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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL – Facultad Regional Bahía Blanca Departamento Ingeniería Eléctrica Cátedra: Tecnologías y Ensayos de Materiales Eléctricos

NOTAS DE CURSO ACTIVIDADES PRÁCTICAS

MATERIALES

AISLANTES ELÉCTRICOS

Autor: Ingeniero Adrián E. Gonnet

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL – Facultad Regional Bahía Blanca Departamento Ingeniería Eléctrica Cátedra: Tecnologías y Ensayos de Materiales Eléctricos

Indice de temas Tema

Página Nº

1.2.3.4.-

Introducción. Generalidades. Tipos de aislantes. Propiedades.

4.1.4.1.1.4.1.2.4.1.3.4.1.4.4.1.5.4.1.6.4.2.4.2.1.4.2.2.4.2.3.4.2.4.4.2.5.4.3.4.3.1.4.3.2.4.3.3.4.3.4.4.3.5.4.3.6.4.4.4.4.1.4.4.2.4.4.3.4.4.4.4.4.5.-

Propiedades eléctricas. Resistencia de aislamiento. Rigidez dieléctrica. Absorción dieléctrica. Constante dieléctrica. Pérdidas dieléctricas por Histéresis. Pérdidas dieléctricas por efecto Joule. Factor de pérdidas. Propiedades mecánicas. Resistencia a la tracción y compresión. Resistencia a la flexión, cortadura y choque. Dureza. Límite elástico. Maquinabilidad. Propiedades físico – químicas. Peso específico. Porosidad e higroscopicidad. Resistencia al ozono. Resistencia a la luz solar. Resistencia a los ácidos y álcalis. Resistencia a los aceites. Influencia de la temperatura en los aislantes. Propiedades térmicas. Calor específico. Conductividad térmica. Temperatura de seguridad. Temperatura del punto más caliente. Límites de temperatura.

5.-

Aislantes sólidos.

5.1.5.1.1.5.1.2.5.1.3.5.1.4.5.1.5.5.1.6.5.2.5.2.1.-

Celulósicos y textiles. Madera. Permalí. Fibras. Papel. Telas aislantes. Características técnicas de los materiales celulósicos y textiles. Micas. Características técnicas de los materiales aislantes a base de mica.

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5.3.5.3.1.5.3.3.5.3.4.5.3.5.5.3.6.5.3.7.5.4.5.4.1.5.4.2.5.4.3.5.4.4.5.4.5.5.4.6.5.4.7.5.5.5.5.1.5.5.2.5.5.3.5.5.4.5.6.5.6.1.5.6.2.5.6.3.5.6.4.5.6.5.5.6.5.1.5.6.5.2.5.6.5.3.5.6.5.4.5.6.5.5.5.6.5.6.5.6.5.7.5.6.5.8.5.6.5.9.5.6.5.10.5.6.5.11.5.6.5.12.5.6.5.13.5.6.5.14.5.6.5.15.5.6.5.16.5.6.5.17.5.7.5.7.1.-

Materiales cerámicos. Porcelana eléctrica. La porcelana en la fabricación de piezas aislantes para accesorios eléctricos. Características técnicas de la porcelana eléctrica con esmaltado. Loza eléctrica. Esteatita. Aislantes de cerámicas especiales. Vidrio. Propiedades dieléctricas de los vidrios. Aplicaciones del vidrio en electricidad. Cuarzo. Propiedades del cuarzo. Características técnicas de los aislantes vítreos. Fibra y tejido de vidrio. Propiedades y aplicaciones de la fibra de vidrio. Barnices. Clasificación de los barnices aislantes. Aplicaciones de los barnices. Ensayos de los barnices. Colocación del barniz. Barnizado. Materiales aislantes plásticos. Composición de un material plástico. Ejemplo de polimerización. Formación del polietileno. Fabricación de los plásticos. Clasificación de los materiales plásticos según su comportamiento al calor. Materiales termoplásticos. Termoplásticos derivados de la celulosa. Polistireno o poliestireno. Características técnicas del poliestireno. Polietileno. Características técnicas del polietileno. Polietileno reticulado. Características técnicas del polietileno reticulado. Resinas vinílicas. Policloruro de vinilo. Características técnicas de dos tipos de mezclas de policloruro de vinilo. Policloruro de vinilo reticulado. Polipropileno. Policarbonatos. Poliamidas. Características técnicas de las poliamidas. Resinas fluoradas. Características técnicas del teflón. Materiales elastómeros. Caucho natural.

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5.7.2.5.8.5.8.1.-

Características técnicas del caucho natural y de la ebonita. Siliconas aplicadas en electricidad. Aplicaciones de las siliconas en la electricidad.

6.-

Aislantes gaseosos.

6.1.6.2.6.2.1.6.2.2.6.3.6.3.1.6.3.2.6.3.3.6.3.4.6.3.4.1.6.3.4.2.6.3.4.3.-

Introducción. Consideraciones particulares sobre las propiedades eléctricas. Constante dieléctrica. Descarga en gases, rigidez dieléctrica. Descripción de materiales aislantes gaseosos. El aire. Gases electropositivos. Gases electronegativos. Hexafluoruro de azufre. Propiedades del hexafluoruro de azufre. Propiedades físicas del hexfluoruro de azufre. Propiedades dieléctricas del hexafluoruro de azufre.

7.-

Aislantes líquidos.

7.1.7.2.7.2.1.7.2.2.7.2.3.7.2.4.7.3.7.3.1.7.3.2.7.3.3.7.3.4.7.3.5.7.3.6.7.3.7.7.4.7.4.1.7.4.2.7.4.2.1.7.4.2.2.7.4.3.7.4.3.1.7.4.3.2.7.4.3.3.7.4.3.4.7.4.3.5.7.4.3.6.7.4.3.7.-

Características de los aislantes líquidos. Consideraciones particulares sobre las propiedades eléctricas. Conductividad eléctrica. Constante dieléctrica. Rigidez dieléctrica. Pérdidas dieléctricas. Consideraciones particulares sobre las propiedades físico-químicas. Viscosidad. Punto de inflamación. Puntos de congelación y descongelación. Oxidación y polimerización. Contenido de ácidos. Contenido de azufre. Contenido de humedad. Descripción de aislantes líquidos utilizados en electricidad. Aceites aislantes. Clasificación de los aceites aislantes. Aceites vegetales. Aceites minerales. Propiedades de los aceites minerales. Peso específico. Proporción de cenizas. Viscosidad. Temperatura de funcionamiento. Contenido de ácidos. Contenido de azufre y álcalis. Contenido de humedad.

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7.4.4.Ensayos de los aceites. 7.4..4.1.- Generalidades. 7.4.4.2.- Ensayo de recepción. 7.4.4.3.- Prueba de los aceites usados. 7.4.4.3.1.- Fenómenos directamente perjudiciales. 7.4.4.3.2.- Fenómenos que pueden servir como índices de envejecimiento. 7.4.4.3.3.- Características que varían solo ligeramente durante el envejecimiento normal. 7.4.5.Purificación de los aceites. 7.4.6.Hidrocarburos aromáticos clorados. 7.4.6.1.- Propiedades. 7.4.6.2.- Características generales de diseño con líquidos clorados. 7.4.6.3.- Efectos de la polución medio-ambiental producida por el PCB.

8.-

Bibliografía.

93

9.-

Trabajos Prácticos.

94

9.1.9.2.9.3.-

Trabajo Práctico de Aula. Descripción de Materiales aislantes sólidos. Trabajo Práctico de Laboratorio. Preparación de Resina Aislante. Trabajo Práctico de Laboratorio. Medición de Rigidez Dieléctrica.

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UNIDAD TEMATICA 1

MATERIALES AISLANTES

HOJA Nº 1

1.- Introducción. Se denominan materiales electrotécnicos a todos aquellos que intervienen en la construcción de aparatos eléctricos, en su utilización y en todo lo que se refiere a las aplicaciones de la electricidad, de tal manera que se pueden clasificar en aquellos en los que interesan sus propiedades eléctricas o en los que interesan sus propiedades magnéticas. Dentro de los mencionados primero , resulta bastante difícil establecer una clasificación muy precisa, pero se los puede dividir en : conductores, aislantes o semiconductores, de acuerdo a su propiedad de conducir en mayor o menor medida la corriente eléctrica. Una manera de obtener límites en esta clasificación es tener en cuenta el valor de la resistividad específica dada en Ω x cm2 / cm , de los materiales, estableciéndose una división dentro de los siguientes límites. MATERIALES RESISTEIVIDAD Ωcm2 /cm Tabla 1.1.Conductores 1,6 x 10 –6 ..............100 x 10-6 Smiconductores 100 x 10 –6 ................10 12 Aislantes 10 12 ....................10 20 Otra forma de establecer la clasificación es teniendo en cuenta la estructura atómica de los materiales. De esta manera se debe tener presente la estructura atómica y su división en capas, en donde se ubican los electrones en el átomo,( un electrón no puede existir entre capas) y para que un electrón se mueva de una capa a la otra debe existir una cierta cantidad de energía. Dentro estas capas existen subcapas con niveles permisibles de energía para que se desplacen los electrones, a estos niveles se los define como bandas, con niveles de intervalo de energía entre ellas denominado banda prohibida, esto es un electrón puede existir en la banda superior o inferior, pero no entre las dos bandas. Para que fluya corriente dentro de un material, el electrón debe estar en la banda superior o de conducción. La aplicación de una fuerza electromotriz externa causa un campo eléctrico, y si los electrones adquieren suficiente energía se mueven a la banda de conducción y se produce una corriente. Cuando la banda de conducción ya está mezclada con la banda de valencia (figura c), la energía de alimentación externa requerida es pequeña y se tiene un conductor eléctrico. Cuando el intervalo de energía entre bandas es grande se tiene un aislador (figura a). Figura a. Aislador Figura b. Semiconductor Figura c. Conductor . Banda de energía De conducción Banda prohibida grande

Bande de energía de enlace-

Banda de energía de conducción Banda. prohibida pequeña

Banda de energía de enlacevalencia

Banda de energía de conducción solapamiento Banda de energía de enlacevalencia

Figura 1.1.Niveles de energía.

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HOJA Nº 2

2.- Generalidades. Los materiales aislantes eléctricos son aquellos que presentan una conductibilidad eléctrica prácticamente nula ó muy baja, se puede decir que idealmente no permiten el paso de la corriente eléctrica, aunque no existe el aislante perfecto, cada vez son más los productos que tienen cualidades dieléctricas elevadas. Los aislantes denominados también dieléctricos, son un medio en el que puede existir un campo eléctrico ( en estado estático), aunque no conduzca la corriente eléctrica. Las funciones principales de los aislantes o dieléctricos, son las de aislar eléctricamente los conductores entre sí, y estos con respecto a tierra, o una parte metálica y modificar en gran proporción el valor del campo eléctrico que los atraviesa. Un aislante debe adaptarse a todas las exigencias que requiera de acuerdo a su utilización en el campo de la electricidad, por ejemplo, flexibilidad para un cable, solidez para un interruptor, resistencia a los agentes destructores (aceite, fuego, humedad), buen funcionamiento en altas frecuencias etc. En la práctica hay que lograr un producto que cumpla de la mejor forma con el conjunto de condiciones exigibles. Una de los parámetros más importantes es la acción de la temperatura sobre los aislantes, que afecta a la durabilidad de un dispositivo eléctrico. 3.-Tipos de aislantes. Los materiales aislantes en forma general pueden clasificarse en orgánicos e inorgánicos, los primeros están compuestos por largas cadenas moleculares de carbono e hidrógeno, muchas veces enlazados con otros elementos, como oxigeno, cloro, etc. Los materiales como el caucho, papel, aceite, algodón y los denominados termoplásticos, son algunos ejemplos. Los aislantes inorgánicos a diferencia de los orgánicos presentan como característica que no se deterioran rápidamente con la temperatura, cuando esta supera los 150º C, y pueden funcionar indefinidamente a temperaturas del orden de loa 1000º C, la mica , la porcelana, y el aire son ejemplos de materiales inorgánicos. De acuerdo al estado que presentan se dividen en: sólidos, líquidos y gaseosos. Dentro de los sólidos se diferencian aquellos denominados naturales por ejemplo el algodón, papel, asbestos, etc. de gran aplicación en electricidad. La tendencia actual es la utilización de los materiales sintéticos, en tal sentido mediante un tipo de reacción química denominada polimerización, algunas moléculas simples pueden ligarse para formar una larga cadena molecular, conteniendo miles de moléculas originales. Todos los aislantes sintéticos son polímeros, por ejemplo el caucho, resinas, barnices y backelitas, son polímeros. Dentro de los líquidos, los más utilizados son los aceites minerales, y en los gaseosos, el aire y el hexafluoruro de azufre. Todos estos materiales son tratados durante el presente capítulo.

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MATERIALES AISLANTES

HOJA Nº 3

4.- Propiedades. Para que un material pueda desarrollar su función de aislante debe cumplir con las siguientes propiedades ó características: • Propiedades Eléctricas. • Propiedades Mecánicas. • Propiedades Físico-Químicas. A continuación se desarrollan dichas características, teniendo en cuenta que las propiedades eléctricas son las más importantes, pero sin descuidar las restantes, ya que sin ellas un material no podría cumplir su función como aislante. 4.1.- Propiedades eléctricas. El circuito equivalente de un dieléctrico puede representarse de la siguiente forma: C

R1 Figura 1.4.1.Circuito equivalente

R2 Este circuito representa a un dieléctrico con pérdidas de energía y corrientes de fuga. Donde la resistencia R1 representa la pérdida por absorción de corriente del dieléctrico, la resistencia R2 representa la componente óhmica de la corriente de fuga. En un dieléctrico perfecto, R1 sería nula y R2 tendría un valor infinito. Los valores de C, R1 y R2 dependen para un mismo aislante de la temperatura, la frecuencia y la tensión del dieléctrico. 4.1.1.- Resistencia de aislamiento. Se denomina resistencia de aislamiento de un material aislante, a la resistencia que opone al paso de la corriente eléctrica, medida en la dirección en la que deba asegurarse el aislamiento. La resistencia de aislamiento depende en gran parte de las condiciones que presenta la superficie del material aislante, la disminución de su valor representa la absorción de humedad, polvo u otros productos. En cuanto a la variación del valor de la resistencia de aislamiento puede decirse que el mismo tiende a crecer con el tiempo en que se mantiene la tensión aplicada, aumentando primero rápidamente y estabilizándose después de un cierto tiempo. El valor de la resistencia de

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HOJA Nº 4

aislamiento tiende a disminuir con el aumento de la tensión aplicada y varía en forma inversa con la temperatura. Al aplicarle tensión a un material aislante se desarrolla una pequeña corriente denominada “corriente de fuga”, la cual sigue dos caminos posibles, uno sobre la superficie del material y otro a través del cuerpo del material, de tal forma que se puede hablar de una resistencia o resistividad de aislamiento superficial, que es la que ofrece la superficie del material al paso de la corriente cuando se aplica una tensión entre dos zonas de dicha superficie, su valor esta dado en MΩ/cm², y de una resistencia o resistividad de aislamiento transversal que es la que ofrece el material al ser atravesado por la corriente cuando se aplica una tensión entre dos de sus caras, expresada en MΩ x cm² / cm. Este ultimo valor es el que se considera en los materiales, para caracterizarlo por su valor de resistividad de aislamiento o resistencia de aislamiento por unidad de volumen de aislamiento. La resistividad es una propiedad del material utilizada para comparar diferentes materiales aislantes. Algunos valores de ejemplo son: Aceite para transformadores Baquelita Tabla 4.1.1.Goma laca Mica Papel

1 a 10 x 1019 2 x 1017 9 x 1021 5 a 10 x 1019 1 a 1000 x 1015

Para la medición o ensayo de la resistencia de aislamiento transversal ó volumétrica (resistencia entre dos caras opuestas de un volumen unitario) se puede recurrir a un dispositivo similar al de la siguiente figura: A C D

µA a

B

Figura 4.1.1.Medición de resistencia transversal.

b Donde A es la muestra del material a ensayar, B, C y D electrodos circulares prensados sobre la muestra. La tensión de ensayo aplicada a los terminales a y b puede ser del orden de 500 a 1000 V y la corriente que circula a través de la muestra se mide en un micro-amperímetro ó galvanómetro.. Los electrodos suelen ser de mercurio y en ese caso el montaje presenta la siguiente característica:

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MATERIALES AISLANTES

µA

HOJA Nº 5

Resistividad superficial

Resistividad transversal µA D A

B a C

Figura 4.1.1.Medición de ambas resistividades.

Donde A es la muestra a ensayar , y B, C y D electrodos de Hg. Como puede verse en el montaje anterior, con distinto conexionado, sirve para la determinación de la resistividad superficial, determinada por la resistencia entre los lados opuestos de un elemento unitario de superficie, para su medición puede también recurrirse al siguiente dispositivo:

D B

C

µA +

A

Figura 4.1.1.Medición de resistividad superficial

-

Donde A es el material a ensayar, B y C dos electrodos en forma de cuchillos y dispuestos paralelamente, y D un electrodo de guardia que evita que la corriente a través del soporte que fija B y C sea acusada por el instrumento. El valor medido es lo que se designa como resistencia superficial ( resistividad superficial, aunque conceptualmente no sea muy exacto, ya que las líneas de fuerza se extienden en el interior del cuerpo. La resistividad superficial está muy influenciada por la humedad, el polvo depositado o adherido, etc, es decir que a las características propias del dieléctrico, se agregan las características y el estado de la superficie.

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HOJA Nº 6

4.1. 2.- Rigidez dieléctrica. Cuando se somete a un aislante a la acción de un campo eléctrico su estructura sufre una deformación, mientras el campo no llegue a un cierto valor, el aislante recobra su estado de equilibrio, pero si este toma un valor considerable, se produce una ruptura eléctrica, y la corriente circula a través del aislante. Esta ruptura se denomina descarga disruptiva, y es una función de la diferencia de potencial aplicado al aislante y su espesor. La rigidez dieléctrica es la propiedad de un aislante de oponerse a la descarga disruptiva y de ser perforado por la corriente eléctrica, y se expresa en kilovoltios por centímetro de espesor:

R= V/e Donde “V” es el potencial disruptivo y “e” es el espesor de la muestra. El valor del potencial disruptivo varía según el cuerpo de que se trate, la clase de corriente aplicada, la duración de la misma, la temperatura, las dimensiones y la forma de la pieza, y el estado de la superficie ( rugosa ó pulida, con polvillo ó limpia, húmeda ó seca, etc.). Para la medida y ensayo de la rigidez dieléctrica de un aislante se utilizan electrodos en forma de esfera y disco, cuyo diámetro varía de acuerdo a la muestra a ensayar, el espesor de la muestra ronda siempre los 3mm, en casos especiales, por ejemplo para ensayos de materiales suministrados en formas determinadas (tubos, cilindros, etc.) se utilizan electrodos en forma especial, adaptables a las mismas. Es conveniente que para los ensayos se sumerjan completamente los electrodos en aceite mineral aislante, en caso que el material a ensayar sea atacado por el aceite, el ensayo se efectuará en el aire , pero procurando que la humedad relativa esté comprendida entre el 60 y 80% y la temperatura será de unos 20º C. Existen dos procedimientos de ensayo, uno, de aplicación progresiva de la tensión y otro escalonado, llamado “de minuto”. En el primero, se conectan los electrodos a la muestra que se va a ensayar a los terminales de un transformador, y por medio de un dispositivo adecuado, va incrementándose progresivamente la tensión, hasta que se produzca la perforación de la muestra. En el ensayo escalonado o de minuto, se comienza aplicando una tensión inicial, cuyo valor sea la mitad de la tensión de perforación obtenida en el ensayo anterior, manteniéndose esta por un minuto. Al cabo de este tiempo, se aumenta el valor de la tensión en 1/10 aproximadamente, del mismo valor de tensión de perforación del ensayo anterior. Se mantiene este nuevo valor durante un minuto más, y si el material resiste, se vuelve a aumentar la tensión y a mantenerla durante el mismo periodo de tiempo. Y así sucesivamente hasta que se produzca la ruptura. Hasta un cierto valor de temperatura la rigidez dieléctrica es independiente de la temperatura, por encima de la temperatura límite , ésta influye mucho en el valor de la rigidez dieléctrica, como se observa en la figura siguiente:

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Up Figura 4.1.2.Rigidez dieléctrica en función de la temperatura

HOJA Nº 7

Temperatura límite

Ruptura Térmica Ruptura Dieléctrica

Temperatura Cuando la perforación se produce por debajo del valor de la temperatura límite se habla de perforación eléctrica de un aislante, ya que depende fundamentalmente de la intensidad de campo predominante, cuando se produce por encima de la temperatura límite los aislantes sólidos comienzan a mostrar una fuerte dependencia de los procesos térmicos y se denomina perforación electrotérmica o termoeléctrica. Por último existe la denominada perforación electroquímica que se presenta en corriente continua y alterna, pero a relativamente bajas frecuencias, cuando la temperatura del medio aislante es elevada y la humedad del aire circundante es alta. Los procesos electrolíticos que se desarrollan en estas circunstancias conducen a una disminución irreversible de la resistencia del aislante. En vista de que el dieléctrico va perdiendo lenta y paulatinamente sus propiedades físicas, suele hablarse de envejecimiento del material aislante. Este fenómeno conduce finalmente a una perforación permanente, la cual lleva el nombre de perforación electroquímica. Este proceso de deterioro se observa no sólo en los aislantes orgánicos ) papel impregnado en aceite, celulosas varias, goma, etc. ), sino también en los inorgánicos. 4.1. 3.- Absorción dieléctrica. Es la propiedad característica de los aislantes cuando se los somete a un campo eléctrico alterno, que da lugar a una falta de elasticidad eléctrica de los dieléctricos, resultando una especie de inercia que se opone a la carga y descarga de los capacitores, haciendo aparecer cargas residuales después de cada descarga. Esta absorción puede considerarse análoga a la resistencia que presentaría un aislante sometido a una tensión alterna. El fenómeno de absorción es el que explica que en un capacitor “C”, con un dieléctrico real, la corriente llega primero rápidamente a un valor máximo, desciende rápidamente al principio y después despacio, hasta llegar a un valor constante.

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HOJA Nº 8

C Figura 4.1.3.Capacitor real LL1

Si se abriese el interruptor “LL1”y se conectase el capacitor “C”a una resistencia, se observaría la circulación de una corriente que rápidamente llegaría a un valor elevado, descendería velozmente y después cada vez más despacio, estando la componente lenta de la descarga asociado al fenómeno de la absorción dieléctrica. Debido a la absorción dieléctrica, cuando se mide la resistencia de aislamiento de un determinado material se toman distintas mediciones separadas en el tiempo y se comparan. 4.1. 4.- Constante dieléctrica. Si se llena completamente el espacio comprendido entre las placas de un capacitor con un material dieléctrico, la capacidad del mismo queda multiplicada por un factor “k” mayor que la unidad. Este factor es el llamado poder inductor específico o constante dieléctrica relativa Єr y es independiente de la forma del capacitor dependiendo exclusivamente del dieléctrico. Su valor varía ampliamente para los diferentes dieléctricos. Al vacío se le asigna el valor 1. El aire tiene 1,00059 (aproximadamente el valor 1). Los distintos tipos de vidrios tienen valores de 5 a 10, el agua 81 etc. Por definición la constante dieléctrica relativa de un medio es la relación entre la capacidad de un capacitor con dicho medio como dieléctrico, y otro con el vacío como dieléctrico.

