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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

25-4-2014

TECNICAS DE ALTA TENSION PERDIDAS DIELECTRICAS

CURSO: DOCENTE: ALUMNO: CUI:

TECNICAS DE ALTA TENSION ING. HOLGER MEZA TORREBLANCA LAZO MARCO PAOLO 20095980

TECNICAS DE ALTA TENSION

Contenido 1.

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 2

2.

DIELÉCTRICOS .............................................................................................................................. 3

3.

2.1.

¿QUÉ SON LOS DIELÉCTRICOS? ........................................................................................... 3

2.2.

RIGIDEZ DIELÉCTRICA .......................................................................................................... 3

2.3.

CONSTANTE DIELÉCTRICA ................................................................................................... 5

2.3.1.

Constantes Dieléctricas De Varias Sustancias ............................................................. 6

2.3.2.

Dependencia De La Constante Dieléctrica Con La Frecuencia .................................... 6

2.4.

RESISTIVIDAD (Aislantes)..................................................................................................... 8

2.5.

RESISTENCIA SUPERFICIAL................................................................................................... 9

2.6.

ABSORCIÓN ELÉCTRICA ....................................................................................................... 9

PERDIDAS EN DIELECTRICOS ....................................................................................................... 9 3.1.

PÉRDIDAS DIÉLECTRICAS ..................................................................................................... 9

3.2.

ANGULO DE PÉRDIDAS ...................................................................................................... 10

3.3.

DIAGRAMA VECTORIAL ..................................................................................................... 10

3.4.

CONDUCTANCIA DE AISLAMIENTO (PERDITANCIA) .......................................................... 11

3.5.

FACTOR DE PÉRDIDAS ....................................................................................................... 12

3.6.

CAPACIDADES .................................................................................................................... 12

3.7.

CAIDAS DE TENSIÓN .......................................................................................................... 13

3.7.1.

Las fórmulas que se utilizan para el cálculo de la caída de tensión son las siguientes: 14

4.

EFECTO CORONA ....................................................................................................................... 15

5.

RESISTENCIA DE AISLAMIENTO ................................................................................................. 15

6.

RUPTURA DIELÉCTRICA ............................................................................................................. 17

7.

CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 19

8.

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................ 19

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TECNICAS DE ALTA TENSION 1. INTRODUCCIÓN Cuando se mide el espectro dieléctrico en materiales poliméricos es común observar que a bajas frecuencias y/o altas temperaturas, hay un incremento sustancial en los valores de la pérdida dieléctrica (parte imaginaria de la constante dieléctrica compleja, e* = e’- ie’’) debido a la conductividad producida en el material. Esta conductividad es debida a la migración de cargas libres que produce una corriente que se suma a la generada por la reorientación de los dipolos permanentes existentes. Cuando se aplica un campo eléctrico alterno, la relajación de los dipolos permanentes se manifiesta en picos de relajación correspondientes a movimientos locales (modo b) o cooperativos (modo a). En cambio la conductividad se manifiesta en un aumento de la señal de pérdidas dieléctricas, típicamente proporcional al inverso de la frecuencia w del campo eléctrico aplicado. Dependiendo del material estudiado, la conductividad puede solapar e incluso ocultar los modos de relajación a y b del polímero haciendo que el análisis de estos picos sea muy complicado y a veces imposible. Este es el caso de polímeros semicristalinos como por ejemplo la poly(ecaprolactona) (PCL) o del almidón de yuca. En este último la señal debida a la conductividad puede llegar a ser hasta un millón de veces más intensa que la de los picos de relajación dipolares. En el análisis convencional de espectros dieléctricos, las isotermas T’’(w) , se modelan como una suma de modos cada uno con una distribución de tiempos de relajación, más un término de conductividad y se hace un ajuste a los datos experimentales para determinar los parámetros del modelo. En este trabajo proponemos el uso del módulo dieléctrico, M* = 1 e*, como alternativa para el análisis de los espectros dieléctricos. Con esta transformación de los datos, la subida de conductividad se convierte en un pico de intensidad comparable a la de los picos dipolares y estos últimos se pueden resolver mejor. Utilizando los modelos adecuados y un método de ajuste apropiado es posible obtener los parámetros de los modos de relajación dipolares y de la conductividad misma con mejor precisión y con menos dificultad que realizando el análisis directamente sobre la data de constante dieléctrica.

