Comprendiendo el Gas SF6: Propiedades, Uso e Impacto de la Humedad en Instalaciones Eléctricas

El hexafluoruro de azufre (SF6) es un gas ampliamente utilizado en el aislamiento y la interrupción del arco en equipos eléctricos de media y alta tensión. Más del 90% de los interruptores en las subestaciones emplean este gas. En este post, exploráremos las propiedades del SF6, su uso y cómo la humedad afecta su comportamiento y mencionaremos la medición de descargas parciales.

Propiedades y uso del SF6

El SF6 es un gas estable gracias a su estructura molecular, en la que seis átomos de flúor rodean a un átomo de azufre. Esta estabilidad permite al gas desintegrarse frente a un arco eléctrico y luego recuperar rápidamente su estructura original. El SF6 (hexafluoruro de azufre) comenzó a utilizarse en la década de 1950 como medio aislante y para interrumpir arcos eléctricos en equipos de media y alta tensión. Desde entonces, su uso ha ido en aumento debido a sus propiedades aislantes y su capacidad para interrumpir arcos eléctricos de manera efectiva, cuya temperatura normalmente supera los 3.500 grados Celsius.

Además, el SF6 posee propiedades aislantes que permiten a los fabricantes crear equipos eléctricos más compactos. Por ejemplo, una celda de media tensión que mide aproximadamente 1,50 metros de ancho puede reducir su tamaño en 29 centímetros si se utiliza aislamiento de gas SF6.

Efectos de la humedad

La humedad puede afectar la capacidad del SF6 para volver a su estado normal. Cuando se expone a la humedad y altas temperaturas, el SF6 puede producir subproductos no deseados como ácido hidroclorídrico y ácido fluorhídrico (HF), que es considerado un gas cancerígeno por la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Aunque el SF6 en sí no es tóxico, la presencia de humedad puede generar subproductos cancerígenos.

Fugas de SF6

A pesar de la sofisticación de la tecnología actual, los equipos eléctricos aislados con SF6 siempre tendrán niveles de fugas permitidos, que oscilan entre el 0.1% y el 0.5% del volumen total de SF6 por año.

La humedad y el SF6

La humedad es un factor clave en la interacción del SF6 con equipos eléctricos. El H2O puede encontrarse en tres estados (sólido, líquido y gaseoso) y afectar el comportamiento del SF6 en función de su estado. Es esencial controlar y gestionar adecuadamente la humedad en las instalaciones eléctricas que utilizan SF6 como medio aislante e interruptor de arco.

Estados del agua y su relación con la humedad

El agua (H2O) puede presentarse en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Por ejemplo, las nubes están compuestas de partículas de agua en transición entre el estado líquido y gaseoso. Como regla general, si podemos ver el H2O, no se encuentra en estado gaseoso.

Humedad relativa

La humedad relativa se define como la cantidad de agua en el ambiente en comparación con la cantidad máxima de agua que puede contener el aire antes de alcanzar la saturación. Por ejemplo, si una habitación tiene un 50% de la capacidad de contener agua en estado gaseoso, entonces la humedad relativa es del 50%.

El agua tiene un comportamiento peculiar en relación con la humedad relativa, ya que puede cambiar de estado en ciertas condiciones. Este fenómeno no se aplica a todos los gases, sino que es característico del agua.

Capacidad de carga y temperatura

La capacidad de carga de agua en estado gaseoso sigue aumentando con la temperatura a medida que el aire se calienta. Por lo tanto, el aire a 27 grados Celsius puede contener más vapor de agua en estado gaseoso que el aire a 5 grados Celsius.

A medida que la temperatura aumenta, las moléculas de agua ganan más energía y se mueven más rápido, lo que les permite escapar con mayor facilidad de la superficie del agua en estado líquido y pasar al aire en forma de vapor. Esto aumenta la cantidad de vapor de agua que el aire puede contener en equilibrio y, por lo tanto, aumenta la capacidad de carga de agua en estado gaseoso.

Es importante destacar que la capacidad de carga de agua en estado gaseoso no es la misma que la humedad relativa del aire, que se refiere a la cantidad de vapor de agua presente en el aire en relación con la cantidad máxima que podría contener a esa temperatura. La humedad relativa del aire puede variar dependiendo de la cantidad de vapor de agua presente en el aire y la temperatura, pero la capacidad de carga de agua en estado gaseoso sigue aumentando con la temperatura.

Relevancia en instalaciones eléctricas con SF6

La humedad relativa y la capacidad de carga del agua en el ambiente pueden afectar el comportamiento del SF6 en instalaciones eléctricas. La humedad puede influir en la capacidad del SF6 para volver a su estado normal después de interrumpir un arco eléctrico y también puede generar subproductos no deseados como ácido hidroclorídrico y ácido fluorhídrico, por ejemplo mencionare el siguiente equipo y la capacidad que tiene de medir gases y subproductos:

Este equipo puede ensayar y ver subproductos:

1. SF6 (Hexafluoruro de azufre): Este sensor mide la concentración de hexafluoruro de azufre (SF6).
2. H2O (Punto de rocío): Este sensor mide el punto de rocío, que es la temperatura a la cual el vapor de agua presente en el aire se condensa. Se utiliza para determinar la humedad relativa en el gas SF6 y otros gases.
3. SO2 (Dióxido de azufre): Este sensor mide la concentración de dióxido de azufre (SO2), un subproducto de la descomposición del SF6 en presencia de humedad y arcos eléctricos.
4. HF (Fluoruro de hidrógeno): Este sensor mide la concentración de fluoruro de hidrógeno (HF), otro subproducto de la descomposición del SF6.
5. CF4 (Tetrafluorometano): Este sensor mide la concentración de tetrafluorometano (CF4), un subproducto de la descomposición del SF6.
6. H2S (Sulfuro de hidrógeno): Este sensor mide la concentración de sulfuro de hidrógeno (H2S), un gas tóxico y corrosivo que puede formarse como subproducto en la descomposición del SF6.
7. CO (Monóxido de carbono): Este sensor mide la concentración de monóxido de carbono (CO), un gas tóxico que puede estar presente en la subestación eléctrica debido a procesos de combustión incompleta.
8. Air/N2 (Nitrógeno): Este sensor mide la concentración de nitrógeno (N2) en el gas SF6, lo cual es importante para evaluar la presencia de aire en el gas, ya que el aire puede afectar las propiedades aislantes del SF6.

Fuentes de humedad en el SF6 y efectos en los interruptores de potencia

La humedad puede afectar el rendimiento de los interruptores de potencia que utilizan SF6 como medio aislante e interruptor de arco.

Factores que afectan el ingreso de humedad en el SF6:

1. Diferencia de presión entre el ambiente y el interior del interruptor: Dado que la presión del aire ambiente es mayor que la del interior del interruptor, la humedad buscará infiltrarse en el interruptor a través de cualquier punto con un sello deficiente o incluso a través del material poroso del interruptor.
2. Condiciones típicas en Centroamérica: En ciudades a nivel del mar, las temperaturas pueden alcanzar fácilmente los 45 grados Celsius y la humedad relativa puede ser del 75%. Estas condiciones crean una diferencia de presión aún mayor entre el ambiente y el interior del interruptor, lo que facilita la infiltración de humedad.
3. Fuentes de humedad en el SF6: Los fabricantes y las normas internacionales permiten cierta tolerancia de fugas en los interruptores de potencia, que pueden variar entre el 0.1% y el 0.5% del volumen total por año. Las fugas pueden permitir que la humedad del aire ambiente ingrese al interruptor. Además, la humedad también puede ingresar al SF6 durante el proceso de recarga si el cilindro de gas SF6 no se almacena en condiciones herméticas.

Para minimizar la entrada de humedad en el SF6 y mantener el correcto funcionamiento de los interruptores de potencia, es crucial seguir las prácticas adecuadas de mantenimiento y almacenamiento. Esto incluye garantizar que los sellos y conexiones estén en buen estado y que los cilindros de gas SF6 se almacenen en condiciones herméticas, usar un manómetro digital calibrado, para las mediciones anualmente ayudará a saber que todas las mediciones que vemos en los manómetros son correctas y corregir cualquier necesidad a tiempo.

¿Qué es el punto de rocío en subestaciones con SF6?

El punto de rocío es un parámetro crucial en los activos de potencia que dentro de las subestaciones eléctricas utilizan gas SF6 (las mismas subestaciones GIS por ejemplo, la de acajutla de El Salvador). cualquier elemento que use al SF6 como aislante e interruptor de arco.

Este parámetro indica la temperatura en la cual la humedad o vapor de agua en el gas SF6 se condensa. Al igual que en otros sistemas, el punto de rocío es un parámetro independiente y puede ocurrir tanto en gas presurizado como en gas atmosférico.

En subestaciones con SF6, el control del punto de rocío es esencial para mantener un funcionamiento seguro y eficiente, ya que la humedad puede afectar significativamente el desempeño del gas SF6 y generar subproductos no deseados. Un punto de rocío bajo implica una menor cantidad de humedad en el gas SF6, mientras que un punto de rocío alto indica una mayor cantidad de humedad presente.

Medir y controlar el punto de rocío en subestaciones con SF6 permite garantizar que la humedad se mantenga en niveles adecuados, previniendo la formación de subproductos potencialmente dañinos y asegurando un funcionamiento óptimo por ejemplo en los interruptores de potencia y otros equipos eléctricos.

El monitoreo del punto de rocío en subestaciones con SF6 es fundamental para enfrentar los desafíos que presentan las condiciones extremas y las largas distancias entre las subestaciones. La implementación de soluciones de monitoreo precisas y confiables permite a las empresas de energía garantizar un funcionamiento seguro y eficiente de sus instalaciones eléctricas.

Medición de descargas parciales en sistemas con SF6

Las descargas parciales (DP) son fenómenos eléctricos que ocurren en sistemas de alta tensión como interruptores con SF6 y subestaciones GIS. La medición de DP es esencial para detectar posibles defectos y garantizar la integridad y confiabilidad de estos sistemas.

La medición de DP en interruptores SF6 y subestaciones GIS implica el uso de sensores capacitivos y acústicos que detectan señales eléctricas y acústicas generadas por las descargas. Estos sensores se colocan en puntos clave, como conexiones de tierra y barras colectoras, para capturar la actividad de DP con precisión.

El análisis de las señales de DP se realiza mediante técnicas de procesamiento de señales, como el método de la transformada de Fourier, que permite identificar la magnitud y frecuencia de las descargas. Además, se emplea la localización de fuentes de DP mediante la correlación de tiempo de llegada, que permite ubicar el punto de origen de las descargas dentro del equipo.

La monitorización de DP en tiempo real es crucial para evaluar el estado del aislamiento en interruptores SF6 y subestaciones GIS. Al detectar y analizar la actividad de DP, se pueden identificar defectos incipientes y tomar medidas preventivas para evitar fallas catastróficas y prolongar la vida útil del equipo.

Las mediciones de descargas parciales (DP) en equipos de interruptores de gas aislados (GIS) pueden realizarse sin interrumpir su funcionamiento. Estas mediciones en línea ayudan a identificar imperfecciones internas del sistema de aislamiento, que podrían provocar fallas y averías futuras en el sistema.

Equipos para la medición de descargas parciales en sistemas con SF6: tenemos a Megger como puede verse en la ilustración siguiente:

https://www.pdix.com/products/partial-discharge-monitoring-systems/gismonitor-portable.html

Dificultades en la medición de descargas parciales en equipos con SF6

Al usar SF6 así como presenta maravillosas propiedades dieléctricas le agrega una complicación adicional, veamos 4 puntos a tomar en cuenta:

1. Propiedades dieléctricas del SF6: El gas SF6 posee excelentes propiedades dieléctricas que dificultan la detección de descargas parciales. La actividad de DP en equipos con SF6 abarca un ancho de banda superior a los dos GHz, lo que puede complicar su detección.
2. Rango de frecuencia UHF: La monitorización de DP en equipos GIS se realiza preferiblemente en el rango de frecuencia UHF (Ultra High Frequency). La detección en este rango de frecuencia puede ser desafiante debido a las atenuaciones de señal y las interferencias presentes en el entorno.
3. Transmisión de señales: Las propiedades mecánicas de los componentes del GIS permiten la transmisión de señales de DP a distancias de hasta varios metros. Esto dificulta aún más la detección de las señales, ya que pueden verse afectadas por interferencias y ruido en el entorno.
4. Características del equipo: Los sistemas GIS están diseñados para ser compactos y herméticos, lo que puede dificultar el acceso a ciertos componentes para realizar mediciones de DP.

A pesar de estos desafíos, las mediciones de descargas parciales son esenciales para garantizar la confiabilidad y el mantenimiento preventivo de los sistemas eléctricos con SF6. Las técnicas de monitoreo y detección avanzadas, como las que operan en el rango de frecuencia UHF, pueden ayudar a superar estas dificultades y permitir una monitorización efectiva de las DP en equipos GIS con SF6.

Recomendaciones para el control de humedad en interruptores de potencia con SF6

Cuando los años pases cada ingeniero puede darse cuenta como las marcas y modelos de equipos tienen a funcionar de maneras similares o totalmente diferentes aun siendo las mismas marcas:

Pueden tomarse en cuenta las siguientes normas IEC:

• IEC 60480 “Especificaciones para el reuso del hexafluoruro de azufre (SF6) y sus mezclas en equipos eléctricos” proporciona pautas para la manipulación y el tratamiento del gas SF6.
• IEC 60376 “Especificación y aceptación de nuevos gases de hexafluoruro de azufre (SF6) para uso en equipos eléctricos”: Esta norma especifica los requisitos para la calidad del SF6, incluyendo la pureza y la humedad.
• IEC 62271-4 “Aparatos de maniobra y control de alta tensión – Parte 4: Manipulación de aparatos con aislamiento de gas (GIS)”: Esta norma cubre procedimientos para la manipulación y el mantenimiento de equipos con aislamiento de gas, que pueden incluir aspectos relacionados con la medición de la pureza y la humedad del SF6.

También podemos tomar pautas de los fabricantes de los interruptores y de las experiencias ganadas:

1. Basándose en la experiencia y las normas internacionales, se propone utilizar un sistema de para monitorear y controlar la humedad en el SF6. Por ejemplo:

• Condición normal: Valores de punto de rocío entre -40 y -70 grados Celsius, indicando que el gas SF6 es nuevo y tiene bajos niveles de humedad.
• Realizar mantenimiento: Valores de punto de rocío entre -30 y 0 grados Celsius, lo que indica que la humedad está presente pero puede no ser crítica en el corto plazo. Se debe prestar atención a estos valores y tomar medidas para reducir la humedad o realizar un mantenimiento con un equipo que pueda quitarle la humedad al gas.
• Sacar de la operación: Valores de punto de rocío superiores a 0 grados Celsius, lo que indica un alto riesgo de problemas de aislamiento. Es necesario tomar medidas inmediatas para reducir la humedad en el SF6.

2. Realizar pruebas de punto de rocío en la misma temporada del año: Para obtener mediciones consistentes de la humedad en el SF6, se recomienda realizar pruebas de punto de rocío en la misma temporada del año, recordar que nuestros climas son tropicales en Centroamérica y esto debe ser bien observado, ya que la misma temporada puede ser diferente.
3. Mantenimiento y reemplazo de componentes internos: Los componentes internos de los interruptores de potencia, como los materiales absorbentes de humedad, pueden saturarse con el tiempo y requerir mantenimiento o reemplazo. Asegúrese de seguir las recomendaciones del fabricante para el mantenimiento de estos componentes.
4. Tener cuidado al intervenir en equipos antiguos: Al intervenir en equipos antiguos, especialmente aquellos que han interrumpido varios arcos, tenga en cuenta que la presencia de agua en el SF6 puede producir gases peligrosos, como HF y SOF2. Tome precauciones adecuadas al manipular estos equipos, como realizar un ensayo con el equipo mencionado anteriormente.

Es fundamental contar con un monitoreo constante de la humedad en los interruptores de potencia para garantizar un funcionamiento eficiente y confiable, sin descuidar, por supuesto, el aspecto operacional. A continuación, se presentan algunas conclusiones y aplicaciones adicionales relacionadas con el monitoreo de humedad.

1. Es importante realizar las mediciones de humedad de manera periódica y en condiciones similares (mismo horario y temporada) para tener en cuenta el efecto que tiene la humedad en el fenómeno.
2. El ingreso de humedad en el interruptor puede generar una pérdida en la rigidez dieléctrica del SF6, lo que afecta el rendimiento y confiabilidad del equipo.
3. Equipos multifuncionales que botan cero SF6 son indicados para las mediciones ya que tienen la capacidad de medir la humedad, la presión y la temperatura, además de subproductos del SF6
4. Además de los interruptores, existen otras aplicaciones para el monitoreo de humedad, como en generadores enfriados por hidrógeno y en transformadores, donde se puede medir la humedad del aceite y los gases disueltos.
5. Mediciones de descargas parciales a las subestaciones GIS son elementos necesarios para conservar la máxima confiabilidad del sistema eléctrico.

Importancia del monitoreo de humedad en interruptores de potencia con SF6

El SF6 es un gas ampliamente utilizado en equipos eléctricos de media y alta tensión debido a sus propiedades aislantes e interruptoras del arco. Sin embargo, la humedad puede afectar su rendimiento y generar subproductos indeseables. Por lo tanto, es crucial controlar la humedad en las instalaciones eléctricas que utilizan SF6 para garantizar un funcionamiento seguro y eficiente.

Mantener la humedad en niveles adecuados es fundamental para prevenir la formación de subproductos dañinos y asegurar la longevidad y el rendimiento óptimo de los sistemas. La implementación de soluciones de monitoreo de humedad confiables y precisas, como los dispositivos que monitorean la presión, la temperatura y la humedad, permiten una mayor confiabilidad y eficiencia en la operación de la subestación y reducen el riesgo de problemas de aislamiento y pérdidas de gas SF6.