ES2951430T3 - Sistema de aislamiento eléctrico de bajo impacto medioambiental para aparamenta eléctrica de media y alta tensión - Google Patents

Sistema de aislamiento eléctrico de bajo impacto medioambiental para aparamenta eléctrica de media y alta tensión Download PDF

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Abstract

Sistema de aislamiento eléctrico de bajo impacto ambiental para aparamenta eléctrica de media y alta tensión La invención se refiere a un sistema de aislamiento eléctrico que comprende dos elementos fundamentales: a) un medio gaseoso formado por una mezcla de i) una o más hidrofluoroolefinas no inflamables de al menos 4 átomos de carbono, y ii) uno, dos o tres gases vectores seleccionados entre N2, O2, aire seco, helio, CO2 o mezclas de los mismos; y b) uno o más agentes desecantes.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de aislamiento eléctrico de bajo impacto medioambiental para aparamenta eléctrica de media y alta tensión Campo de la invención
La presente invención pertenece al campo de los sistemas de aislamiento eléctrico para su uso en aparamenta eléctrica de media y alta tensión. Más particularmente, la invención se refiere a un sistema de aislamiento eléctrico que comprende dos elementos fundamentales:
a) un medio gaseoso formado por una mezcla de i) una o más hidrofluoroolefinas no inflamables con al menos 4 átomos de carbono y ii) uno o más gases portadores seleccionados de N2 , O2 , aire seco, helio, CO2 o mezclas de los mismos; y
b) un agente desecante en el que el agente desecante es un tamiz molecular con un tamaño de poro de 3 a 6 A y una superficie polar. Las hidrofluoroolefinas con al menos 4 átomos de carbono son cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzZ), trans-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzE) o una combinación de ambos. Asimismo, la invención se refiere al uso del sistema de aislamiento eléctrico y a la aparamenta eléctrica de media o alta tensión que comprende un área cerrada en cuyo interior se encuentran componentes eléctricos en tensión y un sistema de aislamiento eléctrico según la invención.
Antecedentes de la invención
El aislamiento eléctrico en los dispositivos de media y alta tensión se garantiza normalmente por medio del uso de un gas dieléctrico que se introduce en un recipiente cerrado y hermético en el que se encuentran los componentes en tensión de los dispositivos eléctricos.
El gas dieléctrico más ampliamente usado en los últimos años es el gas SF6 debido a sus excelentes propiedades dieléctricas y, entre otras muchas ventajas, debido a que no es tóxico para los seres humanos. Sin embargo, este gas presenta un impacto medioambiental significativo debido a su alto potencial de calentamiento global (PCG = 22.800).
Por esta razón, en los últimos años se han estado buscando gases alternativos que puedan sustituir a este gas en este tipo de dispositivos. Se han barajado diferentes gases alternativos al SF6 con buenas propiedades dieléctricas, pero, por una u otra razón (toxicidad no aceptable, alto potencial de calentamiento global, inflamabilidad, etc.), no se han implantado finalmente.
Asimismo, el uso como medio dieléctrico en estos dispositivos únicamente de gases más respetuosos con el medio ambiente, tales como el aire seco, el N2 , el O2 o el CO2, supondría un considerable aumento del tamaño de estos dispositivos para un nivel de tensión determinado, debido a la menor resistencia dieléctrica de estos gases en comparación con el SF6. Otra opción, en este caso, sería aumentar la presión de llenado de los dispositivos hasta valores superiores a los usados con el SF6 (aproximadamente 0,13 MPa), pero esto implicaría adaptar el diseño al cumplimiento de las distintas normativas nacionales existentes para recipientes con presiones superiores a 0,15 MPa, con el consiguiente aumento de coste del dispositivo.
Una alternativa es el uso de fluorocetonas no solo porque tienen una buena resistencia dieléctrica, sino también porque algunas de ellas no son tóxicas para el ser humano y presentan un impacto medioambiental muy inferior al del gas SF6. De hecho, los documentos WO 2010/1460022 y Wo 2010/142346 ya describen el uso de fluorocetonas para el aislamiento eléctrico en dispositivos de media y alta tensión.
Otros documentos, tales como WO 2012/160158 y WO 2012/160155, describen mezclas de fluorocetonas con gases portadores, tales como el CO2, el N2, el O2 , o el aire o mezclas de los mismos.
Otro problema que afecta negativamente a la capacidad dieléctrica de los sistemas gaseosos de aislamiento es la presencia de moléculas de agua procedentes de los materiales con los que se fabrican algunos componentes eléctricos de la aparamenta. El agua puede aparecer en el área cerrada y estanca de la aparamenta en la que se encuentra el gas aislante porque algunos materiales termoplásticos usados en la fabricación de componentes eléctricos, tales como, por ejemplo, las poliamidas, pueden contener agua en su interior. Por ejemplo, en el caso de las poliamidas, estas pueden tener absorbido entre el 4,5 y el 7,5 % en peso de agua.