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TECNICAS DE ALTA TENSION 2. DIELÉCTRICOS 2.1.

¿QUÉ SON LOS DIELÉCTRICOS?

Los dieléctricos son materiales, generalmente no metálicos, con una alta resistividad, por lo que la circulación de corriente a través de ellos es muy débil (corriente de paso o de fuga). Aprovechando esta característica, se emplean como aislantes para detener los electrones o para delimitar el camino que deben tomar.

2.2.

RIGIDEZ DIELÉCTRICA

Es el máximo gradiente de potencial que puede soportar un material antes de que se produzca su destrucción por perforación; se expresa en Kilovoltios por milímetro. Su valor queda influido por las condiciones del ensayo. Suponiendo incluso que se consiga un campo sin distorsión (y en consecuencia perfectamente uniforme) y se estabilicen las propiedades del material a ensayar eliminando impurezas y humedad, queda aún la influencia del tiempo de ensayo. El mecanismo de destrucción con tiempos de ensayo largos es un fenómeno térmico (calentamiento por pérdidas dieléctricas y corrientes de carga), mientras que en tiempos cortos estos fenómenos no influyen y nos encontramos frente a destrucciones físicas debidas a las fuerzas eléctricas presentes. En general, la rigidez dieléctrica disminuye al aumentar el tiempo de ensayo según una ley aproximadamente hiperbólica. En los aislamientos de líneas de alta tensión la ruptura puede producirse en la superficie de aislamiento y no solo en el material. Las superficies de los aislantes suelen ser de porcelana, cristal o materiales poliméricos.

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Como ejemplo de ruptura dieléctrica se puede observar cuando se forma un arco en las líneas de alta tensión. Esto se produce debido a que se produce la ruptura dieléctrica del aire, con lo cual conduce y se produce el arco.

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TECNICAS DE ALTA TENSION 2.3.

CONSTANTE DIELÉCTRICA

Es la relación que existe entre la carga que toma un condensador con el material considerado como dieléctrico y la que tomaría si el dieléctrico fuera el vacío. El fenómeno que se mide corresponde a la polarización de las partículas unitarias que componen la estructura del dieléctrico. Cuanto mayor sea la separación entre las cargas elementales y su importancia dentro de la molécula mayor será la influencia que ejercerán sobre el campo eléctrico y mayor será en consecuencia la constante dieléctrica. La energía acumulada en un condensador viene dada por:

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TECNICAS DE ALTA TENSION 2.3.1. Constantes Dieléctricas De Varias Sustancias

2.3.2. Dependencia De La Constante Dieléctrica Con La Frecuencia En el grafico se puede observar los tipos de polarización en función de la frecuencia. Cuando se aplica un campo eléctrico variable los dipolos deben alinearse junto con el campo, lo que les lleva un determinado tiempo, la inversa de este tiempo es la frecuencia de relajación. Cuando la frecuencia supera este parámetro los dipolos no pueden seguir las variaciones de campo eléctrico La dependencia de la polarizabilidad con la frecuencia del campo eléctrico aplicado sigue una curva del tipo 5.8 donde se observan zonas del espectro asociadas a descensos en la polarizabilidad hasta hacerse ésta cero.

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Las sucesivas bajadas en están asociadas a desconexiones de mecanismos de polarización motivados por el incremento en la frecuencia. Superado cierto valor de ésta, el mecanismo de polarización deja de actuar, desconexión del mismo. Para muy altas frecuencia, ningún mecanismo de polarización actuará con lo que =0, la polarización de la materia será nula comportándose como el vacío. Este comportamiento va a ser analizado cuantitativamente en este apartado. Sabemos que la velocidad de la radiación electromagnética en un medio, cm, es igual a cm=(00)-1/2 y en el vacio c=(00)-1/2. Asumiendo un medio no magnético, =1, queda que la razón c/cm= 1/2. Esta es la definición de índice de refracción n con lo Que n2 = Las medidas muestran que en general esto no es cierto y que n2 tal y como se muestra en la siguiente tabla

Solo en el caso del diamante, que solo presenta polarizabilidad electrónica se da la igualdad. La razón de esta aparente contradicción hay que buscarla en la frecuencia del campo eléctrico al que se miden ambas variables. Mientras que la determinación del índice de refracción implica campos de muy alta frecuencia, la medición de la constate dieléctrica se realiza a más bajas frecuencias, y solo cuando esta medida se realiza a frecuencias ópticas, donde únicamente interviene la polarizabilidad electrónica, ambos parámetros coincidirán. La curva de variación de la constante dieléctrica con la frecuencia se denomina curva de dispersión y su forma tipo es mostrada en la figura 5.9. TORREBLANCA LAZO MARCO PAOLO

