Campo Eléctrico y Materiales Aislantes

Campo Eléctrico y Materiales Aislantes
Clasificación de campos eléctricos
Tipos de materiales
Tipos de descarga eléctrica
Tipos de solicitación
Cálculos 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 10
Factor de pérdidas > 10-3
Aislantes Eléctricos Sólidos:
Bobina capacitiva:
Área
enfrentada
Aluminio
Aislante
Aluminio
Aislante
Aislantes Eléctricos Sólidos:
Bobina capacitiva:
Aislantes Eléctricos Sólidos:
Bobina capacitiva:
Tensión fase 7,97 kV,
(sistema de 13,8 kV)
Potencia Reactiva 500 kVAr
Cap: necesaria 25,1uF
Largo: 18,15 m
Ancho: 0,32 m
Sep: 0,000032 m
Cte. Dielec. 2,66
Capacidad = Largo x ancho x Permitividad = 4,25 uF
Separación
Aislantes Eléctricos Sólidos:
Tensión fase 7,97 kV,
Potencia Reactiva 500 kVAr
Cap. necesaria: 25,1uF
Capacidad = Largo x ancho x Permitividad = 4,25 uF
Separación
Bobina prensada
5,1 uF
Total de bobinas
Series 4
Paralelos 18
23uF
Bobinas capacitivas:
Capacitor
terminado
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 DC
Una 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 distancia
er: 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 impulso
Los 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
Descargas Corona
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.
Calculo de campo de iniciación de
corona para cilindros
Formula de Peek:
⎡
0,308 ⎤
E0 = 31 ⋅ A ⋅ m ⋅ ⎢1 +
⎥
(r ⋅ A) ⎥⎦
⎢⎣
A: densidad del aire
r: radio del conductor [cm]
m: estado de la superficie del conductor: 0,5 - 0,8
En líneas de transmisión aéreas
E0 = 29,8 kV/cm (valor máximo) (
r=2 m=0,79
)
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
Rigidez Aire kV/cm
100
80
60
40
20
0
0,010
0,100 (a) cm 1,000
Fórmula aproximada: Ud= 2440 d + 61 (d)1/2
10,000
Ley de Paschen:
Esta ley se explica considerando la probabilidad de ionización de los
electrones al recorrer el espacio entre electrodos:
Riguidez
aire
Rigidez
del aire
2000
volt
1600
1200
800
400
0
0
5
10
15
20
25
pxd (kpa . m x 10-4)
30
35
Rigidez superficial
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).
Pérdida de
hidrofobicidad en
polímeros
Rigidez Dieléctrica del aire y superficial.
50
45
Rigidez [kV/cm]
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Distancia entre electrodos [cm]
campo uniforme
Esferas D=5cm
Esferas D=25cm
Esferas D=100cm
Esferas D=200cm
barras
aislador porcelana
aislador polimérico
Fórmula
100
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:
Humedad Rigidez Dieléctrica Cte. Dieléctrica
kV/mm
Seco
37,8
2,3
50
35,4
2,6
95
33,8
3,1
Valores de Rigidez dieléctrica en sólidos y líquidos
Material
Rigidez kV/cm
Porcelana
Parafina
Aceite de transformador
Bakelite
Goma
Polímeros
Papel
Teflón
Vidrio
Papel aceite
Mica
16 a 79
80 a 120
200
120 a 220
200 a 300
50 a 900
500
600
800 a 1200
1800
2000
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