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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE EDUCACION SUPERIOR INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA REGION LOS ANDES EDO TACHIRA

Comportamiento de los Dieléctricos en Alta Tensión Ruptura dieléctrica en los diferentes Materiales

Autores: Camargo Deivis C.I.: 16.981.208 Cuevas Jairo C.I: 17.369.806 Prada Gerardo C I 14.180.963 Presiado Daniel C.I: 16.229.002

San Cristóbal, 09 de octubre de 2013

Introducción

En sistemas de alta tensión todos los equipos e instalaciones eléctricas son sometidos a sobretensiones que afectan su aislamiento y provocan un fallo o daño. Siendo la sobretensión una solicitación variable en el tiempo cuyo valor máximo es muy superior al valor pico de la tensión nominal del sistema en el que se origina, esta sobretensión puede ser originada por falla, por una maniobra, por una descarga atmosférica. Es importante el estudio fundamental para determinar el nivel de aislamiento que se debe seleccionar para los equipos de alta tensión de un sistema. Las nuevas técnicas de alta tensión , para la transmisión de energía eléctrica de forma confiable y segura, hacen que cada día los fabricantes de dispositivos eléctricos de alta tensión, busquen nuevas alternativas de aislamiento usando elementos dieléctricos que brinden mayor eficacia, seguridad y control ambiental.

MATERIALES DIELECTRICOS. Los dieléctricos son materiales no metálicos con alta resistividad por lo que la circulación de corriente de fuga o de paso a través de ellos es muy débil, el nivel de aislamiento no es siempre absoluto. El nivel de conducción que el material puede tolerar determina si se puede emplear o no como aislador. Es un material usado principalmente para aislar componentes eléctricamente entre sí o con tierra, o para actuar como elemento capacitivo en un aparato, circuito o sistema. Tipos: Sólidos, líquidos y gaseosos.

Qué parámetros caracterizan a un dieléctrico? - Conductividad o su inversa resistividad. - Constante dieléctrica o permitividad. Conductividad en donde Jl es la densidad de corriente de fugas en A·cm-2 y E es el campo eléctrico aplicado en V·cm-1. Por lo tanto las unidades de la conductividad son S·cm-1 o Ω-1·cm-1. La conductividad normalmente se mide en términos de resistencia de aislamiento R en Ω; siendo su valor viene dado por donde d es la profundidad del aislante en cm y A la superficie en cm2. Muchos materiales aislantes tienen un rango de conductividad desde 10-6 a 10-20 S·cm-1. A menudo el parámetro más usado para clasificar los dieléctricos es la resistividad ρ que es la inversa de la conductividad.

DIELECTRICOS GASEOSOS. Estos materiales en estado gaseoso tiene como objetivo principal prevenir las descargas eléctricas y extinguirlas rápidamente, el gas es utilizado como aislante dieléctrico en alta tensión, un gas dieléctrico excelente debe de tener alta resistencia, alta estabilidad térmica e inercia química, no deben ser inflamables, deben de tener baja toxicidad, bajo punto de ebullición buenas propiedades de transferencia de calor y bajo costo. Algunos de los gases que se emplean como aislamiento en equipos y sistemas de alta y baja tensión son: el aire, nitrógeno (N2), hexafloruro de azufre (SF6), dióxido de carbono CO2. DIELECTRICOS LIQUIDOS El líquido contenido en la mayoría de equipos eléctricos de alta tensión es un subproducto de la destilación del petróleo que se denomina aceite aislante, el aceite mineral como medio aislante y refrigerante, es el más usado para transformadores de potencia e interruptores, por lo que se han diseñado nuevas tecnologías para la refinación, adaptándose a las necesidades específicas de los equipos de acuerdo a la finalidad y diseños de estos. DIELECTRICOS SOLIDOS Pueden poseer una polarización permanente dentro de ellos aun cuando no se aplique un campo eléctrico externo y presentan una mayor resistencia al paso de la corriente. Los materiales aislantes solidos se clasifican en: solidos orgánicos y solidos inorgánicos. Solidos orgánicos: 

Polietileno(PE)



Etileno-propileno (EPR)



Polipropileno



Politetrafluoroetileno ( PTFE)



Poliésteres



Policarbonato



Resinas Epoxy



Goma de silicona

Solidos inorgánicos: 