C/Co = Єr = Є/Єo Donde: C: capacidad de un capacitor con un dieléctrico de constante Є Co: con el vacío como dieléctrico. La llamada constante dieléctrica no es una constante y su valor se ve influenciado por la temperatura y la frecuencia. Para la medición o ensayo de la constante dieléctrica se toma un capacitor de placas con dieléctrico de aire y se mide su capacidad. Luego se coloca entre las placas, el aislante cuya constante dieléctrica interesa conocer, cuidando de conservar las mismas dimensiones y se vuelve a medir la cpacidad del capacitor.

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HOJA Nº 9

4.1. 5.- Pérdidas dieléctricas por Histéresis. Las pérdidas dieléctricas están vinculadas a los fenómenos de polarización en muchos casos; pueden ser debidas a impurezas, iones extraños, pero aún las sustancias rigurosamente puras presentan pérdidas considerables, sobre todo en un determinado rango de frecuencia. Estas pérdidas se deben en gran parte a una imperfecta elasticidad eléctrica de los dieléctricos, de manera que la tensión aplicada tiene que vencer, además de las fuerzas elásticas, cierta especie de fricción molecular o viscosidad, además muchas veces se obtiene un retraso de la polarización respecto a la intensidad de campo aplicado con la correspondiente pérdidas de energía, denominada pérdida por Histéresis, en forma análoga a la histéresis magnética. La histéresis dieléctrica está vinculada al fenómeno de absorción del dieléctrico, y no son muy apreciables con corrientes continuas o de baja frecuencia.

4.1. 6.- Pérdidas dieléctricas por efecto Joule. Factor de pérdidas. Cuando un aislante se somete a una tensión, es atravesado por una corriente de fuga, que depende de la tensión aplicada y de su resistividad. Al circular esta corriente, el dieléctrico sufre el efecto Joule, que se traduce en una pérdida de energía, en forma de calor. El factor de pérdidas dieléctricas constituye un criterio para medir la pérdidas de potencia por calentamiento de los aislantes. También se considera una medida de la capacidad de generación de calor por unidad de volumen del material aislante. En cualquier sistema eléctrico el mayor aprovechamiento de la potencia disponible se logra cuando el coseno del ángulo φ (entre la tensión y la corriente ) es igual a 1, o sea φ = 0. En el caso de un aislante y tratándose de pérdidas el caso mas favorable es cuando la potencia a través del aislante sea nula, es decir cos φ = 0, ó φ = 90º, de tal manera que para un aislante ideal le correspondería la siguiente figura: I

ϕ Figura 4.1.6.Desfasaje ideal. U En vista de que la capacitancia en cuestión, no es ideal, pues contiene pérdidas, el desfasaje entre la tensión e intensidad de corriente no es 90º sino 90º-ϕ. En la práctica siempre se producen pérdidas cuyo valor, generalmente muy reducido es proporcional a la tangente del ángulo δ, complementario del ángulo φ de desfasaje, como lo representa la figura:

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HOJA Nº 10

I ϕ Ángulo de desfasaje Figura 4.1.6.Angulo de pérdidas.

δ Ángulo de Pérdidas

U

El ángulo δ se denomina ángulo de pérdidas. Como el ángulo de pérdidas δ es siempre muy pequeño puede expresarse por el mismo número que su seno o su tangente, y al valor de la tangente de δ, se lo denomina factor de pérdidas. Para que un material sea un buen aislante es necesario que las pérdidas dieléctricas sean mínimas, es decir que el valor de tg δ sea lo más pequeño posible. Es posible clasificar los materiales aislantes por su ángulo de pérdidas, este varía con la temperatura, la tensión aplicada, etc, pero, muy especialmente con la frecuencia. Muchas veces se utiliza el concepto de factor de potencia (cos φ), en lugar del ángulo de pérdidas, cuando se quiere expresar la calidad de un aislante. Para la medición o ensayo de las pérdidas dieléctricas se puede utilizar un método de medición tipo puente, como muestra la figura:

Figura 4.1.6.Puente de Schering

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HOJA Nº 11

Este esquema recibe el nombre de puente de Schering. El dieléctrico objeto del ensayo se prepara en forma de capacitor Cx y se coloca en una rama del puente, en las otras ramas van montados un capacitor de aire y sin pérdidas Cn, una resistencia de precisión R3, y otra resistencia R4 en paralelo con un capacitor variable C4. Cada rama corresponde a una impedancia Zx, Zn, Z3, y Z4; G es un galvanómetro de cero. Del análisis del circuito del puente se obtienen las impedancias de las cuatro ramas: Zx = Rx + 1/jϖCx ; Z3 = R3 ; Zn = 1/jϖCn ; Z4 = R4/(1+jϖC4) Cuando se establece el equilibrio del puente: se tiene: Zx . Z4 = Zn . Z3 Sustituyendo los valores de las impedancias de las cuatro ramas en la ecuación básica de equilibrio del puente, operando y separando los términos reales e imaginarios se tiene: Rx = C4/Cn . R3

y Cx = R4/R3 . Cn

La medición se realiza del siguiente modo: la Capacidad Cn se ajusta aproximadamente al valor supuesto de la capacidad del dieléctrico a ensayar. Se equilibra a continuación el puente, bajo tensión reducida; el galvanómetro no es recorrido por ninguna corriente si las tensiones en los bornes de las impedancias Z3 y Z4 son iguales en tensión y fase. El factor de pérdidas tg δ está dado por la fórmula: tg δ = 2Πf Cx x Rx

4.2.- Propiedades mecánicas. 4.2. 1.- Resistencia a la Tracción y Compresión. Es la propiedad de resistir esfuerzos mecánicos que tienden a estirar o alargar un material, en el primer caso, o a acortarlo ó comprimirlo en el segundo. los valores de estos esfuerzos se expresan el Kg/cm² , y los que corresponden a la resistencia de compresión son por lo general más elevados que los de resistencia a la tracción, o sea que se necesitaría más esfuerzo para romper un material aislante por compresión que por tracción. El sistema empleado para moldear las piezas tiene una importante influencia en el valor de la resistencia a la tracción y compresión, como así también la temperatura y la humedad. Para ensayar un material y obtener la resistencia a la tracción, se coloca una muestra cuya forma es la siguiente:

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HOJA Nº 12 Figura 4.2.1.Muestra para ensayo

Uno de sus extremos de sujeta fuertemente, y en el otro se aplica una fuerza de tracción hasta la rotura de la muestra. El esfuerzo de tracción dado por: σ = F/S [kg/cm²] donde: F es la fuerza aplicada en Kg, y S la sección de la muestra en cm². El esfuerzo σ aumentará a medida que se aumente F, y la muestra antes de su rotura sufrirá un alargamiento. Dos marcas realizadas sobre la muestra a una determinada distancia entre si antes de realizar el ensayo, permitirán obtener el alargamiento, por diferencia con la distancia se mide en el instante de producirse la rotura. La relación entre el alargamiento y la distancia inicial, expresado en tanto por ciento de esta distancia, se denomina alargamiento de rotura, y da una idea de la capacidad que tiene el material para deformarse antes de romperse. Para ensayar un material y obtener la resistencia a la compresión se coloca una muestra del material en forma de barra entre dos placas de una prensa, que ejerce una carga progresivamente creciente, de esta manera la muestra antes de romperse, se deforma reduciéndose su altura y ensanchándose su sección transversal. Esto permite realizar mediciones en forma similar al caso de resistencia a la tracción. Para los materiales aislantes destinados a las máquinas eléctricas, su resistencia a la tracción y a la compresión son generalmente superior a los esfuerzos a que estan sometidos en servicio. En los materiales empleados para el aislamiento de cables, la resistencia a la tracción es un dato importante para evaluar la calidad del material. Para la construcción de aisladores y soportes de los mismos en líneas aéreas, el valor de la resistencia a la compresión cobra importancia, ya que los mismos están sometidos a grandes esfuerzos en algunos casos. 4.2. 2.- Resistencia a la flexión, cortadura y choque. Es la capacidad que presenta el material para resistir esfuerzos que tiendan a doblarlo, cortarlo o resistir el impacto de un golpe, respectivamente. Para ensayar un material y obtener su resistencia a la flexión, se coloca una muestra empotrada en sus extremos y se le aplica una carga en el punto medio que va aumentando paulatinamente. El ensayo consiste en determinar la flecha máxima que alcanza la muestra antes de su rotura y la carga máxima admisible que soporta.

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HOJA Nº 13

P Figura 4.2.2.Ensayo de flexión

Para el ensayo de la resistencia al choque se utiliza una muestra de sección rectangular con una entalladura transversal en una de sus caras según se ve en la figura:

Figura 4.2.2.Muestar para ensayo Sobre esta muestra que se fija a través de sus extremos se efectúan golpes por medio de una máquina especial que consta de un péndulo que se deja caer por su propio peso. La resistencia al choque es una característica importante a considerar en los materiales aislantes pues hay muchos aparatos eléctricos, tales como contactores, interruptores, relés, etc., en los que los aislamientos están frecuentemente sometidos a fuertes esfuerzos de choque. 4.2. 3.- Dureza. Es la resistencia que opone un material a ser penetrado por otro cuerpo más duro. Los métodos ideados para medir la dureza utilizan habitualmente una punta de diamante o una bolita de acero. Para realizar un ensayo de dureza, se prepara la muestra y sobre esta se aplica una bolita de 5 mm de diámetro, bajo una carga constante de 50 Kg, según muestra la figura:

P= 50 Kg Ǿ = 5mm

Figura 4.2.3.Ensayo de dureza.

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HOJA Nº 14

Según que la superficie y profundidad de la huella practicada sean mayores o menores, la dureza del material ensayado será respectivamente, menor o mayor. El índice de dureza está dado por: ∆ = P/S Donde: ∆ es dicho índice. P: el esfuerzo ejercido sobre la bolita, en Kg. S: la superficie de la impresión producida por la bolita, en cm². Es interesante la medida de la dureza en muchos materiales aislantes, ya que esta propiedad está relacionada con otras como por ejemplo, de forma directa la resistencia al desgaste. En muchas aplicaciones eléctricas, en aparatos donde los aislantes están en constante movimiento o sometidos a golpes, compresiones y roces, el escoger un material con buena dureza superficial representa ya una garantía para el buen funcionamiento del aparato o máquina en cuestión. 4.2. 4.- Límite elástico. Todo material puede soportar los esfuerzos anteriores hasta cierto límite sin deformarse, y sin volver a recuperar su forma primitiva. Se denomina limite elástico, al esfuerzo máximo que puede aplicarse aun material, sin que experimente deformaciones permanentes. Por debajo de este valor máximo existen otros que producen la deformación del material, pero una vez quitado el esfuerzo que la produjo, recupera la forma primitiva. A estas deformaciones se las conoce como deformaciones elásticas. 4.2. 5.- Maquinabilidad. Es la facilidad que presenta un material para ser mecanizado. El mecanizado de piezas de materiales aislantes se hace necesario cuando las piezas a fabricar se encuentran comercialmente en forma de planchas, tubos, perfiles, etc. En las operaciones de mecanizado de piezas aislantes ha de ponerse gran cuidado en evitar grietas u otros daños que pudieran mermar las cualidades dieléctricas del material. 4.3.- Propiedades físico – químicas. 4.3.1.- Peso específico. Está dado por el peso de la unidad de volumen de material, y se lo expresa en gr/cm³. 4.3.2.- Porosidad e Higroscopicidad.

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HOJA Nº 15

La porosidad de un material está dada por los espacios vacíos o poros entre sus moléculas, gracias a lo cual pueden ser comprimidos o dilatados y hacerse permeables a los gases y aún a los líquidos. La porosidad desempeña un papel importante en la vida útil de un aislante, sobre todo con respecto a la absorción de humedad y a la disminución de la rigidez dieléctrica consiguiente. La higroscopicidad o poder higroscópico es la capacidad que tiene un material de absorber humedad. Esta característica es una consecuencia directa de la porosidad, ya que es en los poros donde se aloja el agua, la cual se incorpora al material procedente de la humedad atmosférica o del ambiente húmedo en que se encuentra. 4.3.3.- Resistencia al ozono. El ozono cuya fórmula química es O3, se produce al ionizarse el aire por acción del campo eléctrico, y resulta ser mucho más oxidante que el oxígeno ordinario y fácilmente reconocible por un aroma característico. Los materiales aislantes pueden estar sometidos al ozono especialmente cuando las tensiones de servicio son muy elevadas. 4.3. 4.- Resistencia a la luz solar. Los efectos de la luz solar sobre los aislantes se traducen en decoloración y transformación en un material frágil o quebradizo, que puede resultar inadecuado para las funciones que debe desempeñar. 4.3.5.- Resistencia a los ácidos y álcalis. El efecto de los ácidos y álcalis sobre los materiales aislantes se manifiesta en una descomposición, la cual se manifiesta primero por un ablandamiento, y a veces por un aumento de volumen del material afectado, resultando notablemente disminuidas sus propiedades mecánicas y eléctricas. La acción perjudicial de los agentes químicos sobre los aislantes es lenta y que la resistencia de éstos es buena, y se han resuelto todos los problemas de corrosión que se planteaban en la industria. 4.3.6.- Resistencia a los aceites. En general los aislantes resisten la penetración del aceite y su resistencia no se ve afectada tanto para los aceites minerales, vegetales o animales.

4.4.- Influencia de la Temperatura en los materiales aislantes. Propiedades térmicas. 4.4.1.- Calor específico.

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HOJA Nº 16

El calor específico de un cuerpo a α grados, es la cantidad de calor necesaria para calentar un grado, a partir de la temperatura cero, un gramo de ese cuerpo. El calor específico se expresa en calorías-gramo, y la temperatura en grados centígrados. El calor específico del agua entre 0º y 60 ºC, es igual a 1. Todos los cuerpos excepto el hidrógeno líquido, tienen menor calor específico que el agua. Para los aislantes interesa siempre que el calor específico sea lo más elevado posible, ya que al estar sometido a calor, la elevación de su temperatura sea pequeña. 4.4. 2.- Conductividad térmica. Se denomina así a la propagación a través de los cuerpos y tiene lugar cuando todos los puntos de estos no están a la misma temperatura, por lo tanto el calor se propaga, de molécula a molécula, desde los puntos más calientes a los más fríos. El coeficiente de conductibilidad térmica expresado en unidades C.G.S. , es el número de calorías-gramo que atraviesan perpendicularmente, en un segundo, un centímetro cuadrado de una lámina que tenga un centímetro de espesor y cuyas caras se mantengan a temperaturas que difieren entre sí un grado centígrado. Cuanto menor sea la conductibilidad térmica de un aislante, menor será la transmisión de calor generado en el conductor eléctrico por efecto Joule, a los cuerpos vecinos o al medio ambiente que lo rodea. 4.4.3.- Temperatura de seguridad. La mayoría de los materiales aislantes trabaja a temperatura superior a la del medio ambiente, esto altera sus características, disminuyendo su resistencia de aislamiento, su rigidez dieléctrica, y también su resistencia mecánica, además que aumenta su facilidad para ser atacados por agentes químicos. Por esto interesa saber la capacidad de resistencia al calor o la temperatura límite a que pueden estar sometidos sin que se produzca la degradación de sus características, a esta temperatura se la denomina temperatura de seguridad. La destrucción de un dieléctrico no se produce inmediatamente al llegar a cierta temperatura crítica, sino que se produce por la acción prolongada de dicha temperatura. Antes de destruirse ciertos aislantes se deforman o ablandan al llegar a cierta temperatura, alcanzando lo que se denomina punto de reblandecimiento. La temperatura de seguridad entonces debe ser inferior a la temperatura en la que se alcanza el punto de reblandecimiento. El punto de reblandecimiento de un aislante depende también de los esfuerzos mecánicos a los cuales se ve sometido, por lo tanto debe fijarse la temperatura máxima de seguridad a la que puede funcionar teniendo en cuenta dichos esfuerzos. 4.4.4.- Temperatura del punto más caliente. Es la temperatura que como máximo puede alcanzarse en cualquier punto de un dispositivo eléctrico, es el punto a tener en cuenta al proyectar los aislamientos.

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HOJA Nº 17

4.4.5.- Límites de temperaturas. Se realizó una estandarización universal para clasificar a los materiales aislantes haciendo referencia a la temperatura máxima de funcionamiento continuo que pueden soportar. CLASE TEMP. LIMITE seda y papel sin impregnación. Polietileno 90º C Algodón, Y reticulado, papeles y cartones sin impregnar, fibra vulcanizada, madera.

DESCRIPCION

A

105º C

E

120º C

B

130º C

F

155º C

H

180º C

C

>a 180º C

Algodón, seda y papel convenientemente impregnados. Materiales moldeados con relleno de celulosa. Láminas de acetato de celulosa. Fibra vulcanizada y madera impregnadas. Policloruro de vinilo. Barnices a base de resinas naturales y fenólicos nodificados. Materiales que por ensayos o experiencias son capaces de funcionar a 120º C. Papel baquelizado, resinas fenólicas. Moldeados y estratificados con base de algodón o papel y resinas. Materiales a base de mica, fibra de vidrio, amianto. Esmaltes a base de resinas de poliuretanos. Tejidos de vidrio y amianto. Mica y papel de mica aglomerada con goma laca. Aislamiento de caucho etileno-propileno. Barnices de resinas de melamina, epoxídicas y poliéster. Materiales a base de mica, fibra de vidrio, amianto con aglomerados de orgánicos adecuados. tejido de fibra de vidrio tratado con resinas de poliéster. Mica o papel de mica, aglomerada con resinas de poliéster o con resinas epoxídicas. estratificados amianto-vidrio. Aislamientos de elastómeros de siliconas. Tejido de fibra de vidrio, aglomerados con resinas de siliconas o recubiertos con elastómeros de siliconas. Mica y papel, aglomerados con siliconas. Barnices a base de resina de siliconas. Materiales compuestos de mica, porcelana, cuarzo, vidrio. Mica pura y estratificados de papel de mica con aglomerante inorgánico. Porcelana y materiales cerámicos. Vidrio y cuarzo.

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HOJA Nº 18

Para la elección del valor adecuado del límite de temperatura deben tenerse en cuenta las condiciones particulares de funcionamiento del dispositivo eléctrico, considerando que la falla del aislante no se produce en forma brusca, sino por un deterioro mecánico gradual con el tiempo. El tiempo y la temperatura, actuando conjuntamente disminuyen la resistencia mecánica de los aislantes de estructura orgánica, haciéndolos más quebradizos y provocando, con el paso del tiempo, su desintegración bajo la acción de vibraciones o de esfuerzos mecánicos importantes. La vida de un material aislante depende también del exceso de oxígeno, humedad, productos químicos, etc, en el interior de su estructura. La temperatura ambiente afecta directamente a la temperatura que alcanzan los dispositivos eléctricos en funcionamiento, por lo tanto se debe elegir un valor adecuado para esta, el valor más utilizado es de 40º C. Teniendo en cuenta este valor se obtienen los valores máximos de aumento de temperatura del punto más caliente de un aislante.

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HOJA Nº 19

5.- Aislantes sólidos. 5.1.- Celulósicos y textiles. La celulosa es un compuesto orgánico constituido por 48% de carbono, 46 % de oxígeno y 6 % de hidrógeno, y en estado puro se presenta como una masa blanca amorfa, dentro de los materiales celulósicos se tienen a las maderas, los textiles y los papeles. Las celulosas son cuerpos insolubles en el agua y en líquidos orgánicos, no volátiles y que se descomponen al calor, además poseen características mecánicas muy interesantes. Todos los materiales de celulosa no tratada se destruyen alrededor de los 120º C y no deben someterse a temperaturas superiores a los 90º C ( Clase térmica Y). Las propiedades eléctricas de los aislantes celulósicos de penden de su estructura química y de su contenido de humedad. 5.1.1.- Madera. La madera contiene un 44 % de celulosa asociada a una sustancia dura, la lignina, que actúa como tejido de sostén de la anterior. En electricidad se emplean maderas duras, tales como fresno, arce, nogal americano, roble, etc.; el principal inconveniente radica en que es higroscópica, si no se la somete a algún tratamiento previo, las maderas no tratadas solo pueden emplearse como soportes de dispositivos de baja tensión. La madera sin impregnar está considerada como material aislante clase Y, mientras que tratada puede considerarse de clase A (105 ºC). Algunos de los tratamientos previos que se realizan a las maderas para su empleo en electricidad se describen a continuación. • tratamiento superficial con parafina: en el tratamiento no se aumenta la rigidez dieléctrica de la madera, sino que se evita que absorba la humedad atmosférica, es decir se realiza una impermeabilización. Básicamente el tratamiento consiste en secar la madera, se la coloca en una cuba donde se vierte la parafina fundida a 90º C durante 24 horas, luego se reduce la temperatura a 55º C y se vacía la cuba de parafina, se deja enfriar la madera hasta la temperatura ambiente. • tratamiento a fondo con parafina: es para maderas que exigen una elevada rigidez dieléctrica. El procedimiento consiste en cubrir la madera con parafina a 80º C y mantener esta temperatura hasta que cesa la ebullición en la superficie del líquido, luego se aumenta la temperatura a 120º C, hasta que desaparece totalmente la ebullición y la formación de espuma, se deja enfriar, luego se ensaya una muestra y si no resulta satisfactorio se rehace el procedimiento.