La presencia de agua en el medio gaseoso hace que se reduzcan las propiedades dieléctricas del mismo, por lo que se debe evitar su presencia. Con el fin de solventar el problema del agua presente en el interior de la aparamenta eléctrica, se han usado agentes desecantes y también tamices moleculares. Un tamiz molecular es un material que contiene poros pequeños de un tamaño preciso y uniforme y que se usa como agente adsorbente para gases y líquidos. Las moléculas que son lo suficientemente pequeñas como para pasar a través de los poros son adsorbidas, mientras que las moléculas mayores no. A diferencia de un filtro, el procedimiento opera a nivel molecular. Por ejemplo, una molécula de agua puede ser lo suficientemente pequeña como para pasar, mientras que otras moléculas más grandes no pueden hacerlo.
En sistemas de aislamiento con gas SF6 como único gas aislante, la separación del agua es relativamente sencilla por medio de tamices moleculares, dado que el tamaño de la molécula de SF6 es sustancialmente mayor que el de la molécula de agua y, por lo tanto, la selección por tamaños de molécula no representa un problema significativo. Sin embargo, este problema no es tan fácil de resolver en sistemas gaseosos de aislamiento en los que existen moléculas de tamaños comparables a los de la molécula de agua, tales como, por ejemplo, los gases portadores, tales como el N2 , el CO2, el aire seco junto con aislantes, tales como fluorocetonas. En este tipo de aislantes dieléctricos, los gases que actúan como portadores (CO2 , N2 , aire, O2, etc.) tienen tamaños moleculares similares a los de la molécula de agua y los tamices pueden adsorber parte de estos gases en vez de las moléculas de agua. En el documento WO 2016/116637, los autores de la presente invención resolvieron este problema mediante un medio gaseoso formado por una o más fluorocetonas, otro gas dieléctrico adicional, particularmente fluoronitrilo, y por uno o más gases portadores y un tamiz molecular de unas determinadas características.
Sigue existiendo la necesidad de desarrollar sistemas de aislamiento para aparamenta eléctrica de media y alta tensión a base de gases o mezclas de gases que permitan, además de ejercer su función principal de aislamiento eléctrico, proporcionar características mejoradas en cuanto a seguridad, impacto medioambiental o durabilidad, que aumenten la versatilidad de los sistemas de aislamiento existentes y permitan aumentar la adaptabilidad de los sistemas de aislamiento al mayor número de condiciones de trabajo posible a las que se puedan ver sometidos los sistemas o la aparamenta de media y alta tensión.
Otra alternativa son los sistemas a base de mezclas de fluorocetonas e hidrofluoroolefinas, ambos gases con una alta resistencia dieléctrica, en combinación con gases portadores, tales como el N2 , el CO2 o el aire seco. El documento WO 2013/041695 describe medios gaseosos de aislamiento eléctrico a base de mezclas compuestas por una hidrofluoroolefina con 3 átomos de carbono, tal como, por ejemplo, HFO-1234ze o HFO-1234yf, y una fluorocetona con 5 átomos de carbono, con gases portadores, tales como, por ejemplo, el N2. El documento WO 2013/004796 describe medios gaseosos de aislamiento eléctrico a base de mezclas compuestas por una hidrofluoroolefina con 3 átomos de carbono, tal como, por ejemplo, HFO-1234ze o HFO-1234yf, con gases portadores, tales como, por ejemplo, el N2. También existen alternativas a base de fluoroolefinas, tales como octafluorobuteno, como se describe en el documento WO 2017/162578, así como alternativas a base de hexafluorobuteno, tal como en el documento US2018/0247779.
Las hidrofluoroolefinas con 3 átomos de carbono HFO-1234ze o HFO-1234yf tienen, sin embargo, el problema de que pueden ser inflamables a determinadas concentraciones y temperaturas operativas de la aparamenta eléctrica de media y alta tensión a la que se dirigen los sistemas de aislamiento descritos en el presente documento.
Además, existe otro problema asociado al uso de fluorocetonas en estos sistemas de aislamiento eléctrico. Cuando las fluorocetonas se usan en combinación con tamices moleculares con el objetivo de reducir al mínimo la cantidad de agua residual en el medio gaseoso, hay un cierto riesgo de que parte del agua que se adsorbe en el tamiz molecular no migre al interior del material del tamiz molecular y que permanezca adsorbida en su superficie exterior, como se indica en el documento WO 2016/113292. Este agua adsorbida en la superficie exterior del tamiz molecular puede reaccionar con las fluorocetonas y dar lugar a una reacción en cascada y, como consecuencia de ello, a la degradación de parte de la fluorocetona, la aparición de productos de descomposición no deseados y a una reducción de las propiedades aislantes o de extinción de arco del medio gaseoso inicial.
Los autores de la presente invención han desarrollado un sistema de aislamiento eléctrico para aparamenta de media y alta tensión a base de una mezcla libre de fluorocetonas y compuesta por una o más hidrofluoroolefinas no inflamables con al menos 4 átomos de carbono seleccionadas de cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzZ), trans-1,1,1,4,4,4- hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzE) o una combinación de ambos y uno o más gases portadores (tales como N2, O2, CO2 , helio o aire seco) y al menos un agente desecante en el que el agente desecante es un tamiz molecular con un tamaño de poro de 3 a 6 A y una superficie polar.
