Gas dieléctrico

Un gas dieléctrico , o gas aislante , es un material dieléctrico en estado gaseoso. Su objetivo principal es prevenir o apagar rápidamente las descargas eléctricas . Los gases dieléctricos se utilizan como aislantes eléctricos en aplicaciones de alto voltaje , por ejemplo, transformadores , disyuntores (a saber , disyuntores de hexafluoruro de azufre ), aparamenta (es decir , aparamenta de alta tensión ), guías de ondas de radar , etc.

Un buen gas dieléctrico debe tener alta rigidez dieléctrica , alta estabilidad térmica e inercia química frente a los materiales de construcción utilizados, no inflamabilidad y baja toxicidad , bajo punto de ebullición , buenas propiedades de transferencia de calor y bajo costo. ^[1]

El gas dieléctrico más común es el aire , debido a su ubicuidad y bajo costo. Otro gas comúnmente utilizado es el nitrógeno seco .

En casos especiales, por ejemplo, interruptores de alto voltaje, se necesitan gases con buenas propiedades dieléctricas y voltajes de ruptura muy altos . Se favorecen los elementos altamente electronegativos , por ejemplo, halógenos , ya que se recombinan rápidamente con los iones presentes en el canal de descarga. Los gases halógenos son muy corrosivos . Por lo tanto, se prefieren otros compuestos, que se disocian solo en la vía de descarga; el hexafluoruro de azufre , los organofluoruros (especialmente los perfluorocarbonos ) y los clorofluorocarbonos son los más comunes.

El voltaje de ruptura de los gases es aproximadamente proporcional a su densidad . Los voltajes de ruptura también aumentan con la presión del gas. Muchos gases tienen una presión superior limitada debido a su licuefacción .

Los productos de descomposición de los compuestos halogenados son altamente corrosivos, por lo que debe evitarse la aparición de descargas en corona .

La acumulación de humedad puede degradar las propiedades dieléctricas del gas. El análisis de humedad se utiliza para la detección temprana de esto.

Los gases dieléctricos también pueden servir como refrigerantes .

El vacío es una alternativa para el gas en algunas aplicaciones.

Se pueden utilizar mezclas de gases cuando sea apropiado. La adición de hexafluoruro de azufre puede mejorar drásticamente las propiedades dieléctricas de los aislantes más pobres, por ejemplo, helio o nitrógeno. ^{[2] Las} mezclas de gas multicomponente pueden ofrecer propiedades dieléctricas superiores; las mezclas óptimas combinan los gases de fijación de electrones ( hexafluoruro de azufre , octafluorociclobutano ) con moléculas capaces de termalizar (ralentizar) electrones acelerados (por ejemplo , tetrafluorometano , fluoroformo ). Las propiedades aislantes del gas están controladas por la combinación de unión de electrones, dispersión de electrones e ionización de electrones . ^[3]

La presión atmosférica influye significativamente en las propiedades de aislamiento del aire. Las aplicaciones de alto voltaje, por ejemplo, las lámparas de destellos de xenón, pueden sufrir averías eléctricas a grandes altitudes.