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HOJA Nº 20

• tratamiento con aceite de linaza: con este tratamiento se impermeabiliza la madera sin mejorar sus propiedades dieléctricas. La madera se seca en estufas y al vacio, luego se cortan las piezas a sus dimensiones finales y se las somete a unos 60º C, se colocan en una cuba abierta, cubriéndolas con aceite de linaza crudo. La impregnación debe durar 48 hs. Comprobada la penetración del aceite se vacía la cuba y se deja secar durante 6 hs. • tratamiento con aceite de linaza a presión: con este tratamiento también se mejoran las propiedades dieléctricas de la madera. Las piezas ya conformadas se secan en estufas durante 30 a 36 hs. A unos 75º C y a la presión atmosférica y luego se pasan al baño en aceite de linaza crudo, se impregnan las piezas durante 5 a 8 hs. a 110º C bajo una presión de 7 a 8 Kg/cm². Luego se escurren las piezas con la cuba cerrada y a temperatura constante de 100º C, y por último, comprobada su rigidez dieléctrica se procede a la cocción oxidante a 100º C durante 36 hs. en una estufa. • tratamiento con aceite de transformador: es un tratamiento para aquellas piezas que han de estar sumergidas en aceite (transformadores). Se colocan las piezas en una cuba cerrada a 90º C, elevando lentamente la temperatura durante 36 hs. Se realiza un vacío durante 2 horas, luego se calienta lentamente hasta 100º C, se repite el tratamiento durante una semana aproximadamente. Posteriormente se eleva la temperatura a 115º C y se hace el vacío a lo largo de otra semana. El procedimiento se repite hasta los 125º C. En forma independiente el aceite de transformador se calienta a 110º C, y previamente filtrado se sumerge la madera en el baño de aceite, se mantiene el contacto con la madera y el aceite a 110º C y a la presión atmosférica hasta finalizar la impregnación. Se enfría el baño a 45º C, se vuelve el aceite a un depósito, filtrándolo lo más rápidamente posible, luego se comprueba la rigidez dieléctrica que presenta el producto del tratamiento. 5.1.2.- Permalí. Es una forma de utilización de la madera impregnada a base de baquelita. Sus ventajas proceden de las propiedades que presentan las resinas sintéticas, como son el aumento de la resistencia mecánica, poca combustibilidad, mejora de las propiedades dieléctricas etc., tiene aplicación en el campo de las altas frecuencias debido a su factor de pérdidas dieléctricas muy bajo. 5.1.3.- Fibras.

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HOJA Nº 21

La fibra normal esta constituida por aserrín de madera molido, tratado con caucho y mezclado con sangre de vaca, comprimida en caliente y a baja presión, comercialmente se la encuentra en forma de barras y placas de espesor variable, de tonos rojizo, gris o negro. Su principal aplicación es en cuñas de cierre de ranuras en las máquinas eléctricas. La fibra vulcanizada se obtiene tratando el papel de trapo de algodón con cloruro de zinc, lo que produce que el papel se gelatinice en parte, luego se calienta y se lamina al espesor deseado. La masa obtenida se lava con agua extrayéndosele el cloruro de zinc, la fibra que resulta se seca y se prensa, quedando lista para su utilización. La fibra vulcanizada absorbe hasta un 60º de agua cuando se sumerge en ella y aumenta casi al doble de su volumen. La temperatura máxima de seguridad es de 150º C, se la fabrica en colores gris, negro, rojo y blanco. Tienen una gran resistencia mecánica, buena flexibilidad, y alta rigidez dieléctrica, fabricándose en espesores de hasta 3 mm, y su principal utilización es en el aislamiento eléctrico de ranuras. 5.1.4.- Papel. El papel se fabrica con pulpa de madera, trapos o fibras vegetales. Es muy higroscópico, en condiciones normales contiene del 5 al 10 % de agua, debido a esto para las aplicaciones en electricidad debe secarse e impregnarse con aceite o barniz. La aplicación principal del papel es en el aislamiento de cables de alta tensión, de capacitores, de conductores eléctricos en general, de bornes, o como soporte de otros aislantes. La consistencia fibrosa y porosa del papel explica la gran avidez por los gases y líquidos, sobre todo por el agua. El papel no impregnado, aunque se haya secado, no tiene una gran rigidez dieléctrica, a causa de su porosidad. El aire encerrado en sus poros se ioniza en campos eléctricos relativamente débiles, y esta ionización provoca con gran rapidez la perforación del aislante. Las propiedades mecánicas del papel dependen, en gran parte de las fibras básicas empleadas en su fabricación. Mediante la impregnación del papel con barnices, aceites, resinas etc., se consigue llenar los poros y tender a eliminar la humedad, aumentar la rigidez dieléctrica por eliminación del aire que es causa de ionización, lograr superficies más pulidas, aumentar la resistencia al calor y aumentar la conductividad térmica. A continuación se detallan los papeles mas empleados como aislantes eléctricos. • Papel de trapo: son los elaborados con un mínimo de productos químicos y aditamentos, utilizando como materiales básicos al algodón y el lino, resulta un papel fuerte y de resistencia térmica mayor que los papeles de pulpa de madera y productos químicos. Se los utiliza como aislantes de ranuras y en espesores muy finos en capacitores. • Papel kraft: presenta un color tostado y puede impregnarse fácilmente, convenientemente tratado adquiere buenas propiedades mecánicas y eléctricas. Se emplea para aislamiento de conductores y cables o como refuerzo de aislamientos compuestos.

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HOJA Nº 22

• Papel manila: fabricado a partir de fibra de cáñamo de Manila y de trapos viejos, es fino y muy blanco, y de gran resistencia mecánica a pesar de su ligereza. Se lo utiliza en el aislamiento de cables telefónicos, ligeramente arrugado y flojamente arrollado. • Papel japón: fabricado a partir de la corteza de ciertos arbustos de Filipinas, tiene muy pequeño espesor, es de aspecto sedoso y de color blanco con una gran resistencia mecánica. Se emplea como material base para ciertos tipos de aislantes de mica. • Papel de celulosa: fabricado a partir de fibra de madera, previamente cocida. Durante su fabricación es sometido a temperaturas bastante elevadas, por lo que debe ser resistente al calor. • Papel acetilado: su fabricación es similar al algodón hilado. La celulosa tratada con ácido acético, se transforma parcialmente en acetato de celulosa y adquiere muy buenas propiedades dieléctricas. Se lo utiliza en aislamientos de cables. • Papel impregnado en aceite: la impregnación se realiza con aceite fluido, similar al de los transformadores, o con aceite espeso, constituido por una mezcla de 75 % de aceite mineral y 25 % de una resina natural denominada colofonia procedente de los residuos de la destilación de la esencia de trementina (aguarrás), que se obtiene del pino y otras coníferas. El aceite espeso no debe fluir a temperaturas de 40 a 50º C, ni solidificarse a temperaturas inferiores, pero en cambio ha de ser suficientemente fluido para permitir una buena impregnación del papel en caliente a 130º C. La masa aislante que resulta es consistente pero plástica a la temperatura ordinaria, volviéndose fluida en caliente, por lo que el papel la absorbe, rellenando sus poros. Para evitar la entrada de humedad los cables aislados con papel impregnado, han de ir provistos con una cubierta estanca de plomo que rodea las capas aislantes y los extremos se cierran con manguitos terminales. Antiguamente el papel impregnado era el único dieléctrico utilizado en cables subterráneos de alta y baja tensión, en la actualidad a pesar de los nuevos materiales aislantes, sigue teniendo gran aplicación. • Papel baquelizado: con la acción combinada del calor y la presión (140º C y 150 kg/cm) sobre hojas de papel o de tejido recubiertas o impregnadas de barniz sintético, en particular de baquelita, se obtienen materiales en forma de placas, varillas o tubos con cualidades mecánicas notables y una rigidez dieléctrica mayor que la porcelana. Según la clase de papel elegido (poroso o satinado) y el tipo de barniz, se obtienen diferentes propiedades eléctricas y mecánicas. Se lo considera un aislante de clase E, lo que corresponde a una temperatura máxima de

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HOJA Nº 23

trabajo de 120º C. Los fabricantes distinguen las siguientes calidades de papel baquelizado: Clase I: para solicitaciones eléctricas intensas, especialmente para el empleo bajo aceite hasta 110º C. Clase II: para solicitaciones principalmente mecánicas y solicitaciones eléctricas normales. Clase III: para aplicaciones en telecomunicaciones (factor de pérdidas dieléctricas bajo a altas frecuencias). Clase IV: para aplicaciones especiales en telecomunicación. Bajo factor de pérdidas y baja absorción de humedad. El papel baquelizado se lo comercializa en tonos parduzco, negro, amarillo o rojo. Siempre es higroscópico, la absorción de humedad nunca puede suprimirse totalmente, tiene la facilidad de poder trabajarse con distintos tipos de herramientas. Algunas denominaciones comerciales son: Grax, Pertinax, Repelit, Trolitax. Se lo utiliza en aislamiento de barras, tubos o varillas de sujeción, canales aislantes para máquinas eléctricas, armazones de bobinas, aislamiento de devanados de transformadores, recubrimiento de cajas de interruptores, construcción de bornes de alta tensión, tableros de alta y baja tensión, tableros de instrumentos de medida y control. • Cartón aislante: se fabrica con las mismas materias primas que el papel, pero la presión aplicada durante la elaboración es mayor, resulta mas grueso, menos flexible y por lo general mas denso que el papel, es higroscópico y debe impregnarse para mejorar sus propiedades dieléctricas y preservarlo de la humedad. En aplicaciones de baja tensión el cartón impregnado es satisfactorio como aislante y resulta más económico que otros materiales. Según los materiales que lo componen recibe diferentes denominaciones, entre las más conocidas están: Presspan: fabricado con fibras de madera y presentado en forma de hojas de 0,1 a 5 mm de espesor de cartón fuerte, cuyas caras están endurecidas y vidriadas. es muy utilizado en dispositivos de baja tensión como interruptores y conmutadores, también suele utilizarse en máquinas eléctricas para el aislamiento de las ranuras y en los transformadores como separadores. Pressboard: es absorbente, con gran proporción de algodón, que se impregna fácilmente en aceite, barniz o baquelita. Se pliega y moldea con facilidad. Transformer board: es de calidad superior, constituido únicamente por celulosa y pasta de trapos, soporta con facilidad esfuerzos mecánicos.

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HOJA Nº 24

5.1.5.- Telas aislantes. Son tejidos fabricados con fibras animales (seda), vegetales (algodón, lino, yute, cáñamo), minerales (amianto, vidrio) y sintéticos (nylon). Las fibras utilizadas son por naturaleza higroscópicas, por lo tanto estos materiales deben impregnarse adecuadamente para mejorar sus propiedades aislantes. Sin tratamiento se las considera clase Y (90ºC), pero impregnadas en aceite o con barniz corresponden a la clase A (105º C). Estas telas, solas o en combinación con otros aislantes se las emplea en aislamiento de ranuras, paneles de transformadores etc. Las telas aislantes cortadas en tiras de gran longitud reciben el nombre de cintas aislantes. Algunos ejemplos son: Cintas no tratadas: se hacen a base de tejidos de algodón, seda, vidrio y amianto. Son higroscópicas y de pobres características dieléctricas. Cintas tratadas con barnices: se cortan en hojas de tela tratada y se emplean para encintar devanados que no pueden impregnarse fácilmente. Cintas bituminosas: se obtienen impregnando las tiras de algodón con materiales bituminosos fundidos, como el asfalto natural, asfalto de gas de petróleo, etc. Cintas adhesivas: consisten en tiras de tejido de algodón impregnadas con compuestos aislantes adhesivos que contienen caucho ó betún. Se emplean generalmente para empalmes de baja tensión. 5.1.6.-Características técnicas de materiales celulósicos y textiles.

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HOJA Nº 25

Características

Madera de arce seca

madera de fibra arce normal parafinada

fibra papel vulcanizada seco

peso específico en gr/cm³ resistencia a la tracción en kg/cm² resistencia a la compresión en kg/cm² resistencia a la flexión en kg/cm² temp. máx. de funcionamiento ºC Absorción de agua en 24 hs. en % resistividad en ohms. cm²/cm rigidez dieléctrica en kv/mm a 20º C constante dieléctrica

0.62.....0,85

0,62....0,85

> 1,05

> 1,3

0,8....1

< 1,42

54

54

420

420

---------------

700....1200

400....600

400....600

1.400

> 2.100

----------------

1.000....1.500

400....500

400....500

810

910

------------------

800...1.500

90

105

125

125

90

105

---------

----------

< 65

< 60

----------

8....11

---------------

3 x 1010

2 x 1010

2x 1010

---------------

1010

------------------

4

6....8

8....8

30....40

30

4,4

4,1

2,5....5

2,5....5

3,5

5,4

-------------

------------

-----------------

0,005

0,015

0,033

0,05

0,05

-------------

0,03

factor de pérdidas a ------------50 hz. factor de pérdidas a 1 -------------Mhz.

kraft papel kraft baquelizado

5.2.- Micas. Se conoce con el nombre genérico de micas a un grupo de minerales naturales compuestos de sílice, aluminato potásico, hierro y magnesio, su calidad varía según su transparencia. Las micas se separan fácilmente en láminas planas, muy delgadas y elásticas, que pueden tener hasta 0,005 mm de espesor. La mica moscovita o mica de potasio se encuentra en la India, EE UU, África y América del Sur, se presenta en tonos blancos, rubí y verde, siendo la blanca la más utilizada por sus propiedades mecánicas y eléctricas. La mica flogopita, se encuentra en Madagascar y Canadá , es de color ambarino, está constituida por silicatos de aluminio y de magnesio. Esta última posee propiedades mecánicas y dieléctricas inferiores a la moscovita pero cuenta con mejores propiedades térmicas. La mica pura presta grandes servicios en la construcción eléctrica, allí donde es posible emplear sus hojas, pero su utilización en grandes espesores es muy delicada. Por esta razón se ha intentado el uso de un adhesivo orgánico ( resina sintética, laca, etc.) para pegar entre si las hojas o laminillas. Los productos resultantes conservan ciertos defectos de los aislantes orgánicos y no pueden someterse a elevada temperatura, poseen una rigidez dieléctrica menor pero son más económicos y más fáciles de trabajar.

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HOJA Nº 26

Como aglomerantes de las laminillas o escamas de mica se emplean diversos materiales cuya naturaleza determina la clase térmica del producto resultante. La mica pura es clase térmica C, es decir puede trabajar a temperaturas superiores a los 180º C, el agregado de aglomerantes en general de inferiores cualidades térmicas, hace que resulte un material de clase inferior, excepto en algunos casos especiales. La goma laca se empleó durante muchos años como aglomerante casi exclusivamente, esta tiene buenas propiedades aislantes, seca fácilmente, une fuertemente, y, como es termoplástica, permite a partir de láminas obtener otras formas. Actualmente se emplean otros materiales plásticos como aglomerantes, por ejemplo los fenólicos ( polvo de baquelita ). También se emplean resinas poliéster y resinas epoxídicas, solas o con soporte de tejido de vidrio. La clase y proporción de aglomerante utilizado depende, naturalmente de la aplicación que deba darse al material. De una forma general , puede decirse que cuanto mayor sea la proporción de aglomerante, más flexible y blando es el material que resulta. Por ejemplo para el aislamiento entre delgas de colectores, donde se necesita un material duro y resistente, el contenido de material aglomerante varía entre el 3 y 5%. Para materiales aislantes destinados a ser moldeados en caliente el contenido de aglutinante es del 15%, mientras que si estos materiales han de poderse moldear en frío, la proporción aumenta al 20%. A continuación se describen los materiales a base de mica más utilizados en electricidad. • Micanita: la micanita para usos generales emplea la goma laca como aglomerante. Debido a su contextura, el aislamiento de la micanita es más regular que el de la mica pura, pero inferior al de la mica de buena calidad. Se emplea en la confección de tejidos aislantes, de aisladores moldeados, de canales de ranuras, de conos para colectores, etc. Puede hacerse flexible utilizando un adhesivo también flexible, en tal estado se utiliza para aislar las diferentes capas de devanados. Comercialmente se las conoce como Megomite, Micanite, Supermicanite, etc. • Micasin: es un material muy moderno obtenido al separar química y mecánicamente la mica en pequeñísimas escamas y por sucesivos tratamientos químicos y térmicos transformar la mica en “pulpa de mica”que pasa luego por una máquina que la transforma en hojas delgadas y regulares., con respecto a la micanita posee una mayor homogeneidad, gran regularidad de espesor, mejores propiedades dieléctricas, mecanizado y troquelado más fácil. Algunas denominaciones comerciales son : Dimicanit, Mica-mat, Micasin, Samica, Samicanita. • Micarta: fabricada a base de residuos de mica, presenta una resistencia mecánica muy apreciable. Se lo emplea como sustituto de la ebonita. Es insoluble en la mayor parte de los disolventes industriales, y no es higroscópico.

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HOJA Nº 27

• Micalex: está compuesto de polvo de mica y un aglomerante mineral vitrificable por fusión, de los cuales el principal es la sílice. La mezcla de estos materiales se calienta hasta una temperatura de 650º C, que provoca el ablandamiento del aglomerante, sin descomponer la mica. Luego se comprime fuertemente en un molde metálico hasta que se enfríe por completo. El micalex es un material duro, vítreo e impenetrable a los líquidos y gases. A pesar de su dureza puede trabajarse con herramientas de acero rápido. Se puede moldear fácilmente y otorgarle finura de detalles, y es posible recubrirlo con cuerpos o aleaciones de bajo punto de fusión, como el plomo, el estaño, el aluminio, etc. Resiste a las acciones mecánicas y al choque, siendo prácticamente incombustible. Sus propiedades dieléctricas se mantienen prácticamente invariables hasta unos 300º C, es decir que se trata de un aislante de clase térmica C. Por su bajo factor de pérdidas dieléctricas, constituye un excelente dieléctrico a altas frecuencias. Entre sus principales aplicaciones están: bujías de encendido para automóviles, soportes portaescobillas para motores sometidos a sacudidas, cámaras de extinción para interruptores, bielas de mando de seccionadores, aisladores de antena para radiocomunicación, etc. Algunas denominaciones comerciales son Micalex, Microy, Turx. • Papel de micanita: constituido por una capa de papel Japón, sobre la que se deposita mica en escamas, es flexible y resistente, y soporta tensiones de hasta 3 Kv, considerándose de clase térmica B. • Micafolio: compuesto por una o dos capas muy finas de mica en escamas, con un soporte de papel, y se recubre luego con una capa de laca u otro aglomerante. Es un material muy flexible que se presenta en rollos. Su aplicación principal es como aislamiento de devanados de máquinas eléctricas, sobre los que se enrolla en frío, calentándose a continuación, finalmente se aprietan y se enfrían en una prensa, que les da directamente la forma y dimensiones de las ranura en la que deben alojarse. Según el aglomerante utilizado ( goma laca, resina poliéster, resina epoxídica, silicona ) se logran micafolios de distintas clases térmicas que van entre los 130º C hasta 180º C. 5.2.1.- Características técnicas de los materiales aislantes a base de mica

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HOJA Nº 28

Características

Mica Moscovita

Mica Flogopita

Micanita flexible

Micasin

Micarta

Micalex

Peso especifico kg/cm² Resist. a la tracción kg/cm² Resist. a la compresión Kg/cm² Resist. a la flexión Kg/cm² Temp.. máx. de funcionamiento ºC Absorción de agua en 24 Hs. En % Resistividad en omhs. cm²/cm Rigidez dieléctrica en Kv/mm Constante dieléctrica Factor de pérdidas tg δ

2,6.....3,2

2,6.....3,2

2,3.....2,4

2,3.....2,5

1,9.....2

3.....3,5 350.....500 1500....2000 1000....1400

500

900

130....180

200....500

130

300

nula

nula

0,05

0,03

1014 ..... 1018

1011 ..... 1013

2 x 1011

104

40....125

30....100

20....25

50

12

13,5

4,5....8

5....6

3,5.....4

3,5.....4

4

8,3

0,001..0,01

0,001...0,07

0,0013.... 0.0032

0,001..0,004

0,013

0,0023

5 x 1015

5.3.- Materiales Cerámicos. Los aislantes eléctricos de cerámica son de la familia de las porcelanas, se preparan del mismo modo que las ordinarias, y se endurecen seguidamente gracias a la intervención de reacciones químicas, de fenómenos de coagulación o de cristalización a elevada temperatura. Las propiedades particulares se logran modificando la proporción de los componentes normales o agregando algunas sustancias suplementarias. Todos los aislantes de este tipo denominadas porcelanas eléctricas, resisten al calor, a los cambios de temperatura y a la humedad, no son atacados por los álcalis, ni por los ácidos. Los componentes fundamentales de la composición son los silicatos alumínicos ( arcilla, caolín, etc) y los silicatos magnésicos (talco)., a estos se añaden otros secundarios como el cuarzo, el feldepasto, la alúmina, el cloruro de silicio, etc., en las proporciones adecuadas según la característica que deba tener el producto terminado. 5.3.1.- Porcelana eléctrica. La porcelana se obtiene por cocción, hacia los 1400º C, está compuesta de los siguientes elementos:

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Componente Arcilla o caolín

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Fórmula aproximada Al2 O3 – 2 Si O2 – 2 H2 O

Composición 50 %

Cuarzo u óxido de Si O2 silicio

25%

Feldepasto

25%

K2 O – Al2 O3 – 6 Si O2

HOJA Nº 29

Característica Blanco o ligeramente amarillento, muy blando y de tacto algo grasiento, se reblandece sin fundir a 1880º C y absorbe fácilmente la humedad De gran dureza, que funde a 1720º C, siendo su punto de reblandecimiento de unos 1500º C Nombre de un grupo genérico de minerales formadores de roca, son silicatos de anhídridos de Al, con potasio, sodio y calcio. Es duro y mas fusible que los otros componentes, por lo que actúa como fundente y aglomerante.

Los tres componentes se mezclan bien y se amasan con agua, quitando las impurezas. El agua se elimina después mediante filtros-prensa. Dejando la masa humedecida durante cierto tiempo se vuelve plástica. Luego se espesa, amasándola y batiéndola. Antes de la cocción se le da la forma debida mediante distintos tipos de moldeo. Después de moldeadas, se secan las piezas y luego se cuecen, a una temperatura de 900º C, luego son esmaltadas, cubriéndolas con una pasta especial. Después de esmaltadas se procede a la cocción definitiva, elevando gradualmente la temperatura hasta 1500º C. El esmaltado además de constituir el recubrimiento protector de la porcelana, aumenta notablemente su resistencia mecánica, aunque no tiene influencia sobre sus propiedades dieléctricas. La porcelana obtenida con las proporciones indicadas anteriormente tiene propiedades, eléctricas, mecánicas y térmicas de tipo medio, si se quieren obtener porcelanas priorizando alguna propiedad, deben modificarse las proporciones de los componentes básicos. Por ejemplo aumentando el porcentaje de feldepasto se mejoran las propiedades eléctricas del producto final. En vez de feldepasto, o conjuntamente con el mismo, pueden las mezclas contener otros elementos como óxidos alcalinotérreos, oxido bórico, etc., y en vez de cuarzo, óxido de zirconio, de titaneo, etc.