El sistema de aislamiento eléctrico para aparamenta de media y alta tensión de la presente invención mejora la resistencia dieléctrica de los sistemas anteriormente descritos y, adicionalmente, permite que la capacidad de aislamiento dieléctrico no se vea afectada por la presencia de agua que pueda aparecer en el interior del recipiente cerrado de dicha aparamenta eléctrica, en la que se encuentran los componentes eléctricos aislados con los gases dieléctricos. Además, el sistema de la presente invención posee excelentes características medioambientales, una alta seguridad (debido a que no es inflamable) y una muy baja toxicidad.
Objeto de la invención
Por lo tanto, un objeto de la invención es un sistema de aislamiento eléctrico de bajo impacto medioambiental para aparamenta eléctrica de media o alta tensión que representa una solución a los problemas expuestos anteriormente. De manera más particular, el objeto principal de la presente invención es un sistema de aislamiento eléctrico para aparamenta eléctrica de media o alta tensión, que comprende:
a) un medio gaseoso formado por una mezcla de:
i. una o más hidrofluoroolefinas no inflamables con al menos 4 átomos de carbono; y
ii. uno o más gases portadores seleccionados de N2 , O2 , aire seco, helio, CO2 o mezclas de los mismos; b) un agente desecante en el que el agente desecante es un tamiz molecular con un tamaño de poro de 3 a 6 A y una superficie polar,
en el que las hidrofluoroolefinas con al menos 4 átomos de carbono son cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzZ), trans-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzE) o una combinación de ambos.
Otro objeto de la invención es el uso del sistema de aislamiento eléctrico de la invención para el aislamiento eléctrico y/o para la extinción de arcos eléctricos en aparamenta eléctrica de media o alta tensión.
Un objeto adicional de la invención es un procedimiento para el aislamiento eléctrico y/o la extinción de arcos eléctricos en aparamenta eléctrica de media y alta tensión que comprende la introducción del sistema de aislamiento eléctrico en un recipiente cerrado y hermético en el que se localicen los componentes eléctricos en tensión de dicha aparamenta eléctrica de media o alta tensión.
Un último objeto de la presente invención es una aparamenta eléctrica de media o alta tensión que comprende un recipiente cerrado en cuyo interior se encuentren componentes eléctricos en tensión y un sistema de aislamiento eléctrico de acuerdo con la presente invención.
Breve descripción de las figuras
Figura 1: representación de la estructura de la zeolita A.
Figura 2: representación de la localización de los cationes de sodio en la estructura A de la zeolita.
Figura 3: dispositivo BAUR DTA-100E que sirve para la determinación de la resistencia dieléctrica de sistemas gaseosos de aislamiento eléctrico.
Descripción detallada de la invención
Un primer objeto de la invención se refiere a un sistema de aislamiento eléctrico para aparamenta eléctrica de media o alta tensión, que comprende:
a) un medio gaseoso formado por una mezcla de:
i. una o más hidrofluoroolefinas no inflamables con al menos 4 átomos de carbono; y
ii. uno o más gases portadores seleccionados de N2 , O2 , aire seco, helio, CO2 o mezclas de los mismos; b) un agente desecante en el que el agente desecante es un tamiz molecular con un tamaño de poro de 3 a 6 A y una superficie polar,
en el que las hidrofluoroolefinas con al menos 4 átomos de carbono son cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzZ), trans-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzE) o una combinación de ambos.
El primer elemento del sistema de aislamiento eléctrico de la invención es el medio gaseoso.
El elemento esencial del medio gaseoso serían las hidrofluoroolefinas con al menos 4 átomos de carbono.
El trans-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzE) y el cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzZ) se caracterizan por tener un potencial de calentamiento global muy bajo, concretamente la HFO-1336mzzZ tiene un PCG de 2 y la HFO-1336mzzE tiene un PCG de 18, y sus niveles de toxicidad son suficientemente bajos como para poder aplicarse de forma segura en dispositivos eléctricos de media y alta tensión. Por ejemplo, el valor límite ambiental de exposición diaria, VLA-ED (8 horas), en el caso de la hidrofluoroolefina HFO-1336mzzZ es de 500 ppmvy en el caso de la hidrofluoroolefina HFO-1336mzzE es de 400 ppmv.
No obstante, asimismo, una ventaja especialmente relevante de las hidrofluoroolefinas con al menos 4 átomos de carbono y, de manera particular, tanto de la hidrofluoroolefina HFO-1336mzzZ como de la HFO-1336mzzE es que no son inflamables, es decir, no presentan límites de inflamabilidad a las temperaturas operativas normales de los dispositivos eléctricos de media y alta tensión. A diferencia de las hidrofluoroolefinas con 3 átomos de carbono que sí presentan límites de inflamabilidad a dichas temperaturas. Así, por ejemplo, la hidrofluoroolefina con 3 átomos de carbono HFO-1234yf presenta a 21 °C un límite inferior de inflamabilidad del 6,2% (% en volumen de aire) y un límite superior de inflamabilidad del 12,3% (% en volumen de aire) según la norma ASTM E681-01. La hidrofluoroolefina con 3 átomos de carbono HFO-1234zeE no presenta límites de inflamabilidad a 21 °C, pero sí por encima de 30 °C, de tal manera que, por ejemplo, a 60 °C el límite inferior de inflamabilidad es del 5,7 % (% en volumen de aire) y el límite superior de inflamabilidad es del 11,3 % (% en volumen de aire) según la norma ASTM E681-01. Esto hace que los sistemas a base de mezclas con hidrofluoroolefinas con 3 átomos de carbono, tales como la anteriormente mencionada, no sean seguros a determinadas condiciones de trabajo. Por ejemplo, de los datos anteriores, se deduce que una mezcla formada por HFO-1234zeE al 8 % en aire seco sería inflamable a 60 °C, mientras que la mezcla con un HFO-1336mzzE al 8 % en aire seco no sería inflamable a 60 °C.