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TECNICAS DE ALTA TENSION Según se observa en esta figura, la curva de dispersión en la región correspondiente al proceso de polarización dipolar, también denominado orientacional, tiene una forma diferente a lacurva en la zona de polarización electrónica ó iónica. Ello es debido aque los mecanismos de polarización son completamente diferentes; mientras que en el primero tenemos un proceso de reorientación de dipolos permanentes, proceso de relajación dipolar, en el caso de dipolos inducidos, iónicos y electrónicos, aparecen fenómenos de resonancia.

2.4.

RESISTIVIDAD (Aislantes)

Cuando se somete un dieléctrico a una tensión continua, el paso de la corriente a su través se establece por medio de las pocas cargas libres presentes. En los conductores con gran cantidad de cargas libres, el fenómeno se estabiliza para valores de resistencia (relación entre tensión aplicada e intensidad circulante) poco variables en amplios intervalos; no ocurre lo mismo en los dieléctricos en los que la temperatura y las impurezas pueden modificar notablemente las cargas libres presentes y en consecuencia la corriente de respuesta. Tenemos pues que la resistividad varía mucho según las condiciones del ensayo y es fácil también que se presenten variaciones importantes con pequeñas modificaciones en la composición del material. En general, la resistividad disminuye con el aumento de la temperatura y con la humedad (en los aceites). La resistividad medida con corriente alterna es mayor que el valor obtenido con corriente continua, ya que intervienen otros fenómenos de transferencia de cargas.

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TECNICAS DE ALTA TENSION 2.5.

RESISTENCIA SUPERFICIAL

En muchas ocasiones puede circular corriente por la superficie del dieléctrico en lugar de hacerlo a través de la masa. Este fenómeno no tiene ninguna relación con la resistividad propia del dieléctrico, sino que se mide por la resistencia superficial. Influye mucho en este valor la calidad de la superficie y la presencia del polvo, humedad, etc. Este fenómeno es de poco interés en cables, ya que sólo influye en los terminales. Su importancia es básica en el diseño de aisladores en los que se deben evitar las descargas superficiales.

2.6.

ABSORCIÓN ELÉCTRICA

Cuando se aplica una tensión a un dieléctrico, además de los fenómenos de polarización se presenta una absorción de carga eléctrica que ocurre durante un tiempo (que puede ser importante) y cesa aunque persista la tensión. Esta carga la volverá a ceder el dieléctrico si dejamos de aplicar tensión y cortocircuitamos los electrodos. Este fenómeno 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.

3. PERDIDAS EN DIELECTRICOS

3.1.

PÉRDIDAS DIÉLECTRICAS

Al aplicar una tensión alterna a un dieléctrico ocurrirán los siguientes fenómenos: a. Circulará una corriente que cumplirá la ley de Ohm. El valor de esta corriente dependerá de la resistividad del aislante en las condiciones de trabajo. Su paso producirá calentamiento por efecto Joule. b. Se presentará también una corriente de desplazamiento, adelantada � /2 radianes en el plano de Gaus respecto a la tensión aplicada. La magnitud de esta corriente dependerá de la constante dieléctrica del material (que influye en la capacidad del condensador que se forma). Esta corriente no calentará el dieléctrico por ser de desplazamiento. c. Las masas polares vibrarán siguiendo la excitación a la que están sometidas. Este fenómeno producirá un calentamiento en el material que reflejará el proceso energético que ocurre en su interior.

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TECNICAS DE ALTA TENSION La medición de este fenómeno no es distinguible del que ocurre en el apartado a), salvo que aquel se presenta siempre y éste sólo cuando se trata de excitación alterna.

3.2.

ANGULO DE PÉRDIDAS

Dado que un cable no es un condensador ideal, existe una corriente IR de fugas en el dieléctrico en fase con la tensión U0

ESQUEMA EQUIVALENTE

3.3.