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HOJA Nº 30

5.3.2.- Propiedades de la porcelana. • Mecánicas: las porcelanas poseen gran resistencia mecánica a la compresión y a la flexión y buena resistencia a la tracción y a la torsión.. La resistencia mecánica disminuye con la sección. • Térmicas: la sensibilidad de la porcelana a los cambios de temperatura, se determina mediante una prueba en la que la probeta se sumerge varias veces y alternativamente, en un baño caliente y otro frío, cuya diferencia de temperatura es de 70º C, se considera que la porcelana es de buena calidad si soporta el ensayo durante tres veces sin presentar defecto alguno. La excelente resistencia de la porcelana a las variaciones de temperatura, se debe a su pequeño coeficiente de dilatación y a su elevada resistencia mecánica. La porcelana tiene una temperatura de reblandecimiento de 1500 a 1700º C, según su composición, mientras que para el esmalte exterior desciende a 1000º C, en todos los casos debe considerarse el tiempo durante el cual actúa el calor. • Eléctricas: La rigidez dieléctrica de la porcelana es elevada (de 34 a 38 KV/mm), y su valor depende de la composición, del espesor y la temperatura de funcionamiento. En la figura 5.3.2.a puede apreciarse como varía la tensión de perforación con respecto a la temperatura, observándose que a partir de los 150º C, la porcelana va perdiendo sus propiedades dieléctricas. En la figura 5.3.2.b, pueden apreciarse las tensiones de perforación en función del espesor de la capa aislante. También la resistividad tiene una gran variación de su valor con la temperatura. En cuanto al factor de pérdidas dieléctricas, se puede decir que el espesor del aislamiento influye muy poco en su valor, mientras que, por el contrario, aumenta notablemente con la temperatura, como se observa en la figura 5.3.2.c.

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HOJA Nº 31

tensión de perforación en KV

Variación de la tensión en función de la temperatura de servicio

80 60 40 20 0 0

100

200

300

temperatura de servicio en ºC

Figura 5.3.2.a

tensión de perforación en KV

Tensión de perfotración en función del espesor

250 200 150 100 50 0 0

5

10

espesor en mm

Figura 5.3.2.b

15

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HOJA Nº 32

factor de pérdidas

Factor de pérdidas dieléctricas en función de la temperatura de servicio

1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0

50

100

150

200

temperatura en ºC

Figura 5.3.2.c 5.3.3.- La porcelana en la fabricación de piezas aislantes para accesorios eléctricos. Las piezas de porcelana para accesorios eléctricos se fabrican mediante los siguientes procedimientos. • Porcelana de pasta seca: se obtiene por moldeado a presión, en moldes de acero, estando la porcelana reducida a polvo y ligeramente humedecida. Con moldes apropiados pueden obtenerse piezas de todas las formas posibles. Con este método se logran piezas de dimensiones muy precisas, pero la porcelana resulta con propiedades dieléctricas inferiores. Las porcelanas obtenidas por vía seca están especialmente adaptadas para su empleo en baja tensión, aisladores, cortacircuitos, soportes, etc.. • Porcelanas de pasta húmeda: se obtienen con pastas de consistencia plástica, es decir similar a la masilla. Se les da una primera forma, y se seca la pieza en el horno durante un cierto tiempo. Se da a mano la forma definitiva, en un torno de alfarero o de eje vertical, o en una máquina , con ayuda de herramientas especiales. La precisión en las dimensiones es inferior que en el caso anterior, pero la porcelana obtenida conserva todas sus propiedades dieléctricas. Se la utiliza principalmente para aplicaciones de alta tensión, aisladores de apoyo y de cadena, pasamuros, pasatapas, etc.. • Porcelanas preparadas por fundición: se elaboran colando el material líquido en moldes de yeso. Las piezas coladas se extraen de los moldes cuando han adquirido suficiente rigidez para poder ser manipuladas sin

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HOJA Nº 33

peligro de deformación. después de moldeadas las piezas se secan y luego se cuecen , para luego ser esmaltadas. después de esmaltadas se procede ala cocción definitiva. 5.3.4.- Características técnicas de la porcelana eléctrica con esmaltado. Características

de pasta seca

de pasta húmeda

por fundición

Absorción de agua en 24 hs., en % Peso específico en gr/cm³ Resistencia a la tracción en Kg/cm² Resistencia a la compresión en Kg/cm² Resistencia a la flexión en Kg/cm² Temperatura de reblandecimiento en º C Temperatura máxima de servicio en º C Resistividad a 20º C en ohmsxcm²/cm Rigidez dieléctrica a 50 Hz., en Kv/mm Constante dieléctrica, a 50 Hz. Factor de pérdidas, a 50 Hz. Resistencia a los agentes químicos

0....0,5 2,3....2,5 100....140 3.000....4.000 600....700 ~ 1.500 1.000 superior a 1014 34....38 5....6,5 0,017....0,025 excepcional

0 2,3....2,5 300....500 4.000....5.500 900....1.000 ~ 1.500 1.000 superior a 1014 34....38 5....6,5 0,017....0,025 excepcional

0 2,3....2,5 -------------4.000....5.500 900....1.000 ~ 1.500 1.000 superior a 1014 34....38 5....6,5 0,017....0,025 excepcional

5.3.5.- Loza eléctrica. Se diferencia de la porcelana por contener arcilla cocida en lugar de caolín en su composición, y al igual que aquella puede esmaltarse luego de la cocción. Sus propiedades aislantes son inferiores a la porcelana, pero resulta un producto más económico. Generalmente se emplean en baja tensión para la fabricación de placas de base y, en alta tensión como envolvente de protección en pasamuros al aire libre, en transformadores de media, etc. 5.3.6.- Esteatita. Está constituida mayoritariamente por talco ( 3 Mg O – 4 Si O2 - H2 O ) o silicato magnésico natural, entre un 70 y 90 %, a este se agregan según las características que se quiera obtener, óxidos de magnesio, de hierro, de titaneo, etc.. Las propiedades eléctricas pueden mejorarse aumentando el contenido de óxido de magnesio, pero ello reduce la facilidad para la manipulación de la masa en la preparación.. No es posible su esmaltado. La esteatita se utiliza cuando los aisladores u otros objetos fabricados con este material deban soportar grandes esfuerzos mecánicos. Las propiedades eléctricas son también mejores que la de la porcelana, especialmente su factor de pérdidas dieléctricas incluso a altas frecuencias, lo que la hace apropiada para telecomunicaciones, electrónica, etc..Con la adición de óxido de titaneo se la utiliza en capacitores, lográndose materiales cerámicos con una constante dieléctrica de 80. Su

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HOJA Nº 34

principal desventaja es su alto costo. Algunas denominaciones comerciales son, Isolantine, lava, Lava Rock, Lavita, etc.. 5.3.7.- Aislantes de cerámicas especiales. • A base de compuestos de titanio: se caracterizan por una constante dieléctrica elevada y aun factor de pérdidas dieléctricas muy bajo, incluso a altas frecuencias, por lo que resultan apropiados para el aislamiento de capacitores, especialmente a frecuencias elevadas. • A base de compuestos de aluminio: Nombre del producto Sinterkorund o corindón

Isomar

Piranita

Masa de Pitágoras

Pirodur

Característica Aislante cerámico refractario. Posee gran resistencia mecánica y buenas propiedades dieléctricas a elevadas temperaturas (99 % de alúmina y 0,5% de sílice) de aspecto exterior parecido a la porcelana. se emplea en la fabricación de bujías de encendido de automóviles, y aplicaciones de alta temperatura de servicio, soportes de resistencias de soldadores eléctricos y en la construcción de hornos eléctricos. Es un silicato de aluminio, con bastante alúmina, su coloración se extiende desde el blanco, hasta el gris azul. Sus propiedades eléctricas y mecánicas son superiores a la de la porcelana. Tiene aplicaciones análogas al corindón. Contiene silicato de aluminio y silimanita. Resiste mejor los cambios bruscos de temperatura que la esteatita y tiene propiedades dieléctricas similares. se la emplea en la fabricación de bujías de encendido. Tiene una gran resistencia al calor. Funde a 1800 º C. Es inalterable a los agentes químicos y resiste el contacto de los metales en fusión. Se emplea en la fabricación de vainas para pirómetros, de tubos para caldeo y combustión, y en crisoles. es de color blanco y se emplea en aplicaciones de laboratorio, tales como cubetas y vainas para pirómetros, cuyas temperaturas de servicio están entre 1100º C y 1500º C.

• A base de compuestos de silicatos de magnesio: las materias primas son hidrosilicatos de magnesio, como talco, esteatita y brucita, que es un oxihidrato de magnesio. Se los conoce comercialmente como: calita, calan, ultracalan, frecuenta, y frecuenta D. Se caracterizan por su pequeño factor de pérdidas dieléctricas, gran resistencia a los choques y excelentes cualidades dieléctricas a elevada temperatura. No experimentan fenómeno alguno de envejecimiento, ni fatiga. Pueden obtenerse objetos con gran precisión, tienen la ventaja de poder

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tornearse y moldearse antes de la cocción. Se emplean en el campo de la alta frecuencia, para las partes bajo tensión, en electromedicina, y en dieléctricos de capacitores. • A base de mezcla de compuestos de aluminio y magnesio: contienen tres componentes principales: óxido de magnesio, alúmina y óxido de aluminio (sílice), los cuales combinados convenientemente se obtiene un material con un bajo coeficiente de dilatación cúbica. Comercialmente se los conoce como Ardostan, Sipa, etc., siendo generalmente de color gris. Tienen gran resistencia el arco eléctrico, y no se pueden esmaltar. se emplean tanto en baja como en alta tensión, en puntos que están sometidos a variaciones bruscas de temperatura, tales como soportes de conductores de hornos eléctricos, pantallas aislantes protectoras contra arcos y chispas. • Productos porosos: están constituidos por pastas porosas con diversos agregados de relleno que contienen arcilla y compuestos de magnesio. Tienen buena resistencia mecánica y gran resistencia al calor y a los cambios de temperatura, propiedad esta última que se ve favorecida por su estructura porosa y granular de estos materiales. debido a su estructura porosa absorben la humedad, perdiendo parte de sus propiedades dieléctricas. se emplean en calefacción eléctrica y otras aplicaciones electrotérmicas donde sirven de soportes y aislamiento de conductores incandescentes. 5.4.- Vidrio Se denomina vidrio a un material amorfo, duro y frágil, generalmente transparente o traslúcido y constituido por mezclas homogéneas de sílice o anhídrido bórico que actúan como ácidos, con dos óxidos metálicos por lo menos que actúan como bases. 5.4.1.- Propiedades dieléctricas de los vidrios. El vidrio tiene una alta resistividad y rigidez dieléctrica y un pequeño factor de pérdidas dieléctricas a temperaturas ordinarias, pero estas características se pierden al aumentar la temperatura. Las pérdidas dieléctricas aumentan con la temperatura, pero a temperatura constante, su valor apenas cambia con la frecuencia, por lo que el vidrio puede utilizarse en toda la gama de frecuencias comprendidas entre 50 Hz. y 1 MHz. la siguiente figura representa la variación del factor de pérdidas dieléctricas a 1 MHz., en función de la temperatura para el vidrio electrotécnico.

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Factor de pérdidas diel´ectricas

Variacíon del factor de pérdidas en función de la temperatura para el vidrio electrotécnico

0,08 0,06 0,04 0,02 0 0

200

400

600

temperatura ºC

Figura 5.4.1.5.4.2.- Aplicaciones del vidrio en electricidad. En la fabricación de aisladores para líneas aéreas se emplea el vidrio pirex o vidrio duro, con contenido de boro y sílice y sin magnesio, calcio o zinc, resultando menos frágil que los vidrios ordinarios. Posee excelente resistencia a los arcos y chispas debido a su bajo coeficiente de dilatación térmica. La superficie del aislador es tratada con resinas de siliconas que repelen la humedad que se deposita en él y de esta manera no se ve afectada su resistividad. Este material tiene un color verde oscuro característico. Comparado con la porcelana posee un coeficiente de dilatación mayor, por lo que resulta más afectado por las temperaturas elevadas, además no se lo puede trabajar en formas complicadas y la unión al soporte debe realizarse por procedimientos especiales. Como aisladores de paso completamente estancos, el vidrio ha vencido a la porcelana por su facilidad en soldarse directamente con el metal de soporte. Las piezas metálicas se montan durante el moldeo del aislador de vidrio, por tener aproximadamente el mismo coeficiente de dilatación térmica que el material de soldadura. Para tal fin se utilizan combinaciones específicas de vidrio y metal. 5.4.3.- Cuarzo. El cuarzo es una variedad de sílice que se presenta en la naturaleza en forma de cristales hexagonales los cuales son, generalmente, incoloros y transparentes , aunque algunas veces se presentan coloreados. Este material puede fundir a 1700 º C, obteniéndose una masa limpia, traslúcida, y brillante, que constituye un aislante eléctrico de cualidades excepcionales y una resistencia al calor mayor que cualquier otro material conocido. Es químicamente muy estable, no absorbe el agua y no es atacado por los agentes químicos excepto el ácido fluorhídrico, es

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HOJA Nº 37

mecánicamente muy fuerte y muy resistente a las bruscas variaciones de temperatura, a causa de su pequeño coeficiente de dilatación. 5.4.4.- Propiedades del cuarzo. Se pueden obtener piezas de cualquier tamaño, su proceso de elaboración es de corta duración, no es necesario vitrificarlo y no necesita esmalte de ninguna clase, el calor de un arco, que se extienda por su superficie, no lo hace conductor ni lo astilla, es totalmente antihigroscópico, se lo obtiene en diversas formas y tamaños, puede esmerilarse y serrarse, ya que no se agrieta con facilidad, su temperatura máxima de servicio es de unos 1.000 º C, es decir superior a cualquier otro material aislante. El cuarzo fundido se emplea, sobre todo, en alta frecuencia, por su gran resistividad y su pequeño factor de pérdidas, en armazones de bobinas de autoinducción, transformadores, etc.. Su principal desventaja es que resulta muy caro, por lo que generalmente se lo reemplaza por la sílice fundida, obtenida por fusión de arena en un horno eléctrico y prensada posteriormente en moldes de grafito. Resulta un material de propiedades semejantes al cuarzo fundido pero que no soporta tan altas temperaturas, por contener impurezas se sales metálicas. 5.4.5.- Características técnicas de los aislantes vítreos. Características Vidrio de sodio Vidrio de y calcio (crown potasio y plomo glass) ( flint glass) Peso específico en gr/cm² 2,3....2,9 2,9....5,9 Resistencia a la tracción en 175 250 Kg/cm² Resistencia a la compresión 700....2000 400....700 en Kg/cm² Resistencia a la flexión en 400....500 Kg/cm² Temperatura máxima de 300 450 funcionamiento en º C Absorción de agua en 24 nula nula Hs. en % Resistividad en ohms x mayor de 1013 1013 cm²/cm Rigidez dieléctrica en 40....50 30....35 KV/mm a 20 º C Constante dieléctrica 6....8 7....9 Factor de pérdidas 0,01 0,0042

Vidrio Pyrex

Cuarzo fundido

2,23....2,8 400....800

2,2 5

6000....10000

14000....19000

1000....2500 500

1000

nula

nula

1014 40....45

mayor de 5x1018 12....20

4,8...4,9 0,003

4,2 0,0002

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HOJA Nº 38

5.4.6.- Fibra y tejido de vidrio. Es el vidrio estirado en finos filamentos o fibras, se lo emplea hilado (fibra de vidrio) o tejido (tejido de vidrio), ya que posee una elevada resistencia a la tracción además de buenas propiedades dieléctricas. Se producen dos tipos de fibra, las fibras en hebras, con una longitud que va de 10 a 30 cm, que se fabrican dejando pasar vidrio fundido a través de pequeños orificios, en combinación con vapor a presión, o las fibras continuas, de gran longitud en la que se parte de vidrio fundido, que se pasa por una serie de agujeros finos practicados en un bloque de metal de alto punto de fusión, de donde sale en forma de hilo. para disminuir el espesor de los hilos, se estiran en caliente y en estado plástico, luego se arrollan en un tambor que gira a gran velocidad, obteniéndose las fibras continuas, de gran longitud. Las fibras que se obtienen por ambos procedimientos tienen un diámetro comprendido entre 0,005 y 0,0075 mm, que pueden tejerse, en cuyo caso, las telas hechas con fibras continuas, poseen mayor resistencia mecánica que las telas hechas con fibras de hebras. 5.4.7.- Propiedades y aplicaciones de la fibra de vidrio. Tienen una elevada resistencia a la tracción y compresión, pero su resistencia al rozamiento resulta menor que el algodón, debido a ello después de su aplicación a los conductores, la fibra de vidrio se recubre con barnices especiales. Es ininflamable y de una extraordinaria resistencia al calor, su temperatura de servicio esta limitada por los materiales de impregnación utilizados.. No es higroscópica y resiste perfectamente la humedad, los agentes químicos y los aceites. La fibra de vidrio es porosa y , desde el punta de vista eléctrico, solamente puede considerarse como material de relleno, a menos que esté impregnada por otros materiales aislantes. Sus propiedades dieléctricas son excelentes; la rigidez dieléctrica es similar a la del algodón natural, mientras que su resistencia de aislamiento es más elevada que la de cualquier aislante textil. La fibra de vidrio puede tejerse en forma de manguitos aislantes, convenientemente impregnados y utilizados como aislamiento de conductores, en forma de cintas, también con impregnación, y empleadas como aislamiento de bobinas y de fases y, finalmente, como tela, y entonces se aplica como material aislante de ranuras. La condición técnica que se impone en su utilización en los bobinados de máquinas eléctricas es que los demás materiales aislantes que formen parte del bobinado sean inorgánicos, es decir que los aislantes entre bobinas, entre bobinas y hierro, etc., sean a base de fibra de vidrio, amianto, mica, etc.. así como también que los barnices utilizados en la impregnación final de los bobinados sean de naturaleza sintética, los cuales soportan temperaturas más elevadas. La fibra de vidrio puede utilizarse en combinación con otras fibras, naturales o sintéticas que mejoran sus propiedades. Por ejemplo combinándola con fibras de poliéster, se obtiene un

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HOJA Nº 39

excelente aislamiento para conductores de máquinas eléctricas, aumentando la resistencia al rozamiento., barnizada con barniz sintético se obtienen aislamientos de clase térmica F ( temperatura máxima de 155º C), si se emplea barniz de silicona se alcanza la clase térmica H (temperatura máxima de 180º C). También pueden obtenerse materiales estratificados de fibra de vidrio, es decir constituidos por láminas superpuestas de un material base o soporte y de una resina que lo impregna, la cual actúa de aglutinante entre cada estrato o lámina, consiguiéndose una perfecta unión bajo presión y temperatura. Con estos materiales se fabrican, placas, tubos, barras, etc., y diversas piezas moldeadas que se utilizan en diversas aplicaciones eléctricas. La clase térmica del producto resultante depende del material aglutinante utilizado, por ejemplo se utilizan como aglutinantes a diversas resina epoxídicas, de poliéster, de siliconas. Las placas estratificadas a base de tejido de vidrio, con una lámina conductora de cobre electrolítico en una o ambas caras, tienen muy buenas características mecánicas y eléctricas y muy bajo coeficiente de absorción de agua, y se emplean como circuitos impresos destinados al conexionado de circuitos electrónicos. 5.5.- Barnices Los barnices son líquidos preparados a base de resinas naturales o artificiales, asfaltos o breas y ceras, disueltos en líquidos apropiados, con adición de aceites secantes para acelerar el secado. Las siguientes tablas muestran algunos disolventes y aceites secantes utilizados para la elaboración de barnices.

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HOJA Nº 40

DISOLVENTES Esencia de trementina Proviene de la destilación de las trementinas naturales, extraída de diversos árboles pertenecientes a las coníferas. Benzol Es una mezcla de hidrocarburos líquidos, bencina, tolueno, xileno, y de una pequeña cantidad de carburos metálicos y etilénicos. Bencina es un producto de la destilación fraccionada del petróleo, prolongada hasta los 200º C. Alcohol etílico Se extrae, por destilación, de materias azucaradas en fermentación. Alcohol metílico Procede de la destilación de la madera Alcohol amílico procede de los residuos de la destilación de los alcoholes de granos y de las patatas. Acetona Es un producto derivado de los residuos de la destilación de la madera. Acetato de amilo Es un magnífico disolvente de las resinas. ACEITES SECANTES Aceite de linaza Procede de los granos de lino, que después de limpios en un tamiz y desprovistos de las vainas, mediante corriente de aire, se trituran en un molino. El aceite se extrae en caliente, por prensado, con ayuda de disolventes, como el éter de petróleo. Aceite de eleococca Conocido como aceite de China, se extrae de simientes de árboles que crecen en zonas rocosas del Extremo Oriente. 5.5.1.- Clasificación de los barnices aislantes. • Barnices grasos: son mezclas de resinas naturales y de aceites secantes disueltos en un solo disolvente o una mezcla de disolventes volátiles. Existen aquellos que deben secarse en estufa durante un tiempo bastante largo y con circulación de aire y los secantes al aire que se oxidan en un tiempo bastante corto. • Barnices sintéticos: a base de formol de polivinilo, o masas compuestas, que son fusibles y se ablandan al calor. Estas sustancias se diferencian de los barnices grasos o volátiles en que no llevan disolvente. • Barnices mixtos: dentro de estos se encuentran los que se presentan en forma de lacas de soluciones en alcohol metílico o etílico, acetona, etc..Pueden utilizarse sin calentarse, o a una temperatura inferior a los 100º C., otros requieren el empleo de una estufa, a 100-140º C. También están los que se presentan a base de resinas naturales o sintéticas, breas, etc., disueltas en líquidos apropiados, algunos de los cuales es posible agregar una pequeña cantidad de aceite secante. 5.5.2.- Aplicaciones de los barnices.

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HOJA Nº 41

Los barnices grasos son los más empleados sobre todo en la impregnación a fondo de los devanados, se endurecen por oxidación y son muy convenientes en los casos de material sometido a régimen de baja y media tensión. La impregnación con barnices compuestos está reservada, en general para el material de tracción y para las secciones de máquinas grandes. Lo más conveniente es impregnar separadamente los distintos elementos, haciendo el montaje en los circuitos después de hecha la impregnación. La impregnación con resinas sintéticas está especialmente recomendada para todo material eléctrico sometido a un régimen especial, sobrecargas, funcionamiento a una temperatura ambiente elevada, en atmósfera muy húmeda o ácida, choques o vibraciones. Presentan una gran insensibilidad a los aceites calientes. 5.5.3.- Ensayos de los barnices. Dentro de los parámetros analizados para el ensayo de los barnices se encuentran los físicoquímicos, de los cuales se pueden citar: la densidad, contenido de disolvente, contenido de impurezas, contenido de agua, acidez, resistencia de envejecimiento, índice de penetración, acción sobre el cobre. También se analiza como parámetro eléctrico la rigidez dieléctrica. 5.5.4.- Colocación del barniz. Barnizado. Para que el barniz constituya un buen aislamiento, es preciso que los órganos que debe recubrir o impregnar a fondo estén perfectamente secos . Para el secado del barniz se utilizan estufas u hornos. Para que el barniz pueda infiltrarse bien hasta el fondo de los devanados, debe tener una fluidez conveniente, que se logra diluyéndolo con un diluyente apropiado, que tiende a evaporarse en el transcurso de la filtración, de la impregnación o de la exposición al aire, por lo cual tiene que ser renovado. Para saber la cantidad de disolvente desparecido se emplea un densímetro. La aplicación de los barnices aislantes se efectúa por alguno de los siguientes procedimientos: • Barnizado con pincel y cuchara: este sistema se emplea sólo para el barnizado de los materiales utilizados en una reparación hecha en el mismo lugar donde se encuentra la máquina, siempre se utiliza un barniz secante al aire. • Barnizado por riego: se riegan abundantemente las piezas, en todos sentidos, con un chorro de barniz, impulsado por una bomba apropiada. • Barnizado por inmersión: se sumergen los devanados, bien secos. En un baño de barniz, y se mueven en todos sentidos para que el aire aprisionado pueda escapar en forma de burbujas, que suben a la superficie. • Barnizado con pistola. Este método se emplea principalmente para aplicar una última capa de un barniz de acabado, secante al aire.