Por lo tanto, el uso de hidrofluoroolefinas con al menos 4 átomos de carbono permite que el sistema de la presente invención tenga un grado de seguridad superior a los descritos en el documento WO 2013/004796.
A pesar de ello, en una realización particular de la invención, la mezcla gaseosa del sistema de la invención puede comprender una o más hidrofluoroolefinas con 3 átomos de carbono en porcentajes fuera de su intervalo de inflamabilidad. La introducción de estas hidrofluoroolefinas con 3 átomos de carbono en porcentajes fuera de su intervalo de inflamabilidad no afecta a la seguridad de la mezcla, pero se ha observado que sí permite aumentar la resistencia dieléctrica. Preferentemente, la hidrofluoroolefina con 3 átomos de carbono que se puede añadir a la mezcla gaseosa de la invención estrans-1,3,3,3-tetrafluoropropeno (HFO-1234zeE).
El último elemento de la mezcla gaseosa del sistema de aislamiento eléctrico de la invención es el/los gas/es portador/es. Como gases portadores se conocen los gases usados para diluir la/s hidrofluoroolefina/s y que, aunque poseen una resistencia dieléctrica menor, permiten que el medio gaseoso se comporte como tal a bajas temperaturas. Por otro lado, estos normalmente son gases completamente inocuos (no tóxicos) y, generalmente, tienen un impacto medioambiental reducido. Los gases portadores pueden ser variados, tales como N2, O2, aire seco, helio, CO2 o mezclas de los mismos. De manera particular y preferida, los gases portadores se seleccionan en el sistema de la presente invención de entre N2, O2, aire seco o mezclas de los mismos.
Una realización particular y preferente de la invención se refiere a un sistema de aislamiento eléctrico en el que la mezcla gaseosa comprende una o más hidrofluoroolefinas no inflamables con al menos 4 átomos de carbono y uno o más gases portadores. En esta realización, los gases portadores se seleccionan preferentemente de entre N2 , O2, aire seco o mezclas de los mismos.
La resistencia dieléctrica total de la mezcla gaseosa vendrá influenciada por la cantidad de hidrofluoroolefina o hidrofluoroolefinas con al menos 4 átomos de carbono (y, opcionalmente, de la hidrofluoroolefina con 3 átomos de carbono), de tal manera que cuanta más hidrofluoroolefina o hidrofluoroolefinas haya en la mezcla gaseosa, mayor será su resistencia dieléctrica.
Sin embargo, la cantidad de hidrofluoroolefina con al menos 4 átomos de carbono en la mezcla gaseosa viene condicionada por la temperatura operativa mínima de la aparamenta en la que se vaya a usar. De manera general, cuanto menor sea la temperatura operativa mínima de la aparamenta eléctrica, menor cantidad de hidrofluoroolefinas con al menos 4 átomos de carbono se podrá meter en la mezcla gaseosa, ya que resulta deseable evitar su condensación parcial a bajas temperaturas.
El otro elemento fundamental del sistema de aislamiento eléctrico de la invención, aparte del medio gaseoso, es el agente desecante.
El agente desecante es un agente adsorbente. La adsorción se produce cuando una sustancia, en este caso, el agua, se mantiene dentro de otra por enlaces físicos intermoleculares relativamente débiles (por ejemplo, fuerzas de Van der Waals, interacciones electrostáticas). En la presente invención, el agente desecante es un tamiz molecular. El uso de agentes desecantes en el sistema de aislamiento eléctrico de la invención se justifica por la necesidad de retener las moléculas de agua presentes en los materiales de algunos componentes que forman la aparamenta eléctrica, dado que la presencia de dichas moléculas afecta negativamente a la resistencia dieléctrica y, por lo tanto, a la capacidad como aislante de la mezcla gaseosa con hidrofluoroolefinas.
El agente desecante es un tamiz molecular con un tamaño de poro de 3 a 6 A (preferentemente, de 3 a 4 A) y una superficie polar. Un tamiz molecular, como ya se ha mencionado anteriormente, es un material que contiene poros pequeños de un tamaño preciso y uniforme que se usa como adsorbente para gases y para líquidos. Los tamices moleculares son capaces de discriminar a nivel de tamaño molecular, de tal manera las moléculas que son lo suficientemente pequeñas como para pasar a través de los poros son adsorbidas, mientras que las moléculas mayores no lo son.
Los tamices moleculares también tienen una gran capacidad de adsorción de agua que, en algunos casos, puede llegar hasta el 22 % de su propio peso en agua. No obstante, debido al hecho de que las moléculas de los gases portadores (N2 , O2 , aire seco o helio) de la mezcla gaseosa del sistema de aislamiento tienen un tamaño molecular similar al de la molécula de agua, es necesario que el tamiz molecular tenga capacidad para separar selectivamente las moléculas de agua de las de estos gases. El uso de un tamiz molecular con un tamaño de poro de 3 a 6 A (preferentemente, de 3 a 4 A) y una superficie polar permite hacer esta discriminación y adsorber selectivamente las moléculas de agua con respecto a las moléculas de N2, O2 , aire seco, CO2 o helio, haciendo que el sistema de aislamiento eléctrico de la invención no vea alterada o deteriorada su resistencia dieléctrica.