DIAGRAMA VECTORIAL

La corriente real I en el dieléctrico forma un ángulo � (de pérdidas) con la corriente reactiva Ic defasada 90º de la tensión U, correspondiente a un condensador ideal sin pérdidas. Se expresa por:

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El ángulo de perdidas depende de la temperatura, del material y de la frecuencia. En la Figura 1 se presenta la variación de tg � con la temperatura para los distintos tipos de aislamiento.

3.4.

CONDUCTANCIA DE AISLAMIENTO (PERDITANCIA)

Se define la conductancia G, como la inversa de la resistencia de pérdidas del aislamiento.

Al producto “E tgδ “se llama factor de pérdidas

Las pérdidas dieléctricas por fase de una distribución trifásica vienen dadas por la fórmula:

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Se observa que las pérdidas dieléctricas son proporcionales a la perditancia, y al cuadro de la tensión simple. En los cables de baja tensión simple. En los cables de baja tensión estas pérdidas son prácticamente despreciables. Van adquiriendo importancia a medida que se eleva la tensión.

3.5.

FACTOR DE PÉRDIDAS

En los cables, para dar un índice de calidad del aislamiento, se acostumbra a medir el valor de la tangente (tgδ ). Este valor nos da la relación entre la corriente resistiva y la corriente capacitiva y debe permanecer lo más bajo posible y variar poco para el trabajo óptimo de cable. Un aumento en el valor de tg , significa la posibilidad de deterioro del dieléctrico al circular a su través corrientes que originarán calentamientos.

3.6.

CAPACIDADES

La capacidad de un cable depende de las dimensiones del cable y de la cte. dieléctrica relativa del aislamiento. En los cables de campo radial la capacidad se calcula considerando el cable como un condensador cilíndrico.

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TECNICAS DE ALTA TENSION 3.7.

CAIDAS DE TENSIÓN

En las líneas eléctricas, la existencia de resistencia y reactancia serie de ellas, origina una diferencia entre las tensiones en los extremos del tramo considerado, diferencia que recibe el nombre de caída de tensión. En su valor numérico influyen la naturaleza e intensidad de la corriente que recorre la línea, la longitud, dimensiones y disposición de los conductores. En las líneas constituidas por cables aislados no se tiene en cuenta, salvo en casos de longitud muy elevada, la influencia de la capacidad entre conductores o entre ellos y tierra, a efectos de caída de tensión, lo que no significa que sea despreciable desde otros puntos de vista. Igualmente se prescinde de la conductancia del aislamiento o perditancia. La línea puede presentarse mediante un circuirto equivalente (Fig. 2), en el que R es la resistencia de la línea, XL su reactancia inductiva y en el que suponemos que la mitad de la capacidad de la línea está concentrada en los extremos.

El diagrama vectorial equivalente de tensiones y corrientes es el de la Figura 3. Ahora bien, dado que la práctica Ic1 e Ic2 son bastante inferiores a I1 e I2 se utiliza el diagrama simplificando que muestra la Figura 4.

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3.7.1. Las fórmulas que se utilizan para el cálculo de la caída de tensión son las siguientes: 1) Corriente alterna trifásica:

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TECNICAS DE ALTA TENSION 2) Corriente alterna monofásica:

4. EFECTO CORONA Si el campo eléctrico en un punto sobrepasa el valor de la tensión disruptiva del material presente, se producirá una ionización con creación de cargas libres por destrucción de moléculas equilibradas eléctricamente. Puede ocurrir que este valor del campo eléctrico sólo se presente en determinados lugares, sea por concentración de campo debido a un diseño incorrecto o bien por la presencia de oclusiones de distinto valor de “épsilon” (por ejemplo, oclusiones de aire). Entonces, esta ionización se limita a este lugar de campo concentrado. A este fenómeno se le llama efecto corona y a la descarga limitada se le llama descarga parcial. Existen dieléctricos que resisten bien niveles altos de descargas parciales y otros se degradan descomponiéndose ante la presencia de bajos niveles de ionización (muchos aislantes de tipo seco son sensibles a estos fenómenos).

5. RESISTENCIA DE AISLAMIENTO La resistencia de aislamiento de los cables se evalúa generalmente en M� por Kilómetro. Para una misma resistividad de su dieléctrico, la resistencia de aislamiento es tanto mayor cuanto más grande es el espesor del aislante y más pequeño el diámetro del conductor. El valor de la resistencia de aislamiento para cables de un solo conductor de sección circular, es:

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Definición de Ki: Es la resistencia de aislamiento expresada en M� de un cable tipo, de 1Km de longitud, cuya relación de diámetros es 10 (d2 / d1 = 10). El valor del Ki es sólo función del aislante.

