Campo Eléctrico y Materiales Aislantes

Clasificación de campos eléctricosTipos de materiales Tipos de descarga eléctricaTipos de solicitaciónCálculos experimentales

Clasificación de campos eléctricos.Campo uniforme: aquel campo que se mantiene constante en módulo y dirección.

Campo in-homogéneo: existe cierta uniformidad del CE, pero no es constante en el espacio interelectródico, capacitor cilíndrico, capacitor esférico, espinterómetro de barras, etc. producen descargas corona antes de la descarga total.

Campo fuertemente in-homogéneo: se dan en puntas agudas, tensión de iniciación del corona es mucho menor al de la descarga total.

Aislamientos según el material:

Aislantes Eléctricos Gaseosos:

No tienen estructura cristalina.Autoregenerativos ante descargas.Rigidez dieléctrica controlable por al presión y temperatura.Mezclables.Permitividad unitaria.Bajo factor de pérdidas < 10-5 (Corriente resistiva /capacitiva)

Aislantes Eléctricos Líquidos:

Estructura cristalina débil.Alto grado de regeneración ante descargas.Alta capacidad de absorción y de transferencia térmica. Refrigerantes.Sensibles a la contaminación y a la degradación.Permitividades entre 2 y 100.Factor de pérdidas > 10-3

Aislantes Eléctricos Sólidos:Aislamiento térmico.Trabajan inmersos en medios gaseosos o líquidos.Elevada rigidez dieléctrica transversal.Baja rigidez dieléctrica de frontera o superficial. Baja capacidad de autoregeneración.Baja capacidad de transferencia térmica.Deterioro microscópico: térmico-mecánico-eléctrico-ambiental.Permitividades entre 2 y 10Factor de pérdidas > 10-3

Aislantes Eléctricos Sólidos:Bobina capacitiva:

Aluminio

Aislante

Aluminio

Aislante

Área enfrentada

Aislantes Eléctricos Sólidos:Bobina capacitiva:

Aislantes Eléctricos Sólidos:Bobina capacitiva:

Largo: 18,15 m

Ancho: 0,32 m

Sep: 0,000032 m

Cte. Dielec. 2,66

Tensión fase 7,97 kV, (sistema de 13,8 kV)

Potencia Reactiva 500 kVAr

Cap: necesaria 25,1uF

Capacidad = Largo x ancho x Permitividad = 4,25 uF

Separación

Aislantes Eléctricos Sólidos:

Bobina prensada

5,1 uF

Tensión fase 7,97 kV, Potencia Reactiva 500 kVAr

Cap. necesaria: 25,1uF

Capacidad = Largo x ancho x Permitividad = 4,25 uF

Separación

Total de bobinasSeries 4

Paralelos 18

23uF

Capacitor terminado

Bobinas capacitivas:

Tipos de descargas eléctricas

Descargas parciales:

La descarga no une los electrodos (que mantienen la diferencia de potencial), sino que la descarga se mantiene en las cercanías de uno o de

ambos electrodos. La corriente en estos casos es

controlable.

Descarga transversal:

La descarga disruptiva une completamente los electrodos

que mantienen una diferencia de potencial, la corriente se hace

incontrolable.

Mecanismo de descarga DCUna vez que se origina un electrón dentro de un CE aplicado

comienza un proceso de avalancha de electrones que van ionizando a los átomos neutros.

La avalancha forma un camino conductor entre los electrodos que produce le descarga disruptiva entre electrodos.

Para excitación estacionaria sirve la siguiente expresión:

Ud=Edi . d . Fd . er . ek

Fd: factor de distanciaer: factor de rugosidad de electrodos

ek: factor de forma del electrodo

Descargas en aire (AC)El proceso de descarga se produce en intervalos de tiempo de 10-6 a 10-8 s,

esto es una fracción muy pequeña del ciclo de 50 Hz, por lo tanto los mecanismos son similares a los de DC.

Descarga bajo tensión de impulsoLos fenómenos relevantes :-Aparición de electrones iniciadores.-Crecimiento temporal de electrones ionizantes.Para frecuencias muy altas, los electrones y iones comienzan a oscilar entre los electrodos.

El cálculo de la tensión de ruptura es probabilístico de acuerdo e una distribución doble exponencial

Consecuencias: pérdidas de energía, deterioro del material, interferencias en los sistemas de comunicación (RIV).