Esta capacidad selectiva hacia el agua de los tamices moleculares proviene no solo del tamaño del poro, sino, además y especialmente, en el caso de moléculas con un tamaño similar al del agua, de la superficie polar de los tamices moleculares. El hecho de que la superficie sea polar hace que atraiga con más intensidad aquellas moléculas más polares con preferencia sobre las menos polares.
La Tabla 1 describe tanto el tamaño como la polaridad de determinadas moléculas:
Tabla 1.
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A partir de estos datos, es fácil entender que, por ejemplo, será fácil discriminar por tamaño la adsorción de las moléculas de agua con respecto a las moléculas de, por ejemplo, SF6, fluorocetona o hidrofluoroolefina. Sin embargo, no es tan fácil con respecto a las moléculas de los gases portadores, tales como helio, O2, N2, CO2 o aire, cuyos tamaños son parecidos. Con respecto a estas moléculas, la polaridad del agua es mucho más relevante que la de los otros gases portadores. Esta característica de las moléculas de agua es la que hace que estas sean adsorbidas de manera preferente con respecto al resto, cuando la superficie del tamiz es polar.
Hay tamices moleculares de diferente naturaleza, tales como las zeolitas, que son aluminosilicatos, vidrios porosos, arcillas, carbones microporosos, carbones activados, etc. En principio, cualquier tamiz molecular es apropiado para su uso en el sistema de aislamiento eléctrico de la invención, siempre y cuando cumpla con que el tamaño de poro sea de entre 3 a 6 A, preferentemente de entre 3 a 4 A, y posea una superficie polar.
En una realización particular, el tamiz molecular es un tamiz de zeolita. La zeolita puede ser natural y, preferentemente, zeolita sintética. Las zeolitas son aluminosilicatos que pueden presentar diferentes estructuras, tales como la zeolita A, zeolita X, zeolita Y, etc.
La zeolita preferida tiene estructura A. En la Figura 1, se puede observar la estructura de la Zeolita A. Los átomos de aluminio, silicio y oxígeno se asocian para formar unos octaedros truncados denominados jaulas de sodalita. Las jaulas de sodalita se combinan en la Zeolita A en forma de cubo simple, dejando un espacio interior denominado jaula a con una cavidad de 11,5 A de diámetro accesible desde las aperturas de los seis lados del cubo. Estas entradas están rodeadas por 8 átomos de oxígeno y uno o más cationes intercambiables bloquean parcialmente el área frontal. Cuando los cationes son de Sodio (Na+) (véase la Figura 2), el anillo de átomos de oxígeno proporciona una “ventana” de 4,2 A de diámetro para entrar al interior de la estructura (jaula a). Los cationes de sodio pueden ser parcialmente sustituidos por otros cationes en zeolitas sintéticas, tales como, por ejemplo, por potasio (K+) o calcio (Ca2+), dando lugar a aperturas de 3 A y 5 A, respectivamente.
Además de contribuir a determinar el diámetro de apertura de los poros que, sin duda, es de relevancia en la discriminación molecular de los gases adsorbidos por las zeolitas, contribuyen a que haya en la estructura cristalina de la zeolita cargas positivas y negativas rígidamente establecidas que dan como resultado una distribución desigual de las cargas, lo que crea que la superficie sea polar. Esta característica de la zeolita es precisamente la que permite adsorber preferentemente moléculas de agua con respecto a otras moléculas de gases portadores, tales como N2, O2, aire seco o helio.
Otro objeto adicional de la invención viene representado por el uso de un sistema de aislamiento eléctrico, como el anteriormente descrito para el aislamiento eléctrico y/o para la extinción de arcos eléctricos en aparamenta eléctrica de media o alta tensión.
El medio gaseoso que comprende una mezcla de una o más hidrofluoroolefinas no inflamables con al menos 4 átomos de carbono y uno o más gases portadores (y, opcionalmente, además, una o más hidrofluoroolefinas con 3 átomos de carbono usando unos porcentajes de las mismas fuera de sus límites de inflamabilidad) proporciona una resistencia dieléctrica al sistema que el agente desecante se encarga de mantener, debido a su capacidad para adsorber las moléculas de agua que pueden aparecer en el medio gaseoso procedentes de algunos de los elementos de la aparamenta eléctrica de media y alta tensión que se encuentran en el recipiente cerrado y hermético de dicha aparamenta. Es por esta razón que el sistema de la invención es de gran utilidad en el aislamiento eléctrico y es capaz de extinguir arcos eléctricos en este tipo de aparamenta eléctrica.