Alúmina



Titanio de Bario



Porcelana



Oxido de magnesio



Cristales de grado eléctrico



Mica



Oxido de silicio

PROPIEDADES ELEMENTALES DE LOS DIELECTRICOS Todo material dieléctrico para su desempeño práctico debe reunir condiciones agrupadas en un conjunto de propiedades y características. Las mismas pueden ser evaluadas mediante ensayos rígidos por varias normas. De esta manera la elección de los materiales dieléctricos para cada necesidad específica se hace de acuerdo al conocimiento cuantitativo de sus propiedades Los elementos dieléctricos dependiendo de su naturaleza poseen propiedades singulares las mismas se pueden destacar a continuación:

PROPIEDADES ELECTRICAS: Dependen de su forma de construcción, del material utilizado para su elaboración del volumen considerado y de su longitud total, por lo que su resistividad , conductancia de aislamiento, rigidez dieléctrica , constante dieléctrica ,resistencia superficial, absorción eléctrica, perdidas eléctricas deberían de ser las adecuadas y precisas para un buen funcionamiento.

PROPIEDADES FISICAS: Considerando la resistencia óhmica volumétrica del elemento dieléctrico esta puede ser disminuida por la presencia del agua, gases disueltos ,suciedad, polvo, aceites contaminantes en su interior o en la superficie. PROPIEDADES MECANICAS: Deben de tener las suficientes cualidades y propiedades mecánicas para cumplir con el propósito para el cual fue creado entre sus propiedades se destaca, resistencia mecánica a la tracción, compresión, choques térmicos, dureza, flexibilidad, fluidez, facilidad de manipulación. PROPIEDADES QUIMICAS: Deben asegurarle estabilidad en su composición es decir suficiente resistencia a los ácidos, aceites a la luz solar, al oxígeno y las reacciones químicas. PROPIEDADES TERMICAS: Deben reunir buenas propiedades

térmicas, como la resistencia al cambio

brusco de temperatura sin ablandarse o quebrarse, calor especifico, punto de fusión, ebullición, congelamiento estas últimas para el caso que el dieléctrico sean un aceite TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES Los elementos dieléctricos son de gran importancia ya que ayudan a la conducción de la corriente eléctrica de forma confiable, óptima y segura con mínima cantidad de pérdidas por lo que es necesario conocer todas sus propiedades y características.

RESISITENCIA La resistencia varía directamente con la longitud del material e inversamente con el área del mismo siendo su expresión. R =  

L S

donde

 = resistividad del material considerado L=longitud del material S=superficie del material

CONSTANTE DIELECTRICA: La constante dieléctrica o permitividad relativa representa la cantidad de energía electrostática que puede ser almacenada por unidad de volumen

y por unidad de

gradiente de potencial, y es una propiedad característica de cada material. Cuanto mayor es la permitividad del material más fuertemente se polariza y son mayores los efectos eléctricos.

F m



Constante dieléctrica de vacío Eo=8.85  10 12



Constante dieléctrica absoluta del medio E=Er  Eo donde Er es la constante dieléctrica relativa o permitividad

PERDIDAS DIELECTRICAS Ocurren cuando se aplica una tensión alterna a un dieléctrico presentándose los siguientes fenómenos. 1) Se presentara una circulación de corriente que cumplirá la ley de ohm el valor de esta corriente dependerá de la resistividad del dieléctrico en las condiciones de trabajo. Su paso producirá calentamiento por efecto joule 2) Se presentara una corriente de desplazamiento adelantada

 radianes en el 2

plano de gauss respecto a la tensión aplicada. La magnitud de esta corriente dependerá de la constante dieléctrica del material, esta corriente no calentara el dieléctrico por ser de desplazamiento.

3) Las masas polares vibraran siguiendo la excitación a la que están sometidas, este fenómeno producirá un calentamiento en el material que reflejara el proceso energético que ocurre en su interior FACTOR DE PERDIDA DIELECTRICA: La resistividad eléctrica del material y la constante dieléctrica están relacionadas por el factor de perdidas dieléctrica ( tg ) el cual permite determinar la perdida de potencia en un dieléctrico, la cual generalmente se presenta en forma de calor ,además está en función de la naturaleza del dieléctrico y de la frecuencia RIGIDEZ DIELECTRICA: La rigidez dieléctrica de un material es conocida como el máximo gradiente de potencial que puede soportar el mismo sin que llegue a producirse una corriente disruptiva antes de que se produzca su destrucción por perforación sin que llegue a un Degradación física de sus propiedades aislantes. RESISTENCIA SUPERFICIAL: Este fenómeno no tiene ninguna relación con la resistividad propia del dieléctrico sino que depende y se mide por la resistencia superficial. Este valor influye mucho de la calidad de la superficie y la presencia de polvo, humedad etc. ABSORCION ELECTRICA: Cuando se aplica una tensión a un dieléctrico, se presenta una absorción de carga eléctrica, es preciso que se tenga en consideración al efectuar las mediciones de resistencia ya que la presencia de esta corriente puede alterar los valores obtenidos.