La descarga corona en campos homogéneos es seguida instantáneamente por la descarga completa.

Para campos no uniformes el campo máximo será menor que 5 veces el promedio del campo en el gap, se entiende entonces que antes de la descarga transversal aparecerá la descarga parcial corona en los sitios de campo máximo.

Cuanto más distorsionado este el campo eléctrico mayor será la diferencia de tensión de aparición del efecto corona y la tensión de ruptura transversal.

La distorsión del campo eléctrico se observa cuando los electrodos tienen terminaciones abruptas en relación con la distancia inter-electródica.

Descargas Corona

Formula de Peek:

A: densidad del aire r: radio del conductor [cm]

Calculo de campo de iniciación de corona para cilindros

En líneas de transmisión aéreas

E0 = 29,8 kV/cm (valor máximo) (r=2 m=0,79)

m: estado de la superficie del conductor: 0,5 - 0,8

( ) ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

⋅+⋅⋅⋅=

ArmAE 308,01310

Rigidez dieléctrica del aire

Se comprueba experimentalmente que la rigidez dieléctrica del aire depende de:

-la forma de los electrodo

-la distancia entre ellos

-la presión del aire

-tipo de solicitación aplicada

-otros parámetros que no se tratarán aquí

• La rigidez dieléctrica del aire para campo uniforme.- Electrodos formados por dos placas planas paralelas. - Separadas 1cm- Solicitación de tensión DC- Presión del aire de 760mmHg- Temperatura 20°C- Humedad menor de 80%

es de 32kV/cm

• La rigidez del aire disminuye rápidamente con la separación entre electrodos.

Campo Uniforme

0

20

40

60

80

100

0,010 0,100 1,000 10,000(a) cm

Rig

idez

Aire

kV/

cm

Fórmula aproximada: Ud= 2440 d + 61 (d)1/2

Ley de Paschen:

Esta ley se explica considerando la probabilidad de ionización de los electrones al recorrer el espacio entre electrodos:

Riguidez aire

0

400

800

1200

1600

2000

0 5 10 15 20 25 30 35pxd (kpa . m x 10-4)

volt

Rigidez del aire

Depende de la distancia entre electrodos

No depende de la superficie de aislamiento, rugosidad del material

Suciedad de la superficie

Humedad ambiente, (llegando a una rigidez parecida a la del aire para una humedad relativa del 0% con la superficie limpia).

Rigidez superficial

Pérdida de hidrofobicidad en

polímeros

05

101520253035404550

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Distancia entre electrodos [cm]

Rig

idez

[kV

/cm

]

campo uniforme Esferas D=5cm Esferas D=25cmEsferas D=100cm Esferas D=200cm barrasaislador porcelana aislador polimérico Fórmula

Rigidez Dieléctrica del aire y superficial.

Descarga eléctrica en Líquidos

Aceite de transformador.

Pureza del líquido.

Cantidad de agua y gases disueltos en el líquido.

La rigidez dieléctrica del aceite es aproximadamente 5 veces la del aire, puede variar desde los 200 hasta más de 1000 kV/cm

Aislación sólida

No regenerativos

Las descargas parciales envejecen al material y pueden provocar a largo plazo la descarga transversal

La temperatura

Ruptura longitudinal en las fronteras dieléctricas

Los parámetros dieléctricos fundamentales (permitividad, conductividad, factor de pérdidas) varías con la frecuencia de solicitación. (existe una frecuencia de relajación en donde las pérdidas son máximas).

Aislación sólida

Ejemplo del papel NOMEX y la relación entre Rigidez dieléctrica y humedad:

2,635,450

Cte. DieléctricaRigidez Dieléctrica kV/mm

Humedad

33,8

37,8

3,195

2,3Seco

Material Rigidez kV/cm

Porcelana 16 a 79Parafina 80 a 120Aceite de transformador 200Bakelite 120 a 220Goma 200 a 300Polímeros 50 a 900Papel 500Teflón 600Vidrio 800 a 1200Papel aceite 1800Mica 2000

Valores de Rigidez dieléctrica en sólidos y líquidos

Efecto Corona

Sistema de 1000kV

1000kV impulso de maniobra

Impulso de maniobra, aislador cubierto con nieve

800kV contaminación artificial.

1000kV contaminación artificial Capa semiconductora.

Descargas en aisladores de alta tensión