Otro objeto adicional de la invención de alguna manera relacionado con el uso del sistema de aislamiento eléctrico de la invención se refiere a un procedimiento para el aislamiento eléctrico y/o la extinción de arcos eléctricos en aparamenta eléctrica de alta y media tensión que comprende la introducción de un sistema de aislamiento eléctrico, que comprende:
a) un medio gaseoso formado por una mezcla de:
i. una o más hidrofluoroolefinas no inflamables con al menos 4 átomos de carbono; y
ii. uno o más gases portadores seleccionados de N2 , O2 , aire seco, helio, CO2 o mezclas de los mismos; b) un agente desecante en el que el agente desecante es un tamiz molecular con un tamaño de poro de 3 a 6 A y una superficie polar y en el que las hidrofluoroolefinas con al menos 4 átomos de carbono son cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-l336mzzZ), trans-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzE) o una combinación de ambos.
Un recipiente cerrado y hermético en el que se encuentran los elementos a aislar de dicha aparamenta eléctrica de media o alta tensión.
En una realización particular del procedimiento descrito anteriormente, la mezcla gaseosa puede comprender una o más hidrofluoroolefinas con 3 átomos de carbono en porcentajes fuera de su intervalo de inflamabilidad.
Con el fin de llevar a cabo el procedimiento, inicialmente se colocan dentro del recipiente una o más bolsas permeables a los gases y que contienen el/los agente/s desecante/s. A continuación, se cierra el recipiente, de tal manera que sea perfectamente hermético, y se le hace vacío. Posteriormente, se introducen la mezcla gaseosa con la/s hidrofluoroolefina/s no inflamable/s con al menos 4 átomos de carbono (y, opcionalmente, una o más hidrofluoroolefinas con 3 átomos de carbono, usando unos porcentajes de las mismas fuera de sus límites de inflamabilidad) y el/los gas/es portador/es hasta alcanzar la presión deseada.
Un último objeto de la invención se refiere a una aparamenta eléctrica de media o alta tensión que comprende un recipiente cerrado, en cuyo interior se encuentran componentes eléctricos en tensión y un sistema de aislamiento eléctrico que comprende:
a) un medio gaseoso formado por una mezcla de:
i. una o más hidrofluoroolefinas no inflamables con al menos 4 átomos de carbono (y, opcionalmente, una o más hidrofluoroolefinas con 3 átomos de carbono, en porcentajes fuera de sus límites de inflamabilidad); y ii. uno o más gases portadores seleccionados de N2 , O2 , aire seco, helio, CO2 o mezclas de los mismos; b) un agente desecante en el que el agente desecante es un tamiz molecular con un tamaño de poro de 3 a 6 A y una superficie polar y en el que las hidrofluoroolefinas con al menos 4 átomos de carbono son cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-l336mzzZ), trans-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzE) o una combinación de ambos.
La Figura 3 es un sistema de ensayo para la determinación experimental de la resistencia dieléctrica de sistemas gaseosos de aislamiento.
En una realización particular de la invención, dicha aparamenta puede ser una celda de distribución secundaria para redes de distribución eléctrica de hasta 72 kV.
A continuación, se presentan ejemplos que permiten entender las posibles realizaciones de la invención:
Ejemplo 1: exposición detallada de las realizaciones de la invención
Como realización preferente de la presente invención, se propone un sistema de aislamiento eléctrico dentro de un recipiente cerrado y hermético que forma parte de una aparamenta eléctrica de media o alta tensión, que comprende uno o más agentes desecantes, preferentemente óxido de calcio, un tamiz molecular zeolítico con un tamaño de entre 3 a 6 A, preferentemente entre 3 A y 4 A, o una mezcla de ambos y, además, una mezcla gaseosa que comprende:
a) al menos una hidrofluoroolefina no inflamable con cuatro átomos de carbono, tal como, por ejemplo, la HFO-1336mzzE o la HFO-1336mzzZ
b) y, además, otro gas o gases portadores, tales como, por ejemplo, N2, aire seco, O2, CO2,o helio o cualquier combinación de los mismos.
La presencia en la mezcla gaseosa de una o más hidrofluoroolefinas no inflamables con al menos 4 átomos de carbono, tales como la HFO-1336mzzE o la HFO-1336mzzZ, permite aumentar de manera sustancial la resistencia dieléctrica de la mezcla sin afectar negativamente a otros parámetros operativos.
La resistencia dieléctrica del sistema de aislamiento, además de verse mejorada por la presencia de uno o más agentes desecantes debido a la reducción de agua en el mismo, también vendrá influenciada por el porcentaje de hidrofluoroolefina o hidrofluoroolefinas con al menos 4 átomos de carbono usadas en la mezcla gaseosa. De tal manera que cuanta más hidrofluoroolefina con al menos 4 átomos de carbono haya en la mezcla gaseosa, mayor será su resistencia dieléctrica, para una presión final de llenado determinada. Sin embargo, como se ha mencionado anteriormente, la cantidad de hidrofluoroolefina con al menos 4 átomos de carbono en la mezcla gaseosa viene condicionada por la temperatura operativa mínima de la aparamenta si se va a evitar su condensación a bajas temperaturas (lo que conllevaría una reducción de las propiedades dieléctricas de la mezcla gaseosa a esas bajas temperaturas).
En las siguientes tablas, se muestran los valores de fracción molar de las hidrofluoroolefinas HFO-1336mzzZ y HFO-1336mzzE que se podrían usar en la mezcla gaseosa sin que se produjera una condensación de las mismas para diferentes temperaturas operativas mínimas de la aparamenta, suponiendo una temperatura de llenado de la aparamenta de 20 °C y con una presión total de llenado de la mezcla de 0,14 MPa.