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HOJA Nº 42

• Impregnación en vacío y a presión: es el método más completo y que da los mejores resultados, y con el se obtiene una inyección a fondo del aislante, la desaparición de humedad, la insensibilidad a los agentes químicos exteriores, etc. 5.6.- Materiales aislantes plásticos. Se denomina material plástico a todo aquel que en una fase de su fabricación ha sido realmente plástica , es decir dúctil, blanda, que se deja moldear fácilmente. Además una vez moldeados o extruídos permiten obtener los más variados objetos sólidos de aplicación en la industria y en la economía doméstica. Dentro de estos materiales se incluyen las resinas sintéticas. La mayoría de los plásticos son relativamente modernos, en un principio fueron materiales de recurso, utilizados solamente cuando no era posible disponer de otros materiales , pero la experiencia demostró sus excelentes cualidades dieléctricas, mecánicas y químicas, y se implantó su empleo industrial en forma masiva. 5.6.1.- Composición de un material plástico. Casi todos los materiales plásticos son compuestos donde el carbono constituye la base sobre la cual se forman. Los cuerpos que contienen carbono se los llama, en general compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos existentes en la naturaleza y en los que no ha intervenido la mano del hombre, son compuestos orgánicos naturales e incluyen casi todos los compuestos que constituyen la materia viva, se pueden citar, la celulosa, la glucosa, la urea, etc. Cuando el hombre mediante procedimientos químicos, obtiene compuestos a base de carbono, se trata de compuestos a orgánicos sintéticos y, en ellos están incluidos los materiales plásticos. La característica principal de los plásticos es que están constituidos por macromoléculas, es decir moléculas gigantes, formadas a su vez por muchas moléculas sencillas, a las macromoléculas se las llama polímeros. Un polímero entonces es una macromolécula constituida por el enlace de varias moléculas sencillas, iguales o distintas, repetidas en forma de cadena. Cuando las moléculas sencillas que forman un polímero no están aún enlazadas, siendo cada una de ellas independiente, el cuerpo se denomina monómero. Para obtener un polímero se parte de un monómero que debe ser debidamente activado. A la transformación de un monómero en polímero se la denomina polimerización. 5.6.2.- Ejemplo de polimerización. Formación del polietileno. El polietileno es un material plástico muy utilizado en electricidad. Se parte de la molécula de un monómero, el etileno, el cual es un gas incoloro, compuesto exclusivamente por carbono e hidrógeno, cuya fórmula desarrollada y abreviada son:

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H

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H

C= C H

HOJA Nº 43

CH2 = CH2

H

Donde las rayitas representan los enlaces químicos o la unión de un electrón del carbono con un electrón de hidrógeno. En esta condición no puede formar polímero por no tener ningún enlace libre ( el carbono presenta cuatro electrones en su órbita mas alejada del núcleo) para unirse a otras moléculas. Para formar polímero la molécula de etileno debe ser activada. La molécula de etileno activada tiene la forma: H

H

C- C H

H

Al reaccionar con un radical ( molécula que no tiene todos sus electrones de valencia con enlaces) libre A, se convierte en otro radical, y éste vuelve a reaccionar con otra molécula gigante con carácter de radical, el proceso puede representarse como: H H H H H H H H H H           A  + C = C → A  C  C  → A  C  C  C  C  ...  C  C            H H H H H H H H H H

Este radical macromolecular reacciona finalmente con otro radical presente B, dando el polímero final, que puede representarse como: H H H H H H H H H          A  C  C  C  C  C  …..  C  C  C  C  B          H H H H H H H H H

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HOJA Nº 44

Este es el plástico denominado polietileno. Por no tener ningún enlace libre no puede adherirse ninguna otra molécula de etileno, por lo tanto el compuesto se dice que está saturado. Esta cadena formada puede ser más o menos larga, y desde el punto de vista técnico, el plástico tendrá tanto mejores propiedades cuanto mayor sea el número de monómeros activados que constituyen la cadena polimérica. Para obtener materiales plásticos con características determinadas y que cumplan en cada caso, las condiciones necesarias para su utilización, debe controlarse debidamente el proceso de polimerización, lo que se consigue con la ayuda de agentes que se hacen intervenir en la reacción y que cumplen diferentes funciones, ellos son: • Catalizadores: llamados también activadores o iniciadores. Sirven para activar los monómeros e iniciar la reacción polimérica. • Retardadores: se utilizan algunas veces cuando conviene disminuir la velocidad de la reacción polimérica. En determinadas ocasiones, una excesiva velocidad de reacción, podría provocar una explosión. • Inhibidores: la intervención de estos agentes detiene completamente la reacción polimérica. • Transferidores de cadenas: sirven para provocar la formación de enlaces entre cadenas, en puntos determinados de las mismas. Si en la reacción polimérica reacciona solamente un monómero, el polímero final se dice que es un homopolímero, por ejemplo el caso del polietileno, constituido exclusivamente de moléculas de etileno activado. Si dos monómeros distintos reaccionan conjuntamente, se obtiene un polímero de características distintas a cualquiera de los que se hubieran obtenido por las reacciones poliméricas separadas. Este cuerpo se denomina copolímero y tiene propiedades intermedias a aquellos dos. Esta última operación se denomina copolimerización y es el procedimiento más utilizado para la fabricación de materiales plásticos, con la que se obtienen materiales de especiales características. La descompensación del material plástico por la acción de agentes exteriores se denomina despolimerización, para evitar esto se agregan productos, por ejemplo se emplean antioxidantes para evitar la despolimerización lenta que provoca el oxígeno atmosférico. Todos los plásticos se despolimerizan al alcanzar una temperatura denominada temperatura de descomposición. Algunos plásticos sometidos a elevadas temperaturas desprenden sustancias químicas, por ejemplo el policloruro de vinilo, al arder desprende cloro, gas de color amarillo verdoso, de olor picante y perjudicial para la salud. Los polímeros o resinas sintéticas se obtienen industrialmente en forma de polvo o gránulos y luego con ellos se fabrican los artículos de diversas formas y colores. La mezcla de la composición de estos artículos además del polímero puro intervienen otras materias denominadas aditivos, que modifican o refuerzan sus propiedades. Por lo tanto en la composición de los plásticos, el elemento básico denominado también resina sintética es el llamado aglutinante. Por

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HOJA Nº 45

ejemplo en el polietileno el aglutinante es la combinación de carbono e hidrógeno (CH2=CH2)n , y cualquiera sea el aditivo que se le agregue, el plástico seguirá denominándose polietileno. Los aditivos pueden clasificarse en : • Cargas: se utilizan para introducir en los plásticos nuevas propiedades o para modificar las existentes, se pueden utilizar también como material de relleno para abaratar el producto. Algunas cargas utilizadas comúnmente son: harina de madera, grafito, pizarra, mica, talco, amianto, corcho, desperdicios de cuero, fibra de vidrio, caolín, fibras textiles, celulosa, etc. • Plastificantes: proporcionan a los plásticos elasticidad y flexibilidad, actúan como lubricantes internos introduciéndose y llenando los espacios libres existentes entre moléculas. • Estabilizadores: se utilizan para contrarrestar los efectos de los agentes exteriores, evitando la despolimerización, como ejemplo se pueden citar las sustancias antioxidantes, que evitan la acción del oxígeno del aire. • Endurecedores: aceleran el endurecimiento de los plásticos o le confieren mayor dureza. • Disolventes: convierten al material plástico sólido en líquido, se utilizan sobre todo para la fabricación de bernices aislantes a partir de resinas sintéticas. • Lubricantes: evitan que durante la fabricación las piezas se peguen a los moldes, suelen ser aceites, parafinas, ceras, etc., que se mezclan con las resinas, o bien se aplican directamente sobre los moldes. • Colorantes: le dan color a los plásticos, además de favorecer a la estética pueden actuar como cargas, por ejemplo el pigmento denominado negro de humo actúa como colorante y como carga, reforzando las propiedades mecánicas y finalmente como estabilizador contra el envejecimiento. 5.6.3.- Fabricación de los plásticos. Antes del proceso de fabricación propiamente dicho, el aglutinante, en forma de polvo o gránulos, ha de mezclarse, lo más íntimamente posible, con las cargas, los plastificantes, los colorantes, etc., es decir con los aditivos. Para ello se emplean máquinas mezcladoras especiales que, esencialmente constan de una tolva por donde se echan los materiales que se han de mezclar, y de un tornillo sinfín de doble movimiento giratorio y alternativo, donde se realiza la mezcla correspondiente. después de mezcladas las sustancias aglutinantes y las aditivas, deben dárseles las formas deseadas. Unas veces serán tubos, planchas, cintas, etc., otras ocasiones serán objetos de dimensiones y características adecuadas.

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HOJA Nº 46

Para dar un ejemplo de proceso de fabricación se ha elegido el denominado moldeo por extrusión, ya que el mismo es uno de los más empleados en la fabricación de plásticos. Dicho método es un procedimiento continuo de fabricación, para convertir los materiales termoplásticos en polvo o granulados, en planchas, películas, varillas, tubos, etc.. De una manera burda puede compararse la extrusión a la forma de salir de la pasta dentífrica del tubo que la contiene. Consiste esencialmente en un cilindro horizontal calentado y hueco, en cuyo interior, va montado un tornillo sinfín, que se extiende en toda la longitud del cilindro. La carga de plástico en polvo se introduce en el cilindro a través de una tolva, ya en el interior del cilindro, es plastificada por acción del calor y forzada a avanzar, por el movimiento del tornillo sinfín, hacia el extremo opuesto del cilindro, donde existe una boquilla de forma adecuada y que conforma el plástico en la forma deseada, planchas, tubos, etc.. Como a la salida de la boquilla el plástico esta aún caliente y blando, debe depositarse sobre una correa transportadora, que lleva el material a la misma o a mayor velocidad con que es expedido por la boquilla. Puede acelerarse el endurecimiento del producto extruido, por inmersión en agua o por enfriamiento en aire.

Figura 5.6.3.- Proceso de extrusión 5.6.4.- Clasificación de los materiales plásticos según su comportamiento al calor. Se pueden clasificar en dos grandes grupos • Materiales termoplásticos • Materiales termoestables. 5.6.5.- Materiales termoplásticos.

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HOJA Nº 47

Son aquellos que se reblandecen con el calor y se endurecen cuando se enfrían, estas acciones pueden repetirse indefinidamente sin que pierdan sus propiedades, lo cual permite que sean moldeados repetidas veces. Tienen una estructura lineal, es decir en cadena, existen uniones sencillas entre las moléculas del monómero correspondiente que dan origen a la formación del polímero. A causa de estos enlaces sencillos, los materiales termoplásticos pueden fundirse fácilmente sin que el cuerpo se descomponga, y al enfriarse nuevamente, adquiere otra vez su estructura y características anteriores. También por causa de sus enlaces sencillos, son solubles en diversos disolventes, como el benceno, ya que las moléculas del disolvente penetran entre las macromoléculas, causando primero un hinchamiento y después la disolución completa. Permiten la obtención de objetos de todas formas, generalmente inyectando el material caliente en un molde frío o tibio, del cual toma forma al enfriarse. También pueden obtenerse por extrusión, piezas de sección constante y longitud ilimitada, tales como barras, tubos, etc..Por este mismo procedimiento pueden recubrirse piezas de pequeña sección y gran longitud, especialmente conductores eléctricos. 5.6.5.1.- Termoplásticos derivados de la celulosa. Todos los materiales plásticos derivados de la celulosa son termoplásticos y se producen partiendo de la celulosa como materia prima, obteniéndose a partir del algodón o la pulpa de la madera, y tratadas químicamente. En los plásticos celulósicos no es necesaria la polimerización, ya que la celulosa está compuesta por macromoléculas constituidas por cadenas de 2000 a 3000 moléculas de glucosa. Los compuestos resultantes pueden obtenerse fácilmente en láminas, hojas, u otras formas, son fuertes, flexibles, transparentes y con buenas propiedades aislantes. El más importante material plástico derivado de la celulosa es el acetato de celulosa, que se obtiene por la acción del anhídrido acético sobre la celulosa, en presencia del ácido sulfúrico, que actúa como catalizador. Es un material transparente muy tenaz y resistente al choque aunque resulta ligeramente higroscópico. Puede mezclarse con plastificantes, en proporciones que varían entre un 20 y 70 % de la resina propiamente dicha, así como con pigmentos y colorantes, obteniéndose características variables. Es resistente a los agentes químicos como aceite de transformadores, disolventes, etc., es incombustible. Sus características aislantes son bastante buenas aunque sus pérdidas dieléctricas resultan algo elevadas especialmente en altas frecuencias. Se lo conoce por las siglas A. C.. Se lo emplea para la fabricación de la seda artificial y como aislante de recubrimiento de conductores de pequeña sección ( hilos para bobinado ). 5.6.5.2.- Polistireno o poliestireno.

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HOJA Nº 48

Se obtienen a partir del etilbenceno, son polimerizables por el calor y transparentes como el vidrio. Se obtiene por polimerización del estireno o fenileteno, las principales fases de las reacciones químicas hasta obtener el monómero son: CH2  CH3  C

H  C ╱ HC  HC ╲

CH = CH2  C

╲╲ H H ╱ ╲ ╲ CH   HC CH HC  + C=C→   →  CH   HC CH HC ╱╱

C  H Benceno

H

H

Etileno

╲ ╱╱ C  H Etilbenceno

╱ ╲╲ CH  CH ╲ ╱╱ C  H Estireno

El estireno obtenido se somete a polimerización por calentamiento; la fórmula general del poliestireno es:

← CH  CH2 →  C ╱ ╲╲ HC CH   HC CH ╲

╱ C  H

y en forma abreviada:

n

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HOJA Nº 49

 CH  CH2   ╱╲   ╲ ╱ n El poliestireno es ampliamente utilizado como dieléctrico, debido a su bajo costo y a sus notables propiedades, se despolimeriza por acción del calor al igual que todos los termoplásticos. Cuando se prepara a temperatura ambiente es elástico, resistente, difícil de romper y de pulverizar; si la preparación se realiza a 250 º C, se quiebra más fácilmente, y puede reducirse a polvo. Es muy estable dimensionalmente. Se distingue por su facilidad de moldeo por inyección, su bajo peso específico y sus extraordinarias cualidades eléctricas, especialmente a altas frecuencias, superiores a las de otros plásticos corrientes. Su higroscopicidad es casi nula, conservando sus propiedades eléctricas de resistencia de aislamiento y rigidez dieléctrica en ambientes húmedos. Es químicamente inerte, no lo atacan los álcalis, las soluciones acuosas de la mayoría de los electrolitos y los ácidos minerales líquidos, además no presenta ningún efecto de envejecimiento. es soluble en los hidrocarburos clorados y la mayor parte de las acetonas. Sus desventajas radican en su bajo punto de reblandecimiento (unos 85º C), la falta de constancia absoluta en sus características eléctricas y la dificultad de obtener productos rigurosamente idénticos. Se pueden mejorar estos inconvenientes o lograr poliestirenos de distintas clases, variando los procesos de polimerización o con adición de determinados aditivos, así se disponen de varios tipos de poliestireno: uno de aplicación general, otro que es estable a la luz, otro especialmente resistente al choque, otro resistente al calor, etc.. El poliestireno es ligeramente inflamable, ardiendo con llama amarilla y desprendimiento de humo. Se lo emplea para el aislamiento de conductores eléctricos y constituye el compuesto principal para la fabricación de barnices aislantes y de impregnación. Para la mayor parte de estas aplicaciones hay que agregarle plastificantes para aumentar su alargamiento y su flexibilidad, el porcentaje de plastificante debe ser pequeño para evitar alterar sus cualidades mecánicas. 5.6.5.3.- Características técnicas del poliestireno.

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HOJA Nº 50

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Peso específico a 20º C, en gr/cm2 Carga de rotura en kg/cm2 Alargamiento a la rotura en % Temperatura máxima de trabajo continuo, en º C Temperatura de deformación, en º C Punto de reblandecimiento, en º C Absorción de agua en 48 Horas, en % Resistencia a la llama CARACTERÍSTICAS ELECTRICAS

1,05 500 1 60 80-90 104-116 0 Moderada

Resistividad a 20º C, en ohmsxcm2 /cm Rigidez dieléctrica a 20º C, en KV/mm Constante dieléctrica a 50 Hz Constante dieléctrica a 1 MHz. Factor de pérdidas a 50 Hz Factor de pérdidas a 1 MHz.

Superior a 1017 20-30 2,5 a 2,6 2,6 a 2,7 1 a 3 x 10-4 3 a 8 x 10-4

5.6.5.4.- Polietileno. Por su estructura es el polímero más censillo, se parte del etileno: H H   C=C   H H y se obtiene el polietileno por polimerización, cuya fórmula general es:

H H   ←CC→   H H n

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HOJA Nº 51

De acuerdo al proceso de polimerización del etilenomonómero se producen otros tantos diferentes tipos de polietileno, denominados respectivamente: • Polietilenos de baja densidad y alta presión • Polietilenos de alta densidad y baja presión El polietileno es menos denso que el agua y es el más ligero de los plásticos utilizados en electricidad, es sólido, incoloro, traslúcido, graso al tacto, blando en pequeños espesores, siempre flexible, inodoro y no tóxico. se descompone a unos 300º C. sin plastificantes se reblandece a 115º C, por lo que se recomienda no utilizarlo a temperaturas superiores a 80º C. Cuando deba estar expuesto a la intemperie y para que no lo afecte la acción destructiva de los rayos ultravioletas de la luz solar, que provocan el endurecimiento del material y una disminución de sus características mecánicas y eléctricas, deben añadírsele estabilizadores, especialmente antioxidantes, los cuales presentan una gran eficacia. Es muy resistente a la humedad y totalmente inerte a los disolventes, pero a temperaturas próximas a los 70º C empieza a disolverse en benceno, tolueno y aceites minerales. Es resistente a la corrosión, siendo uno de los plásticos más resistente a los agentes químicos. Presenta excelentes propiedades eléctricas, especialmente a altas frecuencias ya que conserva un factor de potencia prácticamente constante entre 50 y 5.000.000 de Hz. Mediante la adición de cargas de negro de humo, puede mejorarse su resistencia al calor y a la luz. Posee la ventaja de ser siempre flexible, sin necesidad de plastificantes. A bajas temperaturas se vuelve quebradizo, lo que puede modificarse copolimerizándolo con un elastómero, el isobutileno, que en proporción de un 10 % le confiere gran flexibilidad.. Arde entre fácil y moderadamente, con ligero resplandor, con llama azul en la parte baja y amarilla en la parte alta. Funde y gotea mientras arde. Huele a parafina quemada. Su empleo es universal en la industria eléctrica, utilizándose como aislamiento de cables de transporte de energía y para telecomunicación, cables submarinos, y aparatos electrodomésticos. 5.6.5.5.- Características técnicas del polietileno.

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HOJA Nº 52

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Peso específico a 20º C, en gr/cm3 Carga de rotura en Kg/cm2 Alargamiento a la rotura en % Temperatura máxima de trabajo continuo, en º C Temperatura de fragilidad, en º C Resistencia a la llama CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

0,92 125 400 70 - 30 Arde

Resistividad a 20º C, en ohmsxcm2 /cm Rigidez dieléctrica a 20º C, en KV/mm Constante dieléctrica a 50 Hz Factor de pérdidas a 50 Hz (entre –20 º C y + 80º C)

1018 30 2,3 2 a 5 x 10-4

5.6.5.6.- Polietileno reticulado. Resulta de aumentar las temperaturas de trabajo y de fusión del polietileno. El proceso de fabricación busca lograr enlaces intermoleculares estables, convirtiendo al polietileno en un material termoestable, para lo cual se agregan ciertos peróxidos orgánicos que provocan la formación de los enlaces intermoleculares. La reticulación consiste en proporcionar al producto tratado la propiedad de fundirse a alta temperatura, sin reblandecimiento previo. Cabe distinguir el polietileno reticulado sin carga, de características dieléctricas similares a la del polietileno termoplástico y el polietileno reticulado cargado con negro de humo donde sus propiedades dieléctricas quedan disminuidas pero se fortalecen sus propiedades mecánicas y su resistencia a la intemperie. El polietileno reticulado resiste perfectamente temperaturas de trabajo de 90º C, pudiendo alcanzar en casos de emergencia y en períodos cortos, hasta 130º C, sin que se altere el aislamiento. Alrededor de los 300º C, se carboniza sin previa fusión. Estas características hacen del polietileno reticulado el material óptimo para el aislamiento de cables expuestos a fuertes puntos de carga, o bien en instalaciones a temperaturas ambientes elevadas. 5.6.5.7.- Características técnicas del polietileno reticulado cargado con negro de humo.