CARACTERISITICAS DE MATTERIALES DIELECTRICOS EN ALTA TENSION Independientemente de su naturaleza física o química los dieléctricos bajo la acción de un campo eléctrico presentan los siguientes fenómenos. 

Polarización



Conducción



Generación de calor debido a las pérdidas de energía en su interior



Ruptura eléctrica para campos eléctricos superiores al crítico

Dado que los aislantes dieléctricos son aislantes casi perfectos y cuando se les aplica una diferencia de potencial se tiene la presencia de una corriente de fuga formada por: 

Corriente de capacidad



Corriente de conducción



Corriente de absorción

POLARIZACION: El campo electrostático creado por distribución de cargas puntuales o en conductores, es libre y en presencia de un campo eléctrico las cargas se pueden mover sin restricciones, en los dieléctricos la carga está sujeta por importantes fuerzas de cohesión y frente a un campo eléctrico su movilidad es muy limitada. CONDUCCION: En un material dieléctrico aumenta cuando la polarización aumenta con la intensidad del campo externo y si el campo sigue aumentando llega a un momento en que las fuerzas de cohesión no pueden mantener juntas las cargas y el átomo se ioniza por desprendimiento de electrones. Estos electrones se aceleran en presencia del campo constituyendo una corriente eléctrica, esta corriente puede ser muy intensa y destructiva, ya que en presencia de campos intensos los electrones se aceleran a energías muy altas y experimentan una colisión con un elemento neutro, arrancando más electrones lo que lleva a un efecto avalancha. Este fenómeno se conoce como ruptura dieléctrica y depende del tipo y el estado del material que tolera un campo máximo antes de la ruptura.

GENERACION DE CALOR DEBIDO A PERDIDAS DE ENERGIA PERDIDAS POR EFECTO JOULE Cuando un aislante o material dieléctrico se someten a tensión eléctrica es atravesado por un corriente de fuga, que dependen de la tensión aplicada y de la resistencia del material, al presentarse esta corriente el dieléctrico sufre el efecto joule que se deduce en una pérdida de energía en forma de calor expresada por:

W = I 2  R T Donde: R= resistencia del material I corriente de fuga T tiempo en segundos Esta pérdida es muy pequeña y tiene importancia si el aislante se calienta disminuye rápidamente la resistencia de aislamiento RUPTURA DIELECTRICA: Cuando un material dieléctrico se somete a un campo eléctrico suficientemente intenso, tiene lugar la ruptura del dieléctrico y entonces el dieléctrico se convierte en conductor. Esto ocurre cuando el campo eléctrico es tan intenso que arranca los electrones de sus moléculas y los lanza sobre otras moléculas, con lo cual se liberan aún más electrones, fenómeno que ocurre repentinamente. El campo de ruptura Er es la intensidad de un campo eléctrico que hace que un material dieléctrico se convierta en un conductor. La ruptura dieléctrica es seguida por la circulación de una corriente eléctrica a través de la región conductora formada. Si la conducción se produce en un gas ionizado, esta conducción posterior a la ruptura se conoce como arco o chispa.

Ruptura dieléctrica en un sólido depende: - Estructura molecular y la morfología del material - Geometría del material, la temperatura y el entorno ambiental. - Área y el espesor del espécimen debido al incremento de la incidencia de los fallos sobre grandes volúmenes. - Forma de onda de la tensión aplicada. Resistencia dieléctrica es mayor en continua o con pulso que en alterna ( Efectos térmicos).

Ruptura dieléctrica En un material cristalino (NaCl) la resistencia eléctrica aumenta con la temperatura hasta un máximo para luego disminuir. En un material amorfo-cristalino (PE) el aumento de la temperatura produce siempre

Resistencia dieléctrica (MV cm

-1

una disminución de la resistencia dieléctrica.

o

Temperatura ( C) Características de rotura dieléctrica del cloruro sódico y el polietileno.

Ruptura dieléctrica en los gases: se puede explicar en términos de la teoría de avalancha. Las características de ruptura de los gases se representan en las curvas de Paschen, en donde se dibujan la tensión de ruptura en función de la presión p y de la distancia de los electrodos d.