Tabla 2. Mezclas con HFO-1336mzzZ
Figure imgf000008_0001
Tabla 3. Mezclas con HFO-1336mzzE
Figure imgf000008_0002
en las que:
Pvs,HFOZ y Pvs,HFOE son las presiones de vapor de saturación de las hidrofluoroolefinas HFO-1336mzzZ y HFO-1336mzzE a diferentes valores de temperatura,
P,HFOZ y P,HFOE son los valores de presión de las hidrofluoroolefinas HFO-1336mzzZ y HFO-1336mzzE en la aparamenta a la temperatura de llenado de 20 °C (P, HFOZ = Pvs, HFOZ x 293,15/Tmín(K))
X,HFOZ y X,HFOE son las fracciones molares de las hidrofluoroolefinas HFO-1336mzzZ y HFO-1336mzzE en la mezcla final (para una presión de llenado final de 0,14 MPa) que se podrían usar sin que se produjera una condensación de las mismas incluso a la temperatura operativa mínima de la aparamenta.
Por ejemplo, en una aparamenta de media tensión con una presión de llenado a 20 °C de 0,14 MPa y con una temperatura operativa mínima de -10 °C, se podría usar lo siguiente:
a) una mezcla de N2 (o aire seco, o O2 o helio o una mezcla de los mismos) con HFO-1336mzzZ al 11,86 %, b) o bien una mezcla de N2 (o aire seco, o O2 o helio o una mezcla de los mismos) con HFO-1336mzE al 38.99 %,
c) o bien una mezcla de N2 (o aire seco, o O2 o helio o una mezcla de los mismos) con HFO-1336mzzE al 38.99 % y HFO-1336mzzZ al 11,86 %,
sin que se produjera una condensación de las hidrofluoroolefinas hasta -10 °C.
Por debajo de esa temperatura de -10 °C, las hidrofluoroolefinas empezarían a condensarse parcialmente, reduciéndose su porcentaje en la mezcla gaseosa y, por lo tanto, disminuyendo la resistencia dieléctrica del sistema de aislamiento inicial.
De la misma manera, en una aparamenta de media tensión con una presión de llenado a 20 °C de 0,14 MPa y con una temperatura operativa mínima de -20 °C, se podría usar lo siguiente:
a) una mezcla de N2 (o aire seco, o O2 o helio o una mezcla de los mismos) con HFO-1336mzzZ al 7,06 %, b) o bien una mezcla de N2 (o aire seco, o O2 o helio o una mezcla de los mismos) con HFO-1336mzE al 23,99 % c) o bien una mezcla de N2 (o aire seco, o O2 o helio o una mezcla de los mismos) con HFO-1336mzE al 23,99 % y HFO-1336mzzZ al 7,06 %,
sin que se produjera una condensación de las hidrofluoroolefinas hasta -20 °C.
Por debajo de esa temperatura de -20 °C, las hidrofluoroolefinas empezarían a condensarse parcialmente, reduciéndose su porcentaje en la mezcla gaseosa y, por lo tanto, disminuyendo la resistencia dieléctrica inicial del sistema de aislamiento.
Y así sucesivamente para otras temperaturas operativas mínimas de la aparamenta.
Si las presiones finales de la mezcla en la aparamenta fueran diferentes a 0,14 MPa, los porcentajes de HFO-1336mzzZ y de HFO-1336mzzE también se verían modificados de forma acorde y de acuerdo con la siguiente fórmula:
X,HFOZ = P,HFOZ / Pmezcla total
X,HFOE = P,HFOE / Pmezcla total
siendo Pmezcla total la presión final de la mezcla. Si, en el momento del llenado de la aparamenta, se usan mayores porcentajes de hidrofluoroolefinas en las mezclas que los indicados para cada temperatura, lógicamente, la resistencia dieléctrica será mayor, pero habrá que tener en consideración que, a las temperaturas operativas mínimas, la resistencia dieléctrica del sistema de aislamiento se vería reducida y sería menor que si se hubieran usado los porcentajes de hidrofluoroolefinas indicados en las Tablas 2 y 3 para cada temperatura, debido a la condensación de parte de la hidrofluoroolefina o las hidrofluoroolefinas.
Ejemplo 2: ensayo de resistencia dieléctrica de mezclas gaseosas
Se evaluó la resistencia dieléctrica de diferentes mezclas gaseosas midiendo la “tensión de ruptura dieléctrica” en un dispositivo BAUR DTA-100E equipado con una celda para ensayo de gases con dos electrodos según la norma ASTM D2477 (uno de los 5 electrodos es un disco con cara plana de 3,81 cm de diámetro y el otro electrodo es una bola esférica de 1,90 cm de diámetro) y con una distancia entre electrodos de 8 mm.