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HOJA Nº 53

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Peso específico a 20º C, en gr/cm3 Carga a la rotura a 20º C, en Kg/cm2 Alargamiento a la rotura en % Temperatura máxima de trabajo continuo, en º C Temperatura de fragilidad en º C Resistencia al frío CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

1,14 150 200 90 - 20 Excelente

Resistencia de aislamiento. En MΩxKm Resistividad a 20º C, en ohmsxcm2/cm Rigidez dieléctrica a 20º C, en Kv/mm Constante dieléctrica a 50 Hz Factor de pérdidas a50 Hz y 20º C

10.000 1016 15 5 1 x 10-2

5.6.5.8.- Resinas Vinílicas. Surgen de la reacción del etileno con diversos cuerpos, obteniéndose nuevos cuerpos, por sustitución de uno más de los átomos de hidrógeno del etileno por diferentes radicales. Estos nuevos cuerpos, debidamente activados, son los monómeros de las diferentes resinas sintéticas. 5.6.5.9.- Policloruro de vinilo. Por reacción del etileno con el ácido clorhídrico [ Cl H ], se obtiene el cloruro de vinilo, cuya fórmula estructural es: CH2 = CH Cl Es decir que se trata de la sustitución de un átomo de hidrógeno en la fórmula del etileno, por un átomo de cloro. El cloruro de vinilo activado es el monómero constituyente del policloruro de vinilo, cuya fórmula general es:

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HOJA Nº 54

n

El policloruro de vinilo P.V.C., se denomina también cloruro de polivinilo. En la actualidad es el plástico más fabricado y de empleo más extendido, no solamente en aplicaciones eléctricas, sino también en otras aplicaciones. Fundamentalmente se obtiene a base de acetileno, etileno, cloro y ácido clorhídrico. Como aislante eléctrico el PVC es ampliamente utilizado para la frecuencia industrial, pero no para altas frecuencias debido a que sus pérdidas dieléctricas resultan elevadas. También resulta un inconveniente el elevado factor de pérdidas dieléctrica en altas tensiones, en caso de aislamientos de cables de gran longitud. Actualmente se lo utiliza para tensiones de servicio hasta 20 KV. El PVC es inodoro, insípido y no tóxico, es insoluble en el agua, y muy resistente a los agentes químicos, y es también insoluble en los disolventes corrientes. Posee gran resistencia al ozono y al oxígeno atmosférico. Arde con dificultad y la llama se extingue por si sola, esta es de color amarillenta, con tono grisáceo en su borde. Sin llegar a arder, se ablanda por la acción del calor y despide olor a cloro. Sus propiedades mecánicas son, solamente medianas. Se suministra generalmente en forma de polvo blanco, transparente u opaco, aunque también se le encuentra en el comercio en forma de tubos, planchas, etc.. El procedimiento de fabricación más común es por moldeo por extrusión, dado su empleo en el aislamiento de cables. Tiene gran facilidad para formar copolímeros y mezclas. Admite toda clase de cargas y plastificantes y puede ser coloreado sin limitación por los más diversos colorantes y pigmentos. El PVC puro no se podría utilizar por su falta de flexibilidad y por su rápida degradación a bajas temperaturas, por lo que se le incorporan diversos aditivos, de acuerdo a la característica deseada en el producto final. Además de su utilización en el aislamiento de cables de energía eléctrica, se lo utiliza también para cuadros de maniobra, distribución y medición a baja tensión. Otra aplicación del PVC consiste en la construcción de placas separadoras para acumuladores, donde se emplea por su elevada resistencia a los ácidos. 5.6.5.10.- Características técnicas de dos tipos de mezclas de policloruro de vinilo.

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CARACTERÍSTICAS FISICAS Peso específico a 201 C, en gr/cm3 Carga a la rotura en Kg/cm2 Alargamiento a la rotura en % Coeficiente de dilatación por º C Temperatura máxima de trabajo continuo, en º C Temperatura de fragilidad, en º C Resistencia a la llama Resistencia a la abrasión CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Resistividad a 20 º C en ohmsxcm2/cm Rigidez dieléctrica a 20 º C, en KV/mm Constante dieléctrica a 20º C y 50 Hz. Constante dieléctrica a 80º C y 50 Hz. Factor de pérdidas a 20º C y 50 Hz. Factor de pérdidas a 80º C y 50 Hz.

HOJA Nº 55

Mezcla para aislamiento 1,3 170 150 7 x 10-5 80 -20 Se autoextingue Buena

Mezcla para cubierta 1,33 150 150 20 x10-5 80 -20 Se autoextingue Buena

1015 40 5 7 9 x 10-2 4 x 10-2

5 x 1014 35 5 7 9 x 10-2 4 x 10-2

5..6.5.11.- Policloruro de vinilo reticulado. El P.V.C.R. es un copolímero de cloruro de vinilo en el cual por un procedimiento adecuado con la adición de peróxidos y agentes de enlace, se consigue la formación de enlaces intermoleculares estables. El proceso de reticulación convierte el material termoplástico primitivo, en un material termoestable, cuyas características mecánicas, especialmente la flexibilidad y la resistencia a la temperatura están considerablemente mejoradas respecto al policloruro de vinilo normal. Se emplea, sobre todo, para el aislamiento de cables. 5.6.5.12.- Polipropileno. El monómero de este plástico es el propeno o propileno [ CH3 --------CH = CH2 ], el cual debidamente activado, se polimeriza, obteniéndose el polipropileno, cuya fórmula general es: CH3

CH

CH2

n

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HOJA Nº 56

El material resulta incoloro o claro, muy ligero, muy duro y con buena resistencia al choque y a la tracción. Posee excelentes propiedades eléctricas, gran resistencia a los agentes químicos y a los disolventes, a la temperatura ordinaria. Se lo emplea en aislamiento eléctricos para cables. 5.6.5.13.- Policarbonatos. Son plásticos que incorporan el radical carbonato como parte constituyente de la cadena principal del polímero. Su más importante cualidad es que conservan todas sus buenas propiedades eléctricas y mecánicas hasta temperaturas de – 140º C. Esta característica tiene interés en aplicaciones astronáuticas, en la fabricación de cables superconductores etc. 5.6.5.14.- Poliamidas. Se conocen el mercado con el nombre comercial de Nylon. Para su obtención se parte de las amidas con grupos nitrilos (NH) y carboxilos (CO) y la disposición y número de estos elementos, distingue a los varios tipos de poliamidas. Por ejemplo para el caso del Nylon se parte de la amida denominada caprolactama, cuya fórmula estructural es: CH2  CH2  CH2  CH2  CH2   O = C  NH

Por la acción del calor, se rompe el enlace entre el grupo carboxilo CO y el grupo nitrilo NH, con lo que resulta un monómero activado que , por polimerización produce la policaprolactama, más conocida con el nombre de nylon y cuya fórmula general es: ← C  CH2  CH2  CH2  CH2  CH2  N →   O H n Son del tipo fibroso, de aspecto lechoso y traslúcido, son resistentes a los rayos solares y no sufren envejecimiento. Tienen excelentes propiedades mecánicas, buenas propiedades químicas pero como desventaja se puede citar su higroscopicidad. Poseen buenas propiedades eléctricas, pueden funcionar permanentemente en una gama de temperaturas entre –60 y + 110º C. Arde suavemente con llama azul y se funde. Desprende olor a pelo quemado.

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HOJA Nº 57

En la actualidad son un sustituto de los aislamientos de seda y algodón, tan empleados antiguamente en los hilos para bobinados, los tejidos de nylon, una vez barnizados, presentan prácticamente las mismas cualidades que aquellos, con ventajas económicas y mayor resistencia mecánica. Se emplean como revestimiento final o cubierta de cables eléctricos, esta cubierta es resistente al calor y la abrasión, también en la fabricación de piezas en aparatos eléctricos, ya que a sus cualidades eléctricas se añaden su resistencia a sobrecalentamientos y su cualidad de irrompible. Otro campo de empleo es en los cables para alta frecuencia, antenas de radio y de televisión, instalaciones telefónicas etc.. También con pulverización con pistola, se pueden recubrir con poliamidas toda clase de superficies metálicas. 5.6.5.15.- Características técnicas de las poliamidas

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Peso específico a 20º C, en gr/cm3 Carga a la rotura, en Kg/cm2 Alargamiento a la rotura, en % Temperatura máxima de trabajo continuo, en º C Temperatura de fragilidad, en º C Resistencia a la llama CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

1,1 500 40 100 -50 Mala

Resistividad a 20º C, en ohmsxcm2/cm Rigidez dieléctrica a 20º C, en KV/mm Constante dieléctrica, a 50 Hz. Factor de pérdidas a 50 Hz y 20º C

1012 25 5 0,05

5.6.5.16.- Resinas fluoradas. Se caracterizan por la sustitución, en la cadena molecular del polietileno, de los átomos de hidrógeno por átomos de fluor. Por reacción del ácido fluorhídrico con el cloroformo se obtiene el monómero tetrafluoretileno, cuya fórmula estructural es: CF2 = CF2, que debidamente activado, se polimeriza, obteniéndose el politetrafluoretileno, cuya fórmula general es:

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HOJA Nº 58

F F   ←CC→   F F n Se lo conoce comercialmente con el nombre de teflón, y con la sigla P.T.F.E. Conserva las propiedades físicas y químicas del polietileno, con la particularidad de que la presencia de fluor le proporciona una excepcional resistencia a los agentes químicos. Es traslúcido, blanco o grisaseo, inalterable a la luz solar y a los agentes atmosféricos. Nula absorción de humedad. Gran resistencia al envejecimiento por oxidación, especialmente a altas temperaturas. Puede funcionar en una franja de temperatura entre –55º C y +325º C, sin perder ninguna de sus propiedades. Se descompone a una temperatura de 450 a 500º C. No arde, pero se pone incandescente. Presenta excelentes propiedades eléctricas, incluso a altas temperaturas. Su principal desventaja y que limita su uso es su elevado costo, que lo hacen prohibitivo para ciertas aplicaciones. Se lo emplea como aislamiento de conductores sometidos a muy exigentes condiciones de funcionamiento, en el campo de la alta frecuencia y para la fabricación de dieléctricos de capacitores cerámicos. 5.6.5.17.- Características técnicas del teflón. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Peso específico a 20º C, en gr/cm3 Carga a la rotura, en Kg/cm2 Alargamiento a la rotura, en % Temperatura máxima de trabajo continuo, en º C Temperatura de fragilidad, en º C Resistencia a la llama CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

2,2 150 200 300 - 50 Incombustible

Resistividad a 20º C, en ohmsxcm2/cm Rigidez dieléctrica a 20º C, en KV/mm Constante dieléctrica a 50 Hz. Factor de pérdidas a 50 Hz y 20º C

1015 30 2 2 x 10-4

5.6.6.- Materiales termoestables

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HOJA Nº 59

Estos materiales denominados también termoendurecibles o termofraguantes poseen la característica principal de perder su plasticidad después de calentarlos por primera vez. Después de enfriados, ya no se ablandan por un nuevo calentamiento y resultan irrecuperables para nuevas transformaciones. Los materiales termoestables se endurecen con el calor, es decir que cuando se los somete a la acción de la temperatura durante bastante tiempo disminuye su solubilidad hasta anularse completamente, al mismo tiempo, se eleva su punto de fusión y pueden llegar a hacerse infusibles. Tienen una estructura reticular tridimensional y que se producen casi siempre por policondensación, es decir, por reacción de dos monómeros, que producen un tercer monómero, el cual constituye la unidad que se repite en la red polimérica. Se caracterizan por el hecho de que, hasta su temperatura de descomposición, tanto su forma y dimensiones como sus características mecánicas, varían poco por efecto de la temperatura. 5.6.6.1.- Resinas fenólicas. También denominados fenoplastos, son las que se conocen con el nombre de baquelitas. Se obtienen por reacción de policondensación de los fenoles con el formaldheído o formol, con ayuda de un catalizador, generalmente alcalino ( amoníaco). Los fenoles son sustancias derivadas de los hidrocarburos aromáticos por sustitución de un átomo del núcleo, por un grupo hidroxilo (OH). El fenol o ácido fénico, cuyas fórmulas desarrollada y simplicada son: OH

 C ╱╲ HC CH   HC CH ╲╱ C  H OH

 ╱╲   ╲╱

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HOJA Nº 60

Es un compuesto blanco cristalino que se colorea de rosa en el aire. El otro componente básico para la obtención de la baquelita es el formaldehído o formol, cuya fórmula desarrollada y abreviada son: H  CH  O HCHO Es un gas a la temperatura ordinaria, que se obtiene por hidrogenación del óxido de carbono (CO) o por oxidación del metano (CH4). El formaldehído al actuar como catalizador resulta determinante para que el producto final sea termoplástico o termoestable. Existen varios compuestos con el nombre de baquelita, cuya constitución depende, esencialmente de los porcentajes de fenol, formaldehído y catalizador, como de la temperatura de la reacción y el estado en que se interrumpe esta. Las reacciones que se producen en la obtención de las baquelitas dan lugar a tres fases de condensación, que corresponden a tres tipos distintos de baquelitas: • 1º Fase de condensación ( baquelita A o resol): se obtiene a temperatura inferior a 50º C. Esta baquelita es líquida, viscosa, o incluso, sólida, soluble en los alcoholes, en la acetona, en el fenol y glicerina, por lo que puede usarse en disolución, como barniz (barniz de baquelita). Finamente pulverizada y mezclada, a temperatura ambiente, con cierto tipo de cargas, constituye lo que se denomina polvo de moldear. • 2º Fase de condensación (baquelita B o resitol): es sólida pero desmenuzable e insoluble en casi todos los disolventes. Cuando se calienta se reblandece y se hace plástica, es decir que se trata en realidad, de un material termoplástico. Puede moldearse fácilmente y se transforma por calentamiento en baquelita C. Es un gran dieléctrico, su constante dieléctrica, comprendida entre 5,6 y 8,8, se aproxima a la mica y el vidrio. La rigidez dieléctrica es muy elevada. Su resistencia a los agentes químicos, así como su incombustibilidad y su infusibilidad, lo hacen adecuada para constituir excelentes barnices aislantes de impregnación. Estos barnices se utilizan, especialmente en máquinas eléctricas que giran a gran velocidad, ya que permiten inmovilizar los devanados, constituyendo un bloque compacto, muy resistente a los

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HOJA Nº 61

esfuerzos de la fuerza centrífuga. No es aconsejable en máquinas normales, ya que no es posible realizar una reparación sin dejar fuera de uso a toda la máquina. • 3º Fase de condensación (baquelita C o resita): se obtiene calentando la baquelita B a una temperatura de 180-200º C. Es un cuerpo duro, estable e insoluble a todos los disolventes conocidos. No es higroscópica, y es inalterable a la mayor parte de los agentes químicos, solamente es atacada por el ácido sulfúrico concentrado y por las álcalis hirviendo. No se inflama y resiste temperaturas de 300º C. Su principal inconveniente es la falta de elasticidad y flexibilidad. A pesar de sus extraordinarias cualidades dieléctricas su utilización esta limitada debido a su alto precio. 5.6.6.2.- Característica técnicas de baquelitas. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Peso específico a 20º C, en gr/cm3 Resistencia a al tracción, en Kg/cm2 Resistencia a la compresión, en Kg/cm2 Resistencia a la flexión, en Kg/cm2 Alargamiento a la rotura, en % Temperatura máxima de trabajo continuo, en º C Absorción de agua en 24 Hs., en % Resistencia a la llama CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Resistividad a 20º C, en ohmsxcm2/cm Rigidez dieléctrica, en KV/mm Constante dieléctrica, a 50 Hz. Constante dieléctrica, a 1 MHz. Factor de pérdidas, a 50 Hz. Factor de pérdidas, a 1 MHz.

Baquelita A (carga de mica) 1,80....2,00 315 1050....2100 360....840 ------135 0,007....0,07 Excelente

Baquelita B

1012 14....17 6 4,5....20 10 x 10-3....25 x 10-3 7 x 10-3....15 x 10-3

2 x 1016 12....30 5....10 5....7 25 x 10-3..200 x 10-3 15 x 10-3...45 x 10-3

1,20....1,3 350....770 1820....2300 840....1200 ---------125 0,05....0,07 Excelente

5.6.6.3.- Resinas epoxídicas. Las resinas epoxídicas o resinas epoxi, pueden presentarse como líquidos viscosos o en forma sólida. Los materiales básicos que intervienen en su fabricación son los cuerpos denominados difenilolpropano y la epiclorhidrina, cuyas fórmulas son:

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H  H C  C1

H  C

H  CH

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HOJA Nº 62

Epiclorhidrina

╲ ╱ O

Difenilolpropano Por reacción de estas dos sustancias se obtiene el polímero correspondiente, y según las cantidades relativas de los dos constituyentes y las condiciones en que se efectúan las reacciones se obtienen, respectivamente, resinas líquidas viscosas ó sólidas. Las propiedades típicas de estas resinas se obtienen solamente por reticulación de las moléculas epoxídicas del polímero con agentes endurecedores. Como agentes endurecedores pueden utilizarse diversos compuestos, tanto de carácter alcalino como de carácter ácido, en ambos casos se logran cuerpos líquidos y sólidos. las resinas líquidas son más reactivas que las sólidas y necesitan más cantidad de agente endurecedor. Las resinas epoxídicas puras son, propiamente hablando, materiales termoplásticos, que por un mecanismo químico de endurecimiento, se transforman en un cuerpo duro que no es plástico, es decir, en un material termoestable. Sus principales propiedades son: • Se prestan a diversas aplicaciones y pueden utilizarse para revestir, impregnar y barnizar.

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• Su empleo es posible a la temperatura ambiente y a una temperatura algo más elevada. • Pueden utilizarse puras ó diluidas, o con el agregado de diversas cargas. • Permiten recubrir pantallas metálicas, partes activas de aparatos eléctricos y piezas de conexión, manteniéndose sólidamente en su posición. • Cuando están endurecidas, se adhieren bien a casi todos los cuerpos. Existen dos grandes grupos de resinas epoxídicas, las puras y las cargadas. Las resinas epoxídicas tienen la ventaja que sus propiedades pueden modificarse en forma amplia por la adición de toda clase de cargas. La más corriente de estas cargas son los materiales minerales de granulometría determinada, como ser harina de cuarzo, polvo de mica, caolín, harina de yeso, harina de pizarra, talco, harina de porcelana, etc.. Con las resinas epoxídicas líquidas se fabrican barnices aislantes muy adherentes y de gran resistencia a la abrasión, a la humedad y a los agentes químico. Las resinas epoxídicas sólidas han encontrado una aplicación específica en la fabricación de transformadores de medida para tensiones hasta unos 80 KV. También han dado buenos resultados las resinas epoxídicas en el aislamiento de las barras de generadores de alta tensión y en todos los casos en que el material que constituye el aislamiento conviene que forme un bloque compacto y muy resistente, con los materiales conductores. 5.7.- Materiales elastómeros. Los materiales elastómeros están caracterizados por su extraordinaria elasticidad, pueden estirarse varias veces en su longitud por tracción y, cuando cesa el esfuerzo, toman casi instantáneamente su forma primitiva sin deformación y sin que se alteren sus propiedades. generalmente adquieren esta elasticidad mediante un tratamiento térmico denominado vulcanización.. Por lo general los elastómeros son compuestos orgánicos constituidos, casi exclusivamente, por átomos de carbono y de hidrógeno, polimerizados convenientemente. Los materiales elastómeros pueden modificar sus propiedades mediante la formación de enlaces parciales entre las cadenas poliméricas adyacentes, en la operación denominada vulcanización, con ello se busca aumentar la elasticidad del material, a costa de su plasticidad, es decir, el material se vuelve más duro y elástico y menos expuesto a la deformación plástica permanente. Como agente de vulcanizado generalmente se emplea el azufre. La proporción de agente vulcanizante tiene gran influencia sobre las propiedades del material vulcanizado, si esta proporción es muy elevada puede desaparecer totalmente la elasticidad de la sustancia. Los materiales elastómeros se clasifican en naturales y sintéticos. Los naturales se obtienen a partir de materias primas existentes en la naturaleza, las operaciones industriales se limitan a

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HOJA Nº 64

mejorar y modificar de alguna forma el producto natural, que se presenta ya en estado de polímero, de ellos los más importantes son el caucho natural y la gutapercha. Los sintéticos se obtienen industrialmente por polimerización de los monómeros correspondientes. 5.7.1.- Caucho Natural. El caucho natural es un hidrocarburo, es decir, un compuesto que solo contiene carbono e hidrógeno. El caucho se encuentra en una relación de 27 a 40 % en un líquido de aspecto lechoso, denominado látex que se extrae de diversas plantas tropicales. El látex se extrae por medio de incisiones realizadas en los troncos y coagula espontáneamente algunas horas después de su extracción y por eso es preciso tratarlo con dos objetivos: acidificarlo para precipitar el caucho, ó estabilizarlo para su transporte y utilización como látex. El caucho natural se obtiene a partir del látex empleando como acidificante el ácido acético al 1 % o el ácido fórmico al 0,5 %, estas sustancias coagulan el caucho que se deposita formando una lámina continua. El caucho natural tiene un peso específico de 0,91 Kg/cm3 y una conductividad eléctrica muy baja. Pero tiene también dos defectos fundamentales, no tiene suficiente plasticidad para ser moldeado y resulta muy sensible a los agente atmosféricos, se oxida con el oxígeno del aire, envejece con la luz solar, se ablanda con el calor y se endurece con el frío, lo cual no lo hace útil para fines electrotécnicos. La elasticidad del caucho natural aumenta con la vulcanización, con esta operación se obtiene el caucho vulcanizado, con características muy diferentes al natural. Mediante la vulcanización, el caucho natural se convierte en un material de superior elasticidad, mayor resistencia mecánica, mayor duración y mayor resistencia a la temperatura, a la humedad y a los disolventes. La vulcanización del caucho natural se realiza amasando caucho con azufre en una proporción mínima de este del 0,15%, y cuando la mezcla es homogénea, se calienta la masa hasta temperaturas comprendidas entre 110º C y 150º C. El producto final depende, de la proporción de azufre empleado en la vulcanización, con azufre de 8 a 10%, se obtiene un caucho blando ó normal, con un 10 a 25%, se obtienen semiebonitas, poco resistentes y poco elásticas, cuando la proporción de azufre esta entre el 25 y 32% se obtienen las ebonitas, materiales duros, resistentes y poco elásticos. Para la preparación de cauchos utilizados en electricidad se agregan otros ingredientes para mejorar sus propiedades mecánicas ó eléctricas, dichos ingredientes actúan como plastificantes, acelerantes, activadores, retardadores, antioxidantes ó cargas. Las propiedades eléctricas del caucho vulcanizado dependen sobre todo de la proporción de azufre. Cuando el caucho vulcanizado se sumerge en agua, absorbe humedad y aumenta su peso. A baja temperatura, el caucho se vuelve rígido, con un aumento de su resistencia a la tracción, pero a temperaturas elevadas no tiene prácticamente resistencia. Uno de los agentes que más

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HOJA Nº 65

provocan el deterioro de los aislamientos de caucho, es el ozono, el cual resulta particularmente activo cuando la superficie está en tensión, produciendo grietas que causan la perforación. Como propiedades del caucho vulcanizado pueden citarse: es muy elástico, tiene elevada resistencia a la tracción, mucho alargamiento a la rotura y se recobra rápidamente después de ser extendido, muy resistente a la abrasión, buenas propiedades dieléctricas y buena resistencia a los ácidos y álcalis. Para el aislamiento de conductores de Cu, ha de tenerse en cuenta que se producen reacciones químicas entre el Cu y el caucho, cuando están en contacto directo, lo que provoca con el tiempo la destrucción de este último material, por esta razón en los conductores de Cu aislados con caucho, debe estañarse el Cu. Los aislantes usuales para conductores, contienen un 20% de caucho, como mínimo, llegando a un 40% los de calidad superior, las cubiertas de conductores portátiles sujetas a desgaste mecánico por abrasión, pueden contener hasta un 60% de caucho. Además de los aislamientos para conductores, también se fabrican de caucho diversos objetos, tales como alfombras aislantes, grandes protectores para trabajo bajo tensión y cintas aislantes de goma, para su empleo en los empalmes aislados de conductores eléctricos. 5.7.2.- Característica técnicas del caucho natural y de la ebonita. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

Caucho natural

Ebonita

Peso específico a 20º C, en gr/cm3 Resistencia a al tracción, en Kg/cm2 Resistencia a la compresión, en Kg/cm2 Resistencia a la flexión, en Kg/cm2 Alargamiento a la rotura, en % Temperatura máxima de trabajo continuo, en º C Absorción de agua en 24 Hs., en % Resistencia a la llama CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

0,95 200 .....300 500 ................... 600.....700 50.....60 2,4 Mala

1,1 .......1,8 200......700 100......500 560......1000 8.....15 60 0,5 Mala

Resistividad a 20º C, en ohmsxcm2/cm Rigidez dieléctrica, en KV/mm Constante dieléctrica, a 50 Hz. Constante dieléctrica, a 1 MHz. Factor de pérdidas, a 50 Hz. Factor de pérdidas, a 1 MHz.