De este modo, puede compararse la resistencia de aislamiento de diferentes cables, calculando el Ki de los mismos

R = resistencia de aislamiento del cable, expresada en MΩ. Por consiguiente, conociendo el valor de Ki, a 20º C, en los aislantes poliméricos más utilizados y empleando la fórmula anterior, podremos deducir fácilmente la resistencia de aislamiento en MΩ Km.

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TECNICAS DE ALTA TENSION 6. RUPTURA DIELÉCTRICA Si el campo eléctrico al que se ve sometido un dieléctrico supera un valor crítico Ec, las corrientes eléctricas, normalmente muy pequeñas, se incrementan rápidamente dando lugar a la ruptura dieléctrica del material. Este campo crítico fija el límite de utilización del material como aislante. La ruptura dieléctrica puede ser reversible, el material recupera su caracter aislante al bajar de Ec ó irreversible cuando ya no se recupera el caracter aislante. Destacar el hecho de que Ec no es un parámetro intrínseco del material sino que depende además de otros factores extrínsecos tales como geometría de muestra, proceso de fabricación ó entorno del material. Se distinguen cuatro mecanismos principales de ruptura dieléctrica: a) Ruptura electrónica: el origen de la inestabilidad es el propio campo eléctrico que provoca ya sea el aumento de la movilidad de los portadores ó el incremento en el número de portadores mediante procesos de ionización atómica seguidos de procesos de avalancha. El aumento de corriente es debido al aumento de la concentración de electrones en la banda de conducción como consecuencia de un proceso de ionización de los átomos de la red por electrones altamente acelerados por el campo. Ciertas teorías fijan en 40 eventos de ionización los necesarios para provocar la ruptura dieléctrica del material. El cáculo de Ec exige por tanto establecer un valor del coeficiente de ionización a definido como el número de colisiones ionizantes por unidad de longitud. Una expresión generalmente aceptada es la siguiente

donde A y a0 son constantes del material y E es el campo eléctrico aplicado. La ruptura dieléctrica implicaría 40 eventos de ionización en el espesor d del material, es decir el coeficiente de ionización debería tomar un valor

y esta condición implica que el campo de ruptura dieléctrico Ec valdrá

Dependencias de este tipo han sido observadas experimentalmente y en cualquier caso, la disminucion de Ec al aumentar d es observada en un gran número de materiales aislantes y es consistente con el hecho de la TORREBLANCA LAZO MARCO PAOLO

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TECNICAS DE ALTA TENSION necesidad de un número dado de eventos de ionización para que el efecto avalancha provoque la ruptura dieléctrica del material. b) Ruptura térmica: se caracteriza por un aumento de temperatura del material debido a que el calor disipado por la muestra es menor que el calor producido por efecto Joule de las corrientes de fuga al aplicar el campo eléctrico. El aumento de temperatura provoca a su vez un aumento de la conductividad eléctrica del material aislante y en consecuencia de la corriente que circula a su través retroalimentando el efecto y dando lugar en poco tiempo a la ruptura dieléctrica. El aumento de temperatura y, por tanto la condición de ruptura, depende del equilibrio entre la velocidad con la que se genera el calor y la velocidad con la que este es disipado. c) Ruptura iónica: el proceso se inicia por un movimiento de los iones de la red bajo la acción de los fuertes campos aplicados. Este proceso ha sido postulado para óxidos anódicos en los cuales el campo de ruptura dieléctrico coincide con el campo eléctrico necesario para la formación del óxido independientemente del espesor de la muestra. d) Ruptura por descargas de gas: el aislante suele contener en su interior burbujas de gas con un Ec cercano a los 106 V/m, menor que el generalmente requerido para la ruptura dieléctrica del material. El gas se ioniza primero provocando la inyección de electrones energéticos en el material y acelerando el proceso de ruptura. La distinción entre los diferentes mecanismos de ruptura dieléctrica tiene sentido al inicio del proceso ya que, una vez comenzado éste, se suele dar una superposición de mecanismos que concluyen en última instancia con un fuerte aumento de la temperatura y una fusión ó descomposición del material.

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TECNICAS DE ALTA TENSION 7. CONCLUSIONES 8. BIBLIOGRAFIA

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