Las mezclas gaseosas analizadas fueron las siguientes:
a) 0,14 MPa de aire seco
b) 0,14 MPa de mezcla de aire seco HFO-1336mzzZ al 4,0 %
c) 0,14 MPa de mezcla de aire seco HFO-1336mzzZ al 5,4 %
d) 0,14 MPa de mezcla de aire seco HFO-1336mzzZ al 7,0 %
e) 0,14 MPa de mezcla de aire seco HFO-1336mzzE al 13,7 %
f) 0,14 MPa de mezcla de aire seco HFO-1336mzzE al 17,3 %
g) 0,14 MPa de mezcla de aire seco HFO-1336mzzE al 23,1 %
h) 0,14 MPa de mezcla de aire seco HFO-1336mzzE al 13,7 %+ HFO-1234zeE al 15,2 %
Los resultados de estos ensayos se muestran en la Tabla 4:
Tabla 4: valores de tensión de ruptura dieléctrica de las mezclas gaseosas
Figure imgf000009_0001
continuación
Figure imgf000010_0001
Como se puede observar en el penúltimo registro de la Tabla 4, una mezcla de aire seco con el 23,1 % de hidrofluoroolefina HFO-1336mzzE permite casi duplicar la tensión de ruptura dieléctrica del aire seco a la misma presión de 0,14 MPa, lo que hace que una mezcla gaseosa de estas características sea idónea para aplicaciones de aislamiento eléctrico en aparamenta eléctrica de media o alta tensión. Asimismo, se puede observar cómo la adición del 15,2% de HFO-1234zeE a una mezcla con el 13,7% de HFO-1336mzzE aire seco también aumenta la resistencia dieléctrica en aproximadamente el 8,5 %.
Ejemplo 3: impacto medioambiental (efecto invernadero) de un ejemplo de una mezcla gaseosa
El potencial de calentamiento global (PCG) de una mezcla gaseosa se calcula, según lo indicado en la Normativa Europea de gases fluorados de efecto invernadero, como el promedio en peso derivado de la suma de las fracciones en peso de cada una de las sustancias multiplicado por su valor de PCG.
De esta forma:
a) el potencial de calentamiento global (PCG) de una mezcla con el 17 % de HFO-1336mzzE y el 83 % de aire seco sería de 9,66, es decir, el 0,0424 % del potencial de calentamiento global (PCG) del gas s F6 que es 22.800 (teniendo en cuenta que el PCG de la HFO-1336mzzE es de18 y que el peso molecular de la HFO-1336mzzE es de 164 y el del aire seco es de 29).
b) el potencial de calentamiento global (PCG) de una mezcla con el 6 % de HFO-1336mzzZ y el 94 % de aire seco sería de 0,53, es decir, el 0,0023 % del potencial de calentamiento global (PCG) del gas SF6 que es 22.800 (teniendo en cuenta que el PCG de la HFO-1336mzzZ es de 2 y que el peso molecular de la HFO-1336mzzZ es de 164 y el del aire seco es de 29).

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de aislamiento eléctrico con bajo impacto medioambiental para aparamenta eléctrica de media o alta tensión, que comprende:
a) un medio gaseoso formado por una mezcla de:
i. una o más hidrofluoroolefinas no inflamables con al menos 4 átomos de carbono; y
ii. uno o más gases portadores seleccionados de N2 , O2 , aire seco, helio, CO2 o mezclas de los mismos; b) un agente desecante en el que el agente desecante es un tamiz molecular con un tamaño de poro de 3 a 6 A y una superficie polar
en el que las hidrofluoroolefinas con al menos 4 átomos de carbono son cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzZ), trans-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzzE) o una combinación de ambos.
2. El sistema de aislamiento eléctrico según las reivindicación 1, en el que el medio gaseoso comprende adicionalmente al menos una hidrofluoroolefina con 3 átomos de carbono.
3. El sistema según la reivindicación 2, en el que la hidrofluoroolefina con 3 átomos de carbono es trans-1,3,3,3-tetrafluoropropeno (HFO-1234zeE).
4. El sistema según las reivindicaciones 2 a 3, en el que los porcentajes de hidrofluoroolefina con 3 átomos de carbono en la mezcla se encuentran fuera de los límites de inflamabilidad de la misma.
5. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los gases portadores se seleccionan de aire seco, N2 y O2.
6. El sistema según cualquiera de la reivindicación 1, en el que el tamiz molecular tiene un tamaño de poro de 3 a 4 A.
7. El sistema según la reivindicación 1, en el que la fracción molar de la/s hidrofluoroolefina/s con al menos 4 átomos de carbono es de al menos el 1 %, o al menos el 2 %, o al menos el 5 %, o al menos el 10 % o al menos el 15 %.
8. Un uso de un sistema de aislamiento eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores para el aislamiento eléctrico y/o para la extinción de arcos eléctricos en aparamenta eléctrica de media o alta tensión.
9. Un procedimiento de aislamiento eléctrico y/o de extinción de arcos eléctricos en aparamenta eléctrica de media y alta tensión, que comprende la introducción del sistema de aislamiento eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 en un recipiente cerrado y hermético, en el que se sitúan los elementos a aislar de dicha aparamenta eléctrica de media o alta tensión.
10. Aparamenta eléctrica de media o alta tensión que comprende un recipiente cerrado, en cuyo interior hay componentes eléctricos en tensión y un sistema de aislamiento eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
11. La aparamenta eléctrica según la reivindicación 10, en la que la aparamenta puede ser aparamenta para la distribución de energía eléctrica en redes de hasta 72 kV.
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