1016 25....30 2,5....2,9 2,4.....2,7 0,004 0,004

1014 20....25 2,8....3,5 3 0,004.....0,005 0,006.....0,020

5.8.- Siliconas aplicadas en electricidad.

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Las siliconas son compuestos que contienen, a la vez, silicio y grupos orgánicos en los que un átomo de Si está enlazado por lo menos con uno de carbono. Son generalmente de elevado peso molecular, en los que, además del enlace común a todos estos compuestos:

Si

C

Se encuentra el enlace:

Si

O

Resultando una analogía con las acetonas orgánicas, cuya expresión es:

C

O

Se las denominan silicon-acetonas ó abreviadamente siliconas. Las siliconas comerciales se presentan en cinco formas diferentes: fluidos y aceites, compounds o pastas, grasas, resinas y elastómeros. Todos estos productos tienen en común un cierto número de propiedades que se deben a su especial constitución química. Sus principales cualidades para su aplicación en electricidad son: • Resistencia a variaciones de temperaturas comprendidas entre –50º C y +250º C en servicio continuo, sin que se afecten sus propiedades eléctricas y mecánicas. • Excelente resistencia a las sobrecargas, a frecuencia industrial o media. • Muy buenas propiedades dieléctricas, mejores que las correspondientes a los materiales aislantes orgánicos, sobre todo en lo que se refiere a la estabilidad a la temperatura y a la humedad. • Ausencia de envejecimiento ante los agentes climatológicos, lo que permite su empleo en instalaciones exteriores sin protección. • Resistencia al oxígeno, al ozono, y al efecto corona. • Resistencia a los askareles, tipo Pyralene, hasta 150º C. • Resistencia al agua, al vapor de agua y a la humedad. • Resistencia a los agentes químicos agresivos.

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• Excelente flexibilidad en caliente y alargamiento suficiente para permitir la dilatación de los soportes. La relación de las cantidades numéricas de grupos ó radicales orgánicos, o de átomos de oxígeno a las cantidades de átomos de Si presentes en la molécula de silicona, permite prejuzgar las propiedades de esta y se obtienen los siguientes tipos: • Materiales rígidos y termoestables o para la fabricación de aislantes duros. • Materiales elásticos y termoplásticos para permitir la dilatación de los soportes en los aislantes flexibles tales como las cintas de relleno, los adhesivos, los materiales compuestos a base de mica, de amianto, de vidrio, etc. • Fluidos y aceites, utilizados, sobre todo, como dieléctricos líquidos. • Elastómeros ó gomas, utilizados en las formas más diversas tales como cintas autoadhesivas, recubrimiento de conductores eléctricos, etc.. Partiendo de estos tipos de siliconas y añadiendo las cargas, catalizadores y otros agentes químicos, se obtienen otros productos de siliconas como ser: • Compounds de silicona: que están esencialmente constituidos por fluidos de siliconas de viscosidad bastante elevada, adicionados con cargas inertes y de consistencia comparable a la de la vaselina. • Grasas de siliconas: obtenidas por adición a los fluidos de siliconas de materiales untuosos. 5.8.1.- Aplicaciones de las siliconas en la electricidad. Dadas las extraordinarias propiedades mecánicas, físico-químicas y dieléctricas de las siliconas, puede decirse que constituyen el material aislante por excelencia. Pero las siliconas son productos de difícil fabricación y a partir de materias primas costosas, resultando antieconómicas para aplicaciones generales, quedando reservado su uso a casos especiales. Debido a que soportan temperaturas elevadas próximas a los 250º C sin modificar sensiblemente sus características, han sido homologadas como clase H ( temperatura máxima de servicio continuo de 180º C). Las siliconas pueden emplearse en electricidad de muy diversas formas, de las cuales se reseñan las siguientes: • Estratificados de vidrio-silicona y amianto-silicona: son de clase F y H, y se utilizan como soporte de arrollamientos y de conexiones, circuitos

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• impresos, etc., que tengan que resistir temperaturas hasta 200º C, nieblas salinas, aceites y grasas. • Polvos de moldeo: utilizado para construir diversas piezas como tomas corrientes, aisladores, etc.. Se puede trabajar con ellas a 300º C en forma continua, son incombustibles y soportan temperaturas de mas de 1000º C por diez minutos, son insensibles a la humedad. • Compounds: utilizados para la obturación y cierre de elementos de porcelana y esteatita ( por ejemplo aisladores pasa tapa de los transformadores de potencia ). • Aislantes flexibles: a base de resinas y elastómeros de silicona, pueden presentarse en forma de cintas, trenzas y tejidos de vidrio recubiertos con resina de silicona o elastómero de siliconas,cintas autoadhesivas y cintas autofusibles. • Aislantes de mica y micanita: las placas de mica o micanita se pueden aglomerar con una resina de silicona, con o sin adición de goma laca u otra resina orgánica. Estos materiales pueden utilizarse en aislantes para calefacción eléctrica y para el aislamiento entre delgas de colectores. • Barnices aislantes: fabricados a partir de las resinas de silicona y utilizados para la impregnación de bobinados de motores, generadores y transformadores que han de funcionar en condiciones muy rigurosas de temperaturas ( hasta 180º C), de humedad ( climas tropicales y de corrosiones diversas ). • Aislamiento de conductores eléctricos: se emplean sobre todo los elastómeros de silicona, fabricados por extrusión o por impregnación en tejido de vidrio. Tienen como características principales una elevada resistencia de aislamiento en atmósfera muy húmeda y soportan elevadas temperaturas de servicio por reducción de peso y volumen. Se lo emplea en las instalaciones de buques de guerra y en aviación, estando homologados en las Marinas de diversos países. En los cables aislados con cintas de vidrio impregnados de elastómeros de silicona, se obtiene una temperatura de servicio de 125º C, para intensidades de 1000 a 2000 A y tensiones hasta 7500 V. Para las fundas extruidas, la tensión puede alcanzar hasta 5000 V, para intensidades de 500 A., a la misma temperatura de servicio. • Resinas de recubrimiento: se utilizan para el recubrimiento de chapas, núcleos y circuitos magnéticos de material de tracción, clase H, que pueden soportar hasta 250º C en forma continua. • Dieléctricos líquidos: son fluidos de siliconas, utilizados en el relleno de pequeños transformadores y de condensadores para equipos de radar o radio.

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HOJA Nº 69

6.- Aislantes gaseosos. 6.1.- Introducción. De todos los aislantes, el aire es, sin lugar a dudas, el que con más frecuencia se emplea. De allí la importancia que reviste su comportamiento dieléctrico. Si se emplazan dos placas metálicas con el aire como dieléctrico, y si se aumenta paulatinamente la diferencia de potencial existente entre ambas, se observará que a partir de un determinado valor de ésta empiezan a ocurrir descargas eléctricas. Debido al sonido característico de estas descargas y a la formación de ozono, es posible percibir presencia de las mismas tanto con el oído como con el olfato. Si se sigue aumentando la diferencia de potencial, el efecto descrito anteriormente se acentúa e incluso empieza a ser percibido por la chispa, debido a la luminosidad que lo caracteriza. Este fenómeno trae consigo una descomposición parcial del medio circundante, en este caso el aire. El proceso en cuestión culmina al formarse una chispa o canal plasmático entre ambas placas, en cuyo caso se tiene prácticamente un corto circuito. Un gas en estado natural, es decir, no expuesto a ningún agente ionizante es un material aislante perfecto para todas las tensiones de servicio que estén por debajo de su rigidez dieléctrica. Como resultante del proceso de ionización los átomos del gas pueden quedar cargados positivamente o negativamente según les falte o sobre un electrón. Por diversas causas, los gases pueden pasar de su estado dieléctrico a su estado de conducción, debido a la existencia de iones libres mezclados con el gas, que provocan la conductividad eléctrica de éste. En la siguiente figura se muestra la curva tensión versus corriente de un gas ionizado, entre electrodos de armaduras paralelas. I Figura 6.1.Curva tensión vs. Corriente de un gas ionizado 0

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HOJA Nº 70

A bajas tensiones, entre 0 y 1, el gas actúa como cualquier otro conductor, en la región comprendida entre 1 y 2, existe un estado de saturación y un aumento de corriente muy pequeño con el aumento de tensión, este fenómeno se debe a que la producción de nuevas cargas eléctricas libres se estabiliza, en función del tiempo., en la región comprendida entre 2 y 3, el campo eléctrico del gas se hace lo suficientemente elevado para provocar por si mismo la ionización, y en esta región, el aumento de corriente es mucho mayor que el correspondiente aumento de tensión. Cuando cesa la acción del agente ionizante, el gas sigue manteniendo su conductividad eléctrica durante cierto tiempo, y finalmente desaparece definitivamente. Esto indica que los iones libres, presentes en el seno del gas, se recombinan entre sí y, al terminarse este proceso, el gas vuelve a su estado normal. 6.2.- Consideraciones particulares sobre las propiedades eléctricas. 6.2.1.- Constante dieléctrica. La constante dieléctrica de todos los gases ( aire, hidrógeno, nitrógeno, anhídrido carbónico, etc. ) a las temperaturas comprendidas entre 0 y 20º C y al del vapor de agua a la temperatura de 150º C, es aproximadamente igual a la unidad. Este valor es prácticamente independiente de la frecuencia, de la intensidad de campo eléctrico, y de los campos magnéticos, pero está afectada ligeramente por los cambios de presión y temperatura. El estado de ionización de un gas influye en su constante dieléctrica, para presiones muy débiles, dicha constante disminuye al principio, cuando comienza la ionización, para crecer bruscamente, al aumentar más la ionización. La presencia de humedad en el aire y otros gases aumenta su constante dieléctrica. 6.2.2.-Descarga en gases , rigidez dieléctrica. Para cualquier distancia entre electrodos en atmósfera gaseosa, existe cierta presión crítica a la cual, la descarga disruptiva se produce con un valor mínimo de la tensión aplicada entre los electrodos. Existen valores máximos y mínimos de presión, denominados críticos, dentro de los cuales existe un valor de tensión mínima que produce la descarga disruptiva, con presiones por debajo y por encima de estos valores críticos aumenta la tensión necesaria para producir la ruptura del gas, tanto al aumentar como al disminuir las presiones. Esto está enunciado por la Ley de Paschen, la cual establece que la tensión disruptiva de un gas, solamente es función del producto de la distancia entre electrodos por la presión del gas, es decir: Ud = f (p.d) Donde:

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HOJA Nº 71

p: presión del gas d: distancia entre electrodos. Si la presión p y la distancia d, varían de forma que se tenga p.d = constante, de acuerdo a lo dicho anteriormente, la tensión disruptiva, permanecerá también constante. En la tabla siguiente están expresados algunos valores de tensiones mínimas disruptivas y del producto p.d, para algunos gases utilizados en electricidad. GAS Aire Anhídrido Carbónico Argón Helio Hidrógeno Nitrógeno

Potencial disruptivo mínimo ( V ) 341 419 233 261 278 251

Producto p.d, p (mm de agua) d ( mm) 5,7 5,1 7,6 27 14,4 6,7

De acuerdo a lo expuesto se deduce que cuanto mayor es la presión, menor puede ser la distancia entre electrodos para que se produzca la descarga disruptiva. Es decir que los gases comprimidos son mejores aislantes que en las condiciones normales de presión. La influencia combinada de la presión del gas y la distancia entre electrodos en el valor de la descarga disruptiva y por lo tanto en la rigidez dieléctrica, solo tiene validez si se aplica a campos eléctricos uniformes, es decir, no sometidos a la ionización parcial o total de los gases. La rigidez dieléctrica de los gases está determinada ante todo, por las condiciones geométricas y la separación de los electrodos. También depende de la naturaleza y pureza del gas, de su densidad, y en menor grado del material que constituye el electrodo. La tabla siguiente expresa valores de rigidez dieléctrica relativas a la del aire a diferentes presiones, para poder realizar una comparación. Debe tenerse en cuenta que la rigidez del aire es tomada como unidad para cada presión, pero que en realidad la misma aumenta con la presión. Presión (atmósferas) 1 2 3 4 5

Aire 1 1 1 1 1

Anhídrido Carbónico 1,20 1,10 1,05 1,03 1,02

Hidrógeno

Nitrógeno

Oxígeno

0,87 0,76 0,72 0,69 0,68

1,16 1,15 1,15 1,14 1,14

0,95 0,93 0,92 0,92 0,90

6.3.- Descripción de materiales aislantes gaseosos. 6.3.1.- El aire.

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HOJA Nº 72

Como ya se dijo el aire es el material aislante mas empleado y, también el más económico. En un campo eléctrico uniforme y con aire a la densidad normal, la rigidez dieléctrica es de 31 Kv/cm valor pico. Este valor se da cuando no esta limitado el tiempo de aplicación de la tensión. La rigidez dieléctrica esta afectada por la forma, dimensiones y separación entre los electrodos. También influyen en la rigidez dieléctrica del aire la temperatura y la presión, como se observa en la figura: Rigidez Dieléctrica

20 atmósferas Figura 6.3.1.Rigidez dieléctrica vs. Presión.

Presión atmosférica

Presión La tensión disruptiva también depende de la densidad del aire, siendo la rigidez dieléctrica proporcional a la densidad. La densidad del aire varía en razón directa con la presión y en razón inversa con la temperatura absoluta. Cuando la tensión continua que se aplica a un par de conductores paralelos aumenta lentamente , se alcanza una tensión a la cual se oye un silbido característico, acompañado de una luz violeta pálida, visible en la oscuridad, la variación de la tensión en que aparece este punto crítico, en función del diámetro del conductor, se representa en la siguiente figura: Rigidez Dieléctrica Figura 6.3.1.Rigidez dieléctrica vs. Diámetro del conductor

Diámetro del conductor

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HOJA Nº 73

La luminiscencia empieza en la superficie del conductor. En la región de ruptura , el aire se hace conductor y aumenta de esta forma el diámetro eficaz del conductor, la corona envuelve al conductor como un cilindro concéntrico y el diámetro exterior aumenta. Cuando la tensión aplicada aumenta suficientemente, después de la aparición del efecto corona, se provocará una descarga disruptiva de conductor a conductor, en forma de chispa. Sin embargo hay una separación crítica mínima de los conductores, por debajo de la cual, se produce la descarga disruptiva sin aparición del efecto corona. El aire comprimido se emplea como dieléctrico en los capacitores patrones, en los generadores electrostáticos, en los cables de alta tensión y en los disyuntores de potencia. 6.3.2.- Gases electropositivos. Estos gases se caracterizan por un comportamiento peculiar, a saber: todos los electrones liberados por medio de la ionización permanecen libres y continúan participando en el proceso de ionización del medio gaseoso. Ejemplos característicos de estos gases son el hidrógeno y el nitrógeno, ampliamente utilizados con fines comerciales. Otros gases nobles son también representativos del comportamiento en cuestión. 6.3.3.- Gases electronegativos. Estos tienen la propiedad de capturar o absorber electrones y formar iones negativos. Ejemplos característicos de este comportamiento son el oxigeno O2 y el hexafluoruro de azufre SF6. El aire, a pesar de su elevado contenido de oxígeno, es catalogado como un gas electropositivo. En vista de la poca movilidad, es decir, energía cinética insignificante, de estos iones negativos, se puede afirmar que los electrones capturados dejan de participar en el proceso de ionización del medio. El comportamiento de los gases en cuanto a su ionización respecto a la tensión aplicada al medio se puede observar en la siguiente figura: Coef. de ionización

Aire Figura 6.6.3.Coeficiente de ionización vs. tensión

N2 SF6

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HOJA Nº 74

Las denominadas subestaciones encapsuladas dependen hoy en día de los gases electronegativos, sin los cuales no sería posible su realización. El más barato de los gases es el aire, por razones obvias, luego le sigue el nitrógeno, el cual se obtiene fácilmente del primero. Este se utiliza para el aislamiento de cables en tuberías de presión, condensadores a presión, etc.. Con tales gases no es posible obtener la rigidez dieléctrica que ofrecen los aislantes sólidos y líquidos, salvo que se sometan a la presión muy elevada. 6.3.4.- Hexafluoruro de azufre. El hexafluoruro de azufre ha adquirido mucha importancia debido a las ventajas que se indican a continuación: • Rigidez dieléctrica tres veces superior a la del aire en igualdad de condiciones ( presión barométrica normal, etc..) • Densidad cinco veces superior a la del aire, por lo cual se habla de un gas pesado, además, es también inodoro e incoloro. • No es venenoso, térmicamente estable y químicamente relativamente inerte, es decir, no entra fácilmente en reacción. • Es un buen conductor térmico, debido a su relativamente baja energía de disociación y, por consiguiente, un buen medio extintor para interruptores de potencia. El SF6 puede extinguir arcos de corriente 100 veces más fuertes de los que podría extinguir el aire. El SF6 se descompone por la acción del arco eléctrico y puede reaccionar entonces con el cobre de los contactos, formándose así mezclas muy tóxicas y venenosas, de allí que en los interruptores de potencia se le regenere químicamente con hidróxido de aluminio. En vista de que su obtención no es barata, últimamente se ha tratado de mezclarlo con otros gases nobles, por ejemplo el N2 , para así reducir su costo. La figura siguiente representa la molécula del SF6 , cuya estructura es octaédrica:

Figura 6.3.4.Estructura de la molécula de azufre

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HOJA Nº 75

El átomo de azufre está rodeado por seis átomos de flúor . La simetría de la estructura octaédrica hace que la molécula del SF6 sea semejante a la de los gases nobles, mientras que la disposición de los átomos de flúor garantiza la estabilidad térmica a altas temperaturas. 6.3.4.1.- Propiedades químicas del SF6 Es un gas estable e inerte, no reacciona con el agua ni con el ácido clorhídrico, tampoco con el amoníaco. Normalmente no ataca ningún material, excepto cuando se ve expuesto a descargas eléctricas, como las que pueden ocurrir en las subestaciones encapsuladas y particularmente en la cámara de interrupción, que lo usan indistintamente como dieléctrico o como medio de extinción. Estos productos de descomposición si atacan algunos materiales no metálicos, como el vidrio de la capa superficial de la porcelana, esteatita, etc., y a algunos metales, como el cobre, estaño, hierro, tungsteno, etc.. esta acción corrosiva es favorecida por las altas temperaturas como por la humedad, formándose generalmente ácidos fluorhídricos. Cuando el gas se enfría, no se combinan de nuevo estos componentes atómicos. Los productos que quedan entonces son comúnmente fluoruros de azufre y de cobre. Si bien este porcentaje es mínimo en la práctica es necesario filtrar el gas para regenerarlo y llevarlo a sus condiciones iniciales. Esto se logra por absorción, para lo cual se utilizan tamices moleculares, hidróxido de aluminio, llamado también aluminio activado. En vista de que el SF6, en las condiciones de descomposición citadas antes, no ataca ni al aluminio ni al acero, en particular al acero inoxidable, se ha difundido en la práctica el uso de los dos primeros como recipiente y albergue tanto de las subestaciones encapsuladas como de las cámaras de interrupción. 6.3.4.2.- Propiedades físicas del SF6. Es unas cinco veces más pesado que el aire, en condiciones normales, 163 litros de este gas pesan 1 Kg. El SF6 es inodoro, incoloro e incombustible. El SF6 pasa directamente de la fase sólida a la gaseosa, y no existe en forma de líquidos sino a presión. En las subestaciones encapsuladas y en los interruptores de potencia hay que dispensarle especial cuidado a la temperatura ambiente, pues estando sometido el gas a presión (hasta 18 bar) éste puede licuar a partir de 10º C sobre cero. Los valores límites que se han establecido en la práctica son: • 6,1 bar hasta 25º C • 11,2 bar hasta 5º C. Si se desea por razones dieléctricas elevar la presión del SF6, entonces hay que recurrir a la calefacción del recipiente.

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HOJA Nº 76

6.3.4.3.- Propiedades dieléctricas. El SF6 tiene una rigidez dieléctrica mayor que la del aire, el nitrógeno y el bióxido de carbono, lo cual es atribuible a su carácter electronegativo. En la siguiente figura se muestra, en forma comparativa, el SF6 y el aire, suponiendo la misma configuración electródica y la misma frecuencia de prueba.

U (Kv) SF6 Figura 6.3.4.3.Rigidez dieléctrica del aire y el SF6 en función de la presión Aire

Presión (bars) Se puede apreciar que desde el punto de vista dieléctrico el SF6 duplica el valor del aire para determinadas presiones.. Al comparar las propiedades dieléctricas del SF6 con las de otros dieléctricos se llega a las siguientes conclusiones: • Los dieléctricos sólidos, por acción de descargas eléctricas, pueden ser dañados tanto superficialmente como en su masa. El SF6 no sufre alteraciones apreciables debido a su espontánea autorregeneración. • El SF6 cumple satisfactoriamente la Ley de Paschen, denotando una variación bastante lineal al aumentar la presión del gas. • La relación entre el valor máximo de tensión de descarga a impulso y el de la tensión de descarga a frecuencia industrial del SF6 es más baja que la de los aceites aislantes de uso general. Finalmente cabe resaltar que el carácter electronegativo del SF6 se mantiene aún a temperaturas muy elevadas, por lo que es muy solicitado para combatir el arco eléctrico en interruptores de potencia.

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HOJA Nº 77

7.- Aislantes líquidos. 7.1.- Características de los aislantes líquidos. De acuerdo a la estructura química de un material aislante líquido pueden distinguirse dos tipos: • Polares: se caracterizan por poseer un desequilibrio permanente de las cargas eléctricas dentro de cada molécula, a este sistema de cargas desequilibradas se lo conoce como dipolo y tiende a girar cuando se encuentra en un campo eléctrico. En los aislantes polares hay rotación libre de los dipolos a ciertas temperaturas y frecuencias lo que provoca unas pérdidas dieléctricas elevadas. • No polares: en ellos no existe desequilibrio permanente de cargas, puesto que la molécula no puede ser distorsionada por la aplicación de un campo eléctrico, por lo tanto no existe tendencia al giro. En consecuencia los materiales no polares están exentos de variaciones bruscas en sus pérdidas dieléctricas por variación de la temperatura ó de la frecuencia, y cualquier variación de la constante dieléctrica ó del factor de pérdidas se produce gradualmente. La mayoría de los hidrocarburos son no polares, siendo estos y sus derivados los mejores aislantes líquidos. Los aislantes líquidos encuentran numerosas aplicaciones prácticas, y sus propiedades convectivas y refrigerantes desempeñan un papel muy importante tanto en transformadores como en interruptores. 7.2.- Consideraciones particulares sobre las propiedades eléctricas. 7.2.1.- Conductividad eléctrica. La conductividad eléctrica en corriente continua de los dieléctricos líquidos es de naturaleza iónica, con un alto coeficiente de temperatura positivo, expresado por la siguiente fórmula:

G = G0 ea/T Donde: G0 = Conductividad a 20º C. a = constante, distinta para cada líquido.

