El Hexafluoruro de Azufre 'SF6' como material aislante eléctrico, generalidades, propiedades físicas, propiedades de ruptura dieléctrica, normas internacionales para su uso y disposición, Algunos impactos ambientales.

1. HEXAFLUORURO DE AZUFRE
(SF6)
FELIPE IGNACIO GUARNIZO VARGAS
ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA
Bogotá D.C
22 DE MARZO DE 2017

2. Hexafluoruro de Azufre (SF6)
Aunque el aire atmosférico es uno de los dieléctricos más económicos, este tiene propiedades
dieléctricas pobres (sus propiedades dependen de la presión atmosférica, la contaminación, la radiación
solar, entre otros) es por esto que a medida que se fueron aumentando las tensiones de operación,
las dimensiones de los equipos tuvieron que ser aumentadas, encareciendo la infraestructura.
Producto de lo anterior los ingenieros buscaron la forma de reducir las dimensiones de estos
equipos mediante el desarrollo de sistemas aislados con gas (GIS) que emplean gases como el
hexafluoruro de azufre, con mayor rigidez dieléctrica que el aire a presión.
Propiedades del Hexafluoruro de azufre (SF6)
La primera vez que se produjo el hexafluoruro de azufre fue en 1900 por los científicos franceses
Moissar y Lebeau, producto de la fluorización directa del azufre. El primer uso de este gas fue como
dieléctrico en la física atómica, a finales de los cincuentas se le encontró un uso como dieléctrico en
los interruptores de potencia, desde entonces su utilización en aplicaciones de alta tensión se ha
ido escalando desde interruptores, cables aislados con gas a presión (CGITL) a presión, hasta
subestaciones eléctricas completas, aisladas en gas (GIS “Gas Insulated Substation”).
Ilustración 1 Propiedades físicas de los Gases, ordenados según su rigidez dieléctrica. Mosch et al.

3. Propiedades físicas del gas SF6
En una molécula de SF6, seis átomos de flúor se organizan uniformemente como un octaedro sobre
un átomo de azufre central. Por lo tanto, un átomo de azufre excitado puede formar seis enlaces de
covalencia estables con los átomos flúoros fuertemente electronegativos compartiendo el par de
electrones. Entre los halógenos, el elemento de flúor y el átomo de azufre tienen coeficientes de
electronegatividad muy altos, del orden de 4 y 2,5, respectivamente. Este coeficiente es una medida
de la tendencia a atraer electrones de otros átomos para formar un enlace dipolar.
La estructura rígida simétrica, la pequeña distancia de unión y la alta unión entre los átomos de la
molécula de gas SF6 proporcionan una alta estabilidad, como resultado las propiedades del gas SF6
son cercanas a los gases raros (inertes) a temperaturas relativamente bajas. La disociación térmica
del SF6 altamente purificado Comienza a temperaturas extremadamente altas (por encima de 1000
K). Tales temperaturas en sistemas de potencia se producen sólo por arcos eléctricos. Incluso a
temperatura continua hasta aproximadamente 500 K, no se ha informado ni de la descomposición
térmica ni de la reacción química del gas SF6 con otros materiales. El SF6 es un gas no tóxico,
incoloro, inodoro, no inflamable y no explosivo, además de ser químicamente inerte y térmicamente
estable.
La densidad de los gases aumenta con la masa molecular relativa. Como la masa molecular del gas
SF6 es bastante alta (146), tiene una alta densidad. Debido a la alta densidad, los portadores de
carga tienen en promedio un camino libre corto. Esta propiedad, junto con las propiedades de la
fijación electrónica, es decir, la electronegatividad y la alta energía para la ionización, dan como
resultado una alta rigidez dieléctrica del SF6.
Ilustración 2 Propiedades físicas del SF6

4. Ilustración 3 Estados del SF6 para densidades constantes variando la presión y las temperaturas en los rangos de operación.
El anterior diagrama muestra como la densidad del gas depende de la temperatura y su presión.
También se muestran los estados sólido y liquido del SF6. Este diagrama es importante desde el
punto de vista de la aplicación práctica del SF6 en GIS. Dentro de un rango de presión y temperatura
el SF6, no debe licuarse ya que sus propiedades de aislamiento eléctrico se afectan.

5. Ruptura en campos uniformes y levemente no uniformes con
aislamiento en SF6
En condiciones de campo eléctrico uniforme o levemente no uniforme el comportamiento de la
tensión de ruptura respecto a la presión del gas es lineal, si se aumenta la presión del gas la tensión
de ruptura se incrementa para una misma distancia y configuración de electrodos como se muestra
en la siguiente gráfica.
Ilustración 4 comparación entre las tensiones de ruptura teóricas y experimentales para la configuración de electrodos dada.
Para calcular la tensión de ruptura se emplea la siguiente ecuación:
Donde:
 Ub: tensión de ruptura [kV]
 Ebmax: tensión máxima de ruptura [kV/cm]
 D: distancia entre electrodos [cm]
 η: es el grado de conformidad del campo eléctrico

6. Donde Ebt depende del tipo de tensión aplicada y se calcula mediante la relación:
Ilustración 5 Valores experimentales para la rigidez dieléctrica y el factor z del SF6
Y el grado de conformidad se obtiene de las curvas de Schwaiger:
Ilustración 6 Curvas de Schwaiger para diferentes configuraciones de electrodo

7. Ilustración 7 Comparación De la rigidez dieléctrica de diferentes materiales
Ruptura en campos extremadamente no uniformes
Diferentes experimentos han demostrado que la tensión de ruptura en campos no uniformes, no
solo está ligada a la forma de los electrodos, además esta se afecta por la presión del gas. La no
uniformidad del gas varía con la presión del gas como lo muestra la siguiente ilustración.
Ilustración 8 Cambio en el límite de uniformidad dependiendo de la presión del gas para el SF6.

8. Para el SF6 como se muestra la región η>ηlim, donde las descargas parciales no son
estables debido a que el campo es levemente uniforme. Mientras que la región
η<ηlim siendo un campo extremadamente no uniforme se presentan descargas
parciales estables después de la ruptura, lo anterior muestra que son permisibles
los campos menos uniformes a presiones elevadas del gas.
Ilustración 9 Variación en la tensión inicial de descarga Ui para diferentes presiones del SF6 con variaciones en la distancia de
electrodos (Hemisferio-placa)
Como se evidencia en la anterior ilustración la tensión inicial de descarga se incrementa cuando se
incrementa la presión del gas, notese la diferencia en las magnitudes de tension inicial de descarga
para las presiones de 0.25 MPa y 0.3 MPa
Ilustración 10 Variación en la tensión inicial de descarga Ui para el SF6 y el aire a presión atmosférica con variaciones en la distancia
de electrodos (Hemisferio-placa)

9. En la anterior ilustración se puede observar que para pequeñas distancias entre electrodos la
tensión inicial de ruptura del SF6 es cerca de 2.5 veces mayor que la del aire.
Ilustración 11 Tensiones iniciales de descarga Ui y de ruptura Ub para la configuración punta-placa en dc
En la anterior grafica se evidencia que para la configuración punta-placa con la punta con polaridad
negativa tanto la tensión inicial de ruptura Ui como la tensión de ruptura Ub son mayores, por tanto
se miden mayores intensidades de descarga parcial.
Mesclas del gas SF6 con otros gases
Debido a que el SF6 es un potente gas de efecto invernadero, se han analizado diferentes mesclas
de este gas con otros, sin embargo estas mesclas reducen sustancialmente la capacidad dieléctrica
en consecuencia se reduce su capacidad para la extinción de arco por lo tanto se pierde sus
propiedades para ser utilizado en interruptores de potencia.
Aplicaciones del SF6
Debido a sus excelentes propiedades dieléctricas el gas de SF6 se emplea en:
 Como medio de extinción de arco en interruptores de potencia.
 Como aislamiento para transformadores de potencia.
 Como aislamiento en líneas aisladas por gas a presión.
 Como aislamiento en condensadores.

10. Normas que aplican al SF6
Algunas de los estándares que rigen el uso, la manipulación, las especificaciones y otras
características del SF6:
 IEC Standard 60376 “Especificaciones y aceptaciones del nuevo hexafluoruro de azufre”
 IEC Standard 62271-303 manejo del SF6“(antiguo IEC Standard 60634)
 IEC Standard 60480 “Guía para la revisión y el tratamiento del SF6 tomado del equipamiento
eléctrico”.
 Use and Handling of Sulfur Hexafluoride in High-voltage Switchgear and Control Gear
IEC/TR2 61634
 Handling of SF6 and its Decomposition Products in Gas Insulated Switchgear (GIS) CIGRE
Guide No. 276, transferred to IEEE
 SF6 Recycling Guide CIGRE Guide No. 234Guide to the Checking of Sulfur Hexafluoride (SF6)
taken from Electrical Installations
 Practical Guide to SF6 Handling Practices TR113933
Impactos ambientales del SF6
El gas de Hexafluoruro de Azufre aunque es un potente dieléctrico, tiene consecuencias indeseadas
para el medio ambiente, ya que este es un potente gas de efecto invernadero. El SF6 tiene la
capacidad de absorber radiación infrarroja que potencia el efecto invernadero natural.
Debido a sus propiedades dieléctricas el uso de SF6 se ha incrementado así como su producción,
por tal motivo en la actualidad la forma de no provocar impactos en el cambio climático, es evitar
que este se libere a la atmosfera. En la actualidad se estudian mesclas de SF6 con otros gases, sin
embargo se evidencian nuevos problemas producto de estas mesclas tales como la disminución de
la rigidez dieléctrica, desempeño térmico y la capacidad de extinción de arco, también se presentan
nuevos elementos en la descomposición del gas.
Bibliografía:
 High voltage and Electrical Insulation Engineering (IEEE Press - Wiley) – Ravindra Arora;
Wolfgang Mosch.