La Ruptura dieléctrica en los líquidos se ve afectada por: - impurezas electrolíticas - por el contenido en agua y oxigeno - Partículas macroscópicas pueden formar un puente entre los electrodos y favorecer la rotura de aislamiento. - Área y el espesor del espécimen debido al incremento de la incidencia de los fallos sobre grandes volúmenes. - La viscosidad. Se incrementa ligeramente Tanto en los sólidos como en los líquidos, la resistencia dieléctrica es mayor en continua o con pulso que en alterna. Esto sugiere que bajo condiciones de alterna la ruptura puede ser debida parcialmente a efectos de naturaleza térmica.

Causas que puedan modificar la tensión de ruptura extrínseca: 

Particulares defectos en el dieléctrico



Condiciones ambientales bajo las que el material dieléctrico es empleado

Algunos dieléctricos pueden contener cavidades llenas de gas y que de forma inadvertida se puede introducir en el material, debido a las características porosas del material dieléctrico. El gas, con una tensión suficiente puede sufrir descargas, que puede provocar en el dieléctrico degradación eléctrica y física por las descargas parciales y llevar al material si el proceso de mantiene durante un periodo de tiempo suficientemente largo, a la ruptura dieléctrica del material. En aislamientos de líneas aéreas de alta tensión o en pasamuros de equipos eléctricos, la ruptura del aislamiento puede producirse en la superficie del aislamiento y no solo en el material. Las superficies de las aislantes suelen ser de porcelana, cristal, o materiales poliméricos (elastómeros).

La contaminación de dichas superficies por la polución, sal de ambiente marino o suciedad pueden producir la ruptura por debajo del valor normal. La degradación superficial se ve aumentada por la presencia de humedad, que incrementa la conductividad superficial, particularmente en presencia de contaminantes iónicos. La degradación superficial se puede prevenir con la limpieza de la superficie y la aplicación de grasa de silicona. ENVEJECIMIENTO DEL AISLANTE El grado de envejecimiento depende de la magnitud del estrés eléctrico, térmico y mecánico al que el material está sujeto; también tiene influencia la composición y estructura molecular del material en si mismo, así como que el entorno físico, químico y de radiación bajo el que el material debe funcionar. 

El envejecimiento mediante la aplicación del estrés eléctrico depende de una serie de variables como: valor medio y valores máximos de tensión aplicados, su frecuencia y del grado de repetición de impulsos superpuestos o transitorios de sobretensión.



Para el estrés térmico, el valor superior e inferior de la temperatura ambiente, el gradiente de temperatura en el aislante y la máxima temperatura permitida de funcionamiento.



Con el estrés mecánico las variables que influyen son torsión, compresión, tensión o doblado del material.

El grado de envejecimiento afectará de forma diferente si todos los estreses (eléctricos, mecánicos y térmicos) actúan simultáneamente, separadamente o en alguna determinada secuencia. La influencia ejercida por el entorno dependerá si el sistema de aislamiento está sujeto a corrosión química, fluidos derivados del petróleo, agua o humedad alta, aire u oxígeno, radiación ultravioleta del sol y radiación nuclear.

CONCLUCIONES 1) Es de suma importancia a la hora de escoger un material aislante conocer sus propiedades y características para realizar una buena elección de esta manera lograr que funcione correctamente de acuerdo al tipo de sistema que se quiere implementar.

2) Se debe de hacer ensayos y pruebas con la finalidad de verificar las condiciones en que se encuentra el aislamiento y de esta manera determinar la rigidez dieléctrica del mismo haciendo resaltar lo anormal de su comportamiento

3) Se deben de realizar planes de mantenimiento preventivo tanto mensual, Trimestral y anual en las diferentes instalaciones de alta tensión para aumentar su tiempo de trabajo y su vida útil.

4) Se debe de realizar una buena coordinación de aislamiento así de esta manera se evitara fallas en el sistema como consecuencia de las sobretensiones.

5) Cada material dieléctrico presenta una curvas de funcionamiento estas curvas hay que utilizarlas para determinar una posible respuesta con respecto al tiempo de accionamiento, a la hora de una posible falla en cualquiera tramo de un sistema. 6) Hay que tomar en cuenta las condiciones climáticas y ambientales a la hora de escoger un material dieléctrico. 7) Existen unas tablas de sobretensiones normalizadas en donde se podrían realizar los cálculos de manera más exacta.

BIBLIOGRAFIA

http://dspace.ucuenca.edu.ec:8080/xmlui/bitstream/handle/123456789/687/te319.pdf?se quence=1

http://www.slideshare.net/roberlop_889/coordinacin-de-aislamiento-emsayo

ANEXOS

RUPTURA DE LAS PROPIEDADES DE LOS AISLANTES