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HOJA Nº 78

T = Temperatura absoluta, en º K. El aumento de conductividad con la temperatura es una consecuencia de la movilidad de los iones, que se produce por la disminución de la viscosidad. Las impurezas incrementan también la conductividad, como así también la humedad. 7.2.2.- Constante dieléctrica. Su valor es muy variable y puede estar comprendido entre 1,5 y 100. Para los líquidos no polares su valor está comprendido entre 1,84 y 2,3, siendo independiente de la frecuencia y poco variables con la temperatura debido a la dilatación térmica. Por el contrario los líquidos polares tienen constante dieléctrica muy elevada, con una variación notable con la frecuencia y la temperatura. 7.2.3.- Rigidez dieléctrica. La obtención de líquidos totalmente puros es sumamente difícil y en estos la ruptura dieléctrica obedece a la presencia de impurezas como agua, gases, sólidos en suspensión, etc. La figura muestra la dependencia de la rigidez dieléctrica de un aceite aislante en función del contenido de agua del mismo: R R = F ( % agua ) Figura 7.2.3.Rigidez dieléctrica en función del contenido de agua % agua Las inclusiones gaseosas producen un recalentamiento del líquido, que conlleva al desprendimiento de burbujas fáciles de ionizar. Este proceso conduce con frecuencia a la ruptura del medio. El agua por su parte no se mezcla a temperatura normal con el aceite, sino que se mantiene suspendida en forma de gotas muy pequeñas y aisladas. El campo eléctrico predominante puede fácilmente polarizar esas gotitas, formándose así un ordenamiento de las mismas, que en la práctica no es otra cosa que una cadena de elevada conductancia, la cual , tarde o temprano conduce también a la ruptura del medio. Es decir , principalmente la ionización

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HOJA Nº 79

y polarización del medio conducen a la ruptura dieléctrica en los aislantes líquidos, de los cuales el que mas se utiliza es el aceite. La denominada ruptura térmica se produce cuando la intensidad de campo eléctrico alcanza un valor determinado en una burbuja gaseosa, ésta se ioniza y la superficie líquida envolvente se calienta. A determinada tensión, el líquido comienza a hervir, es decir entra en proceso de ebullición, con lo cual la burbuja aumenta de tamaño. El gas ionizado va así incrementando su volumen hasta que ocurre la ruptura dieléctrica del medio. En los aceites minerales puros este proceso se desencadena a temperaturas cercanas a los 80º C. En el aceite no solo se encuentran gotas de agua, hollín, etc., sino también fibras en suspensión, las cuales pueden ser el producto de la descomposición de la celulosa u otros materiales aislante sólidos. Estas fibras crean zonas de elevado gradiente eléctrico , con cuyos efectos se ordenan en el espacio interelectródico, formando un canal conductor. Este último conduce a la ruptura dieléctrica del medio, denominada ruptura termofibrosa. El canal conductor que se forma aumenta de temperatura debido al paso de la corriente, efectuándose entonces un proceso de ruptura térmica. En la práctica para evitar este problema se interponen en el espacio interelectródico, pantallas aislantes, de manera que se evita la formación del mencionado canal conductor. 7.2.4.- Pérdidas dieléctricas. Las pérdidas dieléctricas de los aislantes líquidos dependen de la tensión prevaleciente en el espacio interelectródico y de la temperatura del medio. Esta última desempeña un papel muy importante en el envejecimiento del aislante. En las siguientes figuras se muestran tales dependencias. Tang δ

tang δ

Figura 7.2.4.Tang δ vs. tensión

Ui

U

Figura 7.2.4.Tang δ vs. temperatura

0º C

θ

En la primer figura la tensión Ui, indica el valor a partir del cual ocurren descargas parciales en el medio, aumentando entonces, en forma considerable, las pérdidas dieléctricas por ionización. En la otra figura se muestra la variación de las pérdidas dieléctricas en función de la temperatura θ.

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HOJA Nº 80

7.3.- Consideraciones particulares sobre las propiedades físico-químicas. 7.3.1.- Viscosidad. Es la resistencia de los líquidos a fluir. Para entender mejor este concepto, se supone en un líquido una lámina plana e infinitamente delgada de ese líquido, limitada por un contorno cualquiera, si se intenta mover esa lámina, en su mismo plano, la resistencia que se opone a este movimiento, debida al rozamiento de la lámina con las moléculas del resto del líquido, es la viscosidad, la cual depende de tres factores: • Es proporcional a la superficie S de la lámina. • Es proporcional a la velocidad de traslación v. • Es inversamente proporcional al espesor h de la lámina. Resultando: Fv = µ . S . v/h Donde: Fv = fuerza de rozamiento. S = superficie de la lámina. v = velocidad de traslación. h = espesor de la lámina. µ = constante de proporcionalidad, denominado también coeficiente de viscosidad absoluta. De la fórmula anterior puede deducirse el valor del coeficiente de viscosidad: µ = Fv . h / S . v La unidad de viscosidad absoluta es el poise ( dina . seg / cm2 ), y como el poise es una unidad muy grande se utiliza el centipoise, es decir su centésima parte, que equivale aproximadamente a la viscosidad absoluta del agua a 20º C. En la práctica industrial, se mide la viscosidad en aparatos denominados viscosímetros, por medio de los cuales se determina el tiempo que tarda en vaciarse un volumen fijo de líquido, a una temperatura determinada. Es decir que en realidad miden el tiempo que una masa determinada tarda en recorre una longitud determinada. Los grados de viscosidad que se miden con viscosímetros, deben acompañarse siempre de la indicación del aparato utilizado, y la temperatura a la cual se realiza la medida, por ejemplo la indicación de 5, 35 E60, expresa que la medida se realizó con el viscosímetro de Engler ( muy utilizado en Europa ) a una temperatura de 60ª C.

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HOJA Nº 81

La viscosidad de los aislantes líquidos disminuye al elevarse la temperatura y, en muchos casos resulta importante conocer esta variación, cuando los líquidos han de trabajar a temperatura elevadas. La escala de variación de la viscosidad de los líquidos con la temperatura se expresa por un índice de viscosidad, cuanto más alto sea este índice, menor será la variación de la viscosidad con la temperatura. 7.3.2.- Punto de inflamación y de combustión. El punto de inflamación de un líquido es la temperatura mínima a la cual los vapores desprendidos por el líquido se inflaman en presencia de una llama. Si después de haber llegado al punto de inflamación se sigue calentando el líquido, llega un momento en que empieza a arder ininterrumpidamente, se denomina punto de combustión a al temperatura a partir de la cual, el líquido arde durante cinco segundos al menos, sin interrupción. 7.3.3.- Puntos de congelación y descongelación. A bajas temperaturas los aislantes líquidos se vuelven más viscosos. El primer síntoma es la formación de una niebla en la masa del líquido, y la temperatura a la cual se produce se la llama punto de niebla. Al continuar descendiendo la temperatura llega un momento en que el líquido se solidifica, y a este punto se lo denomina punto de congelación. El punto de descongelación es la temperatura a la cual el líquido pasa de sólido a líquido. Relacionada con estos valores se encuentra el punto de fluidez, es decir la temperatura a la cual, la viscosidad del líquido solidificado, se hace sensible a un calentamiento progresivo. 7.3.4.- Oxidación y polimerización. Debido a la presencia de oxígeno y a temperaturas elevadas, los aislantes líquidos tienden a oxidarse, formando depósitos de consistencia bituminosa. La reacción se acentúa en las zonas de contacto con los devanados de un transformador, cubriéndose los mismos con una capa bituminosa mal conductora del calor. Como consecuencia de ello los aislantes pueden quedar fuera de uso. La oxidación se traduce en un aumento de la viscosidad, de la temperatura de inflamación de los vapores y del contenido de ácidos. La polimerización se presenta en líquidos cuya composición química no es estable, y debido a ella, el líquido se vuelve más viscoso y disminuye su poder refrigerante. La oxidación y la polimerización producen en el líquido la formación de alquitrán y de asfalto, por lo que los materiales no resultan aptos para aplicaciones dieléctricas, ya que quedan disminuidas su rigidez dieléctrica y su poder refrigerante. Los efectos de oxidación y polimerización provocan el envejecimiento de los materiales aislantes líquidos, que van perdiendo paulatinamente sus cualidades, físicas, químicas y eléctricas.

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HOJA Nº 82

7.3.5.- Contenido de ácidos. Los depósitos sólidos que se forman en los líquidos producen diversos productos ácidos, ocasionando corrosión sobre los devanados y piezas metálicas, que pueden quedar destruidos por la perforación rápida de los aislantes, que a su vez, se descomponen o disgregan. La cantidad de ácidos en un líquido se mide por el grado de acidez, que es la cantidad de hidróxido potásico, expresada en miligramos, necesaria para neutralizar un centímetro cúbico del aislante líquido considerado. Como referencia un buen aceite aislante no debe contener un grado de acidez mayor a 0,5. 7.3.6.- Contenido de azufre. El azufre tiene una desfavorable influencia sobre las propiedades dieléctricas de los aislantes líquidos y, en lo posible, debe eliminarse antes de su utilización como material aislante. Las normas de cada país establecen los contenidos máximos de azufre que puede contener el líquido para fines eléctricos. 7.3.7.- Contenido de humedad. Un material aislante líquido, en contacto con aire húmedo, se carga de agua que queda en suspensión, en forma de finísimas gotitas. La elevación de la temperatura durante el funcionamiento, favorece este fenómeno, ya que al aumentar la temperatura se dilata el aislante y, si está en contacto con el aire, recoge parte de su humedad, aumentando la cantidad de agua, al aumentar el volumen descienden al fondo del depósito que contiene el líquido aislante, donde se van acumulando. También la acción del oxígeno sobre ciertas moléculas de hidrocarburos, provoca la liberación de átomos de hidrógeno, el cual se combina con el oxígeno del aire o el contenido en el seno del líquido, para formar agua que , como la anterior, se va acumulando en el fondo del depósito. Debido al efecto perjudicial del agua en el líquido, debe procederse periódicamente a la eliminación de la misma, sobre todo si los dieléctricos están en contacto con el medio ambiente, o sometidos a elevadas temperaturas de funcionamiento. 7.4.- Descripción de aislantes líquidos utilizados en electricidad. Los materiales líquidos que reúnen buenas cualidades dieléctricas y buena estabilidad química, son casi todos, aceites vegetales y minerales, convenientemente tratados, que reciben el nombre general de aceites aislantes. Además se emplean otros materiales sintéticos, como los hidrocarburos clorados y las siliconas líquidas. A continuación se describen estos materiales.

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7.4.1.- Aceites aislantes. Se empleo esta ampliamente difundido en: transformadores e interruptores, por inmersión de estos aparatos, en la impregnación de materiales fibrosos y otros materiales como, por ejemplo, en la fabricación de conductores eléctricos. Los aceites secantes (aceite de linasa ) se emplean en la fabricación de barnices aislantes y como recubrimiento de papeles y materiales textiles. Finalmente, se emplean también como dieléctricos de capacitores. Prácticamente todas las variedades de aceite tienen buenas propiedades dieléctricas. Una de las mayores ventajas de todos los aceites es su propiedad de autorregenerarse después de una perforación dieléctrica o de una descarga disruptiva. La mayor desventaja es que son inflamables y pueden provocarse reacciones químicas por arcos eléctricos o por descargas estáticas, con desprendimiento de gases combustibles, tales como el hidrógeno e hidrocarburos ligeros como el metano y otros, que se vuelven explosivos al mezclarse con aire. 7.4.2.- Clasificación de los aceites aislantes. 7.4.2.1.- Aceites vegetales. Se emplean sobre todo para la impregnación de papeles y tejidos aislantes y como secantes en la fabricación de barnices aislantes aunque, modernamente tienden a sustituirse por materiales plásticos, los más utilizados son: • Aceite de linasa: se obtiene a partir de las semillas de lino, que después de limpiadas en un tamiz y desprovistas de las vainas, se trituran en un molino. Por lo general el aceite se extrae por prensado y en caliente, algunas veces , con la ayuda de un disolvente, como el éter de petróleo. Se emplea como secante de los barnices aislantes. • Aceite de tung: denominado también aceite de China, se extrae de las semillas del árbol tung y otros. Estas semillas son parecidas a las nueces ordinarias, se secan se tuestan y finalmente se trituran, extrayéndose posteriormente el aceite a presión. El aceite fresco, es muy venenoso y de olor desagradable. Sus propiedades fundamentales son que seca muy rápidamente, tanto en tiempo seco como húmedo. 7.4.2.2.- Aceites minerales. En la mayoría de las aplicaciones se utilizan aceites minerales (interruptores, transformadores, capacitores), debido, a sus propiedades dieléctricas, su excelente estabilidad química y su baratura, en comparación con los aceites aislantes de origen vegetal.

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HOJA Nº 84

Se extraen de los petróleos brutos, y están constituidos por mezclas, en diversas proporciones de varios hidrocarburos, estos aceites se dividen en dos grandes grupos: • Hidrocarburos saturados: dentro de este grupo se encuentran los de cadena abierta (alifáticos), donde todos los enlaces de carbono están cubiertos, denominados también parafinas y los de cadena cerrada (cíclicos), que también son químicamente estables, pero que pueden dar más fácilmente productos de sustitución. • Hidrocarburos no saturados: en donde se encuentran los de cadena abierta (oleofínicos), éstos hidrocarburos pueden absorber hidrógeno, oxígeno y azufre, y también se tienen los de cadena cerrada (terpénicos), que son químicamente muy inestables y se polimerizan fácilmente, produciendo asfaltos. Los aceites minerales se dividen en tres clases de acuerdo a la composición de los hidrocarburos que los forman: • Parafínicos: son los que contienen mas de 65% de hidrocarburos parafínicos • Asfálticos: constituidos principalmente por hidrocarburos terpénicos y son los menos apropiados para aplicaciones aislantes. • Naftalénicos: contienen más de un 65% de hidrocarburos cíclicos: Están casi totalmente exentos de parafina, son químicamente muy estables y prácticamente incongelables. Los aceites minerales se obtienen por destilación de los hidrocarburos, dentro de un determinado rango de temperaturas de modo que los productos destilados constituyen nuevas agrupaciones de hidrocarburos. El aceite mineral aislante debe estar exento de alquitrán y de azufre por lo que el obtenido por destilación, debe someterse a la operación de refinado, para la eliminación de dichas sustancias. Después del refinado debe eliminarse el agua que contiene el aceite mineral mediante diversos procedimientos. 7.4.3.- Propiedades de los aceite minerales. 7.4.3.1.- Peso específico: No debe ser inferior a 0,85 gr/cm3, ni superior a 0,95 gr/cm3, a 20 º C. Este valor constituye una característica de cada clase de aceite, por lo que es una forma de calificarlo. 7.4.3.2.- Proporción de cenizas.

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HOJA Nº 85

En los aceites minerales existen pequeñas cantidades de metales, que alteran desfavorablemente sus propiedades dieléctricas. Al calcinar un aceite, quedan los metales en forma de óxidos ó de sales, mientras que el aceite se volatiliza y se queman sus partes orgánicas. Según prescripciones el porcentaje de cenizas no debe ser superior a 0,01 % 7.4.3.3.- Viscosidad. Para la circulación del aceite y, porlo tanto, para au poder refrigerante, tiene mucha importancia su rozamiento interno, es decir, su viscosidad. Según normas, la viscosidad medida en el viscosímetro no debe ser superior a 2,5 grados Engler, para una temperatura de 500º C. 7.4.3.4.- Temperaturas de funcionamiento. Los siguientes datos corresponden a las temperaturas mínimas de funcionamiento de los aceites para los distintos dispositivos:

Punto de inflamación Punto de combustión Punto de congelación

Transformadores 130-135 º C 149º C -15º C

Capacitores 149º C 170º C -15º C

Interruptores 180º C 210º C -5º C

7.4.3.5.- Contenido de ácidos. El contenido de ácidos ha de ser tal que el grado de acidez de un aceite mineral, no debe ser superior a 0,5 miligramos de hidróxido potásico, necesarios para neutralizar un centímetro cúbico de aceite. 7.4.3.6.- Contenido de azufre y álcalis. Los aceites minerales deben estar exentos de álcalis y azufre. 7.4.3.7.- Contenido de humedad. La cantidad de humedad influye notablemente en el valor de la rigidez dieléctrica del aceite. El aceite mineral para aplicaciones aislantes ha de estar prácticamente exento de humedad. Si por causa del agua contenida en el aceite, se produce un descenso de su rigidez dieléctrica, debe procederse a la eliminación de la humedad sobrante. Actualmente para deshidratar el aceite durante su funcionamiento, y a medida que se va formando agua en su seno, se emplea la centrifugación, mediante este proceso el agua y demás impurezas que tienen mayor peso específico precipitan hacia la periferia del recipiente del aceite, separándose de éste.

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HOJA Nº 86

Para conseguir una eliminación más perfecta del agua contenida en el aceite, debe hacerse pasar éste sobre sustancias higroscópicas, tales como el cloruro de calcio, filtrando después con arena calcinada. También se obtiene una buena purificación, haciendo pasar el aceite a presión, a través de papel filtrante espeso, o de otras sustancias adecuadas. 7.4.4.- Ensayos de los aceites 7.4.4.1.- Generalidades Podemos hacer la siguiente clasificación: • De recepción. • De mantenimiento. 7.4.4.2.- Ensayo de recepción Prueba de los aceites no usados. Generalmente para estos ensayos deberá recurrirse a las normas locales. La norma IRAM Nº 2026 da los métodos de análisis y valoración de los aceites. Los valores serán en general los siguientes:
Peso específico:. menor que 0,92 a 20º C y para aplicaciones a la intemperie menor a 0,895 (previendo la posibilidad de una eventual congelación)
Viscosidad: menor qué 8° E a 20°C.
Punto de inflamación: 145° C a crisol abierto.
Punto de congelación: menor que –15º C. Para disyuntores a la intemperie y sin calefacción, menor que -40º C. Se exigen, además, los siguientes requisitos: completa transparencia, ausencia de ácidos inorgánicos, y un contenido de aceite orgánico de índice menor que 0,05; cenizas menor que 0,001%; ausencia de impurezas mecánicas; índice de formación de alquitrán, sin cocer, menor o igual a 0,l %. Después de 70 hrs. de calentamiento a 120°C con inyección de Oxígeno, el aceite nuevo debe ser transparente al enfriarse y no contener lodos insolubles en bencina. Además, calentándolo en una solución alcohólico – acuosa de soda cáustica; no debe producirse residuo asfáltico alguno. La rigidez dieléctrica del aceite seco ha de ser , como mínimo de 36 Kv 3mm .

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HOJA Nº 87

Cuando al calentar el aceite en un tubo de ensayo a unos l50 °C, se perciben crepitaciones debidas a la humedad contenida, será inútil proceder al ensayo eléctrico, el aceite ha de ser previamente secado. La rigidez dieléctrica debe ser determinada empleando una cantidad de aceite no menor de 250 cm3. En les ensayos de disrupción con distancia fija se ha establecido ésta en 3 mm. entre electrodos. Los electrodos serán casquetes esféricos de cobre, de 25 mm de radio, 13 mm de espesor máximo, y 36 mm de diámetro. La potencia mínima de los transformadores de ensayo, 250 VA. Antes de aplicar la tensión de prueba, el aceite debe permanecer reposado en el recipiente durante 10 minutos. La regulación del voltaje o el ajuste de la distancia entre electrodos hasta producirse la ruptura, ha de efectuarse en unos 20 segundos aproximadamente. Debe realizarle un promedio de 6 ensayos disruptivos, tomándose sin embargo, para el resultado, el valor medio de los 5 últimos. Después de cada descarga el aceite ha de removerse con una varilla de cristal para renovar el contenido entre electrodos. El cálculo de la rigidez dieléctrica, partiendo de la tensión disruptiva. se logra mediante una curva o tabla apropiada. Es aconsejable efectuar .siempre las pruebas con la distancia constante de 3mm., las distintas calidades de aceite muestran diferencias notables en los valores de ruptura para ésa separación, en tanto que a mayores distancias ésa diferencia es menos acentuada. Las normas suizas SLV 0124 especifican, para los aceites nuevos, un ensayo de envejecimiento a 110°C, durante 3 días, después de lo cual no debe apreciarse la presencia de lodos. Al cabo de 7 días, la cantidad de los mismos puede ser cono máximo de 0,1 %. El índice de acidez a los 3 días valdrá 0,3 % como máximo, y 0,4 % al cabo de 7 días. La determinación de las pérdidas tampoco constituye un elemento de juicio cuando se trata de aceites nuevos, ya que las condiciones de servicio las pueden elevar considerablemente. Un buen aceite de transformador puede permanecer en servicio, de acuerdo a la experiencia adquirida, durante unos diez años, cuanto menos, trabajando el transformador a plena carga. 7.4.4.3.- Prueba de los aceites usados El envejecimiento de los aceites de transformador es la consecuencia de una serie de complicados procesos químicos, actuando como aceleradores el oxígeno del aire y las sales metálicas. Como resultado de estas reacciones aparecen fenómenos que, o bien son directamente perjudiciales para la marcha del transformador en servicio, o bien no ocasionan trastornos en el funcionamiento pero pueden servir como índices del proceso mismo de envejecimiento. Estos fenómenos son los siguientes:

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HOJA Nº 88

7.4.4.3.1.- Fenómenos directamente perjudiciales: • formación de lodo. La cantidad de ellos no es observable sino sólo mediante una completa inspección de los aparatos afectados. • Ataque a la celulosa: Es el ataque al aislante de papel a algodón. También en este caso es necesario acudir al examen y control de bobinados. 7.4.4.3.2.- Fenómenos que pueden servir como índices del envejecimiento: • Oscurecimiento v enturbiamiento del aceite: Pueden producir factores sin trascendencia y su estimación conduce a menudo a conclusiones fa1sas • Aumento del índice de acidez (coeficiente de neutralización). El índice de acidez aumenta durante el envejecimiento y su determinación, que es posible y segura con poco gasto, ofrece un medio apropiado de realizar un control periódico, anualmente, por ejemplo del estado de uso del aceite. El ataque directo de la celulosa por los ácidos generados debe presentarse realmente cuando el índice de acidez