30). Se observă influenţa determinantă a structurii câmpului electric asupra rigidităţii electrice; în câmp puternic neuniform variaţia tensiunii disruptive cu presiunea nu este monotonă – pentru presiunie de ordinul 2 bar tensiunea disruptivă atinge un maxim după care, pentru presiuni mai mari de 5 bari creştere devine monotonă.

Figura 6.29 – Variaţia cu presiunea a tensiunii disruptive în câmp câmp electric neuniform distanţe

disruptive de ordinul cm. Comparaţie între SF6 şi amestecul N2 / CO2

Figura 6.30 - Variaţia cu presiunea a tensiunii disruptive în câmp câmp electric puternic neuniform

distanţa disruptivă egală cu 1 cm Tensiunea disruptivă în SF6 devine egală cu cea din ulei pentru presiuni mai mari de 3 bar (figura 6.31)

7

Figura 6.31 Tensiune disruptivă în aer, ulei şi SF6 pentru sistemul de electrozi sferă-placă reprezentat în

figură. Distanţa disruptivă 12.5 mm. Câmp electric neuniform

6.3.1.7 Capacitatea de stingere a arcului electric

Ilustrarea acestei caracteristci, este realizată cu ajutorul figurilor 6.32, 6.33 şi 6.34. Datorită proprietăţilor sale termice şi temperaturii coborâte de ionizare (figura 6.32) SF6 este unul dintre cele mai performante medii de stingere.

Figura 6.32 – Profilul radial al distribuţiei

temperaturii în coloana arcului electric pentru două medii de stingere N2 şi SF6

Figura 6.33 – Dependenţa constantei de timp a arcului (modelul Mayr) de presiune în diferite

medii de stingere

8

Figura 6.34 – Capacitatea de stingere a arcului electric funcţie de presiune, pentru diferite medii de

stingere. Constanta arcului (figura 6.33) este cu câteva ordine de mărime mai mică în SF6 în raport cu alte medii de stingere; în plus constanta de timp a arcului are o valoare relativ independentă de presiune. În figura 6.32 este prezentat calitativ un profil tipic pentru variaţia radială a temperaturii în coloana arcului electric răcit prin conducţie. Există 2 zone:

- o zonă centrală, relativ restrânsă, cu temperatură foarte ridicată; - a doua zonă (de dimensiuni mai importante decât zona centrală), zonă care se extinde până la

periferia arcului. Tranziţia dintre cele două zone este caracterizată de un gradient mare de temperatură (concluzia poate fi trasă cercetând derivata temperaturii care, în această zonă are valori maxime). Caracteristicile menţionate ale profilului temperaturii arată că zona prin care circulă cea mai mare parte a curentului de arc este zona centrală, zona care sunt localizate şi valorile maxime ale temperaturii din coloana arcului. Deoarece arcul manifestă întotdeauna tendinţa de a-şi menţine echilibrul termic, temperatura arcului se va autoregla în corelaţie cu intensitatea curentului de arc. în vecinătatea trecerii prin zero, când valorile instantanee ale curentului sunt din ce în ce mai mici, temperatura din zona centrală a arcului scade. Variaţia temperaturii determină modificarea conductivităţii termice a arcului (figura 6.27) care, pentru SF6 atinge un maxim în jurul temepraturii de 2000 K în timp ce pentru aer de exemplu, se situează în jurul valorii de 6000 K. Rezultă că în vecinătatea trecerii prin zero a curentului, când temeperatura în coloana arcului scade ajungând în zona în care conductivitatea termică este maximă, sunt întrunite condiţiile optime pentru stingerea arcului: aport de energie sistat (prin anularea curentului) transmisivitate maximă (datorită conductivităţii termice bune). De notat că, pentru curenţi intenşi, conductivitatea termică a SF6 nu diferă substanţial de cea a altor medii de stingere (aer, azot, etc.); de aceea procesul de răcire a arcului pentru curenţi intenşi are aproape aceleaşi caracteristici în toate mediile de stingere.

6.3.1.8 Comportare în prezenţa descărcărilor electrice

Într-un arc electric temperatura poate atinge 15000 K. În aceste condiţii, o mică cantitate din SF6 este descompusă. Compuşii rezultaţi depind de materialele prezente în interiorul camerei de stingere: • materialul contactelor – pe bază de tungsten, cupru sau nichel, toate conţinând şi urme de oxigen şi

hidrogen; • impurităţile din SF6 cum ar fi aerul, CF4 şi vaporii de apă; • compuşi ai materialelor electroizolante plastice bazate pe carbon, hidrogen şi siliciu; • alte materiale metalice sau non-metalice. Enumerarea de mai sus explică de ce produsele solide şi gazoase ale procesului de disociere sub acţiunea arcului electric conţine, pe lângă fluor şi alte elemente cum ar fi carbon, silici, oxigen, hidrogen, tungsten, cupru, etc. Principalii compuşi gazoşi produşi în interiorul unuei camere de stingere şi identificaţi prin

9

combinarea tehnicilor de cromatografie cu cele de spectroscopie de masă, sunt: • acid fluoric HF • bioxid de carbon CO2 • dioxid de sulf SO2 • tetrafluorură de carbon CF4 • tetrafluorură de siliciu SiF4 • fluorura de tionil SOF2 • fluorura de sulfuril SO2F2 • tetrafluorură de sulf SF4 • decafluorură de biusulfit S2F10 (în cantităţi infime) Unele dintre aceste produse pot fi toxice, însă pot fi reţinute şi filtrate cu site moleculare sau alumină activă. Dacă absorbantul (sita moleculară sau alumina activă) este prezentă în echipament în cantitate suficientă, nivelul de coroziune datorat produselor rezultate din descompunerea SF6 (în special HF) este slab sau neglijabil. Aceasta deoarece acţiunea rapidă a absorbantului nu lasă timp suficient pentru producerea procesului de coroziune.

6.3.2. Implicaţiile ale SF6 asupra sănăţii

Când este pură SF6 este non toxică şi biologic inertă; nu este ecotoxică , nu are efecte cancerigene, nu produce mutaţii. Cu toate acestea, când se manipulează cantităţi mari de SF6 trebuie luate măsuri pentru ca valoarea admisă a concentraţiei să nu fie depăşită

TLV=6000 mg/m3 (1000 ppmv) TLV (Threshold Limit Value) : limită exprimată sub forma concentraţiei gazului în aer, în ppmv - părţi (de volum) din elementul urmărit, la un milion de părţi (de volum) ale amestecului TLV este o valoare medie a concentraţiei admise pentru expunere pe durata a 8 ore zilnic timp de 40 de ore pe săptămână. TLV a fost stabilită prin consens, ţinând seama de riscurile pentru sănătate asociate expunerii la prezenţa SF6 în mediu care depind de o seamă de factori printre care: • gradul de descompunere al SF6 şi natura compuşilor rezultaţi • concentraţia de SF6 în atmosfera locală • timpul de expunere