Voltajes relativos de ruptura de chispas de gases aislantes a 1 atm

Gas	Fórmula	Voltaje de ruptura relativo al aire	Peso molecular (g / mol)	Densidad * (g / l)	ODP	GWP	Unión de electrones	Propiedades
Hexafloruro de azufre	SF 6	3,0	146.06	6.164		22800		El gas aislante más popular. Es denso y rico en flúor , que es un buen amortiguador de descargas. Buenas propiedades refrescantes. Excelente extinción de arco. Productos de descomposición corrosivos. Aunque la mayoría de los productos de descomposición tienden a volver a formar rápidamente SF 6, la formación de arco o corona puede producir decafluoruro de disulfuro ( S 2F 10), un gas altamente tóxico , con una toxicidad similar a la del fosgeno . El hexafluoruro de azufre en un arco eléctrico también puede reaccionar con otros materiales y producir compuestos tóxicos, por ejemplo, fluoruro de berilio a partir de cerámicas de óxido de berilio . Se utiliza con frecuencia en mezclas con, por ejemplo, nitrógeno o aire.
Nitrógeno	norte 2	1,15	28	1.251	-	-	no	A menudo se utiliza a alta presión. No facilita la combustión. Se puede usar con un 10-20% de SF 6 como alternativa de menor costo al SF 6 . Puede utilizarse de forma independiente o en combinación con CO 2 . Sin unión de electrones, eficiente para ralentizar los electrones.
Aire	29 / mezcla	1		1.2	-	-		Tensión de ruptura 30 kV / cm a 1 atm. Muy bien investigado. Cuando se somete a una descarga eléctrica, forma óxidos de nitrógeno corrosivos y otros compuestos, especialmente en presencia de agua. Productos de descomposición corrosivos. Puede facilitar la combustión, especialmente cuando está comprimido.
Amoníaco	NUEVA HAMPSHIRE 3	1	17.031	0,86
Dióxido de carbono	CO 2	0,95	44.01	1.977	-	1	débil
Monóxido de carbono	CO	1.2 [4]					débil	Eficaz para ralentizar los electrones. Tóxico.
Sulfuro de hidrógeno	H 2S	0,9	34.082	1.363
Oxígeno	O 2	0,85	32,0	1.429	-	-		Facilita muy eficazmente la combustión. Peligroso especialmente cuando se encuentra en alta concentración o comprimido.
Cloro	Cl 2	0,85	70,9	3.2
Hidrógeno	H 2	0,65	2.016	0,09			virtualmente no	Voltaje de ruptura bajo pero alta capacidad térmica y muy baja viscosidad. Se utiliza para refrigerar, por ejemplo , turbogeneradores refrigerados por hidrógeno . Problemas de manipulación y seguridad. Desexcitación muy rápida, se puede utilizar en brechas de chispas de alta tasa de repetición y tiratrones rápidos .
Dióxido de azufre	ASI QUE 2	0,30	64.07	2.551
Óxido nitroso	norte 2O	~ 1.3					débil	Se une débilmente a los electrones. Eficiente para ralentizar los electrones. [4]
1,2-diclorotetrafluoroetano ( R-114 )	CF 2ClCF 2Cl	3.2	170,92	1.455	?		fuerte	La presión saturada a 23 ° C es de aproximadamente 2 atm, lo que produce un voltaje de ruptura 5.6 veces mayor que el nitrógeno a 1 atm. Productos de descomposición corrosivos.
Diclorodifluorometano (R-12)	CF 2Cl 2	2.9	120,91	6	1	8100	fuerte	Presión de vapor de 90 psi (6.1 atm) a 23 ° C, lo que produce un voltaje de ruptura 17 veces mayor que el del aire a 1 atm. Se pueden lograr voltajes de ruptura más altos aumentando la presión agregando nitrógeno. Productos de descomposición corrosivos.
Trifluorometano	CF 3H	0,8					débil
1,1,1,3,3,3-hexafluoropropano (R-236fa)	CF 3CH 2CF 3		152.05			6300	fuerte	Productos de descomposición corrosivos.
Tetrafluoruro de carbono (R-14)	CF 4	1.01 [1]	88,0	3,72	-	6500		Aislante deficiente cuando se usa solo. En mezcla con SF 6 disminuye algo las propiedades dieléctricas del hexafluoruro de azufre, pero reduce significativamente el punto de ebullición de la mezcla y evita la condensación a temperaturas extremadamente bajas. Reduce el costo, la toxicidad y la corrosividad del SF 6 puro . [5]
Hexafluoroetano (R-116)	C 2F 6	2.02 [1]	138	5.734	-	9200	fuerte
1,1,1,2-tetrafluoroetano (R-134a)	C 2H 2F 4						fuerte	Posible alternativa de SF 6 . [6] Sus propiedades de extinción de arco son malas, pero sus propiedades dieléctricas son bastante buenas.
Perfluoropropano (R-218)	C 3F 8	2.2 [1]	188	8.17	-	?	fuerte
Octafluorociclobutano (R-C318)	C 4F 8	3.6 [1]	200	7.33	-	?	fuerte	Posible alternativa de SF 6 .
Perfluorobutano (R-3-1-10)	C 4F 10	2.6 [1]	238	11.21	-	?	fuerte
30% SF 6/ 70% aire		2.0 [1]
Helio	Él						No	No se une a los electrones, no es eficiente para ralentizar los electrones.
Neón	Nordeste	0.02 [4]					No	No se une a los electrones, no es eficiente para ralentizar los electrones.
Argón	Arkansas	0,2 [4]					No	No se une a los electrones, no es eficiente para ralentizar los electrones.
aspiradora								El alto vacío se utiliza en condensadores e interruptores. Problemas con el mantenimiento de la aspiradora. Voltajes más altos pueden conducir a la producción de rayos x . [7] [8]

^* La densidad es aproximada; normalmente se especifica a presión atmosférica, la temperatura puede variar, aunque en su mayoría es de 0 ° C.

Referencias

1. M S Naidu; NAIDU MS (22 de noviembre de 1999). Ingeniería de Alta Tensión . Profesional de McGraw-Hill. págs. 35–. ISBN 978-0-07-136108-8. Consultado el 17 de abril de 2011 .
2. Paul G. Slade (2008). El tubo de maniobra al vacío: teoría, diseño y aplicación . Prensa CRC. págs. 433–. ISBN 978-0-8493-9091-3. Consultado el 17 de abril de 2011 .
3. Uso de Ramapriya Parthasarathy de átomos de Rydberg como laboratorio a microescala para sondear interacciones electrón-molécula de baja energía
4. Loucas G. Christophorou Investigación y hallazgos sobre alternativas al SF 6 puro . Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. Gaithersburg, MD. EPA.gov
5. Loucas G. Christophorou; James K. Olthoff (1 de enero de 1998). Dieléctricos gaseosos VIII . Saltador. págs. 45–. ISBN 978-0-306-46056-2. Consultado el 17 de abril de 2011 .
6. Dieléctricos gaseosos con bajos potenciales de calentamiento global - Solicitud de patente de EE. UU. 20080135817 Descripción Archivado el 13 de octubre de 2012 en Wayback Machine . Patentstorm.us (12 de diciembre de 2006). Consultado el 21 de agosto de 2011.
7. Hans R. Griem; Ralph Harvey Lovberg (1970). Física del plasma . Prensa académica. págs. 201–. ISBN 978-0-12-475909-1. Consultado el 9 de enero de 2012 .
8. Ravindra Arora; Wolfgang Mosch (25 de febrero de 2011). Ingeniería de Alta Tensión y Aislamientos Eléctricos . John Wiley e hijos. págs. 249–. ISBN 978-1-118-00896-6. Consultado el 9 de enero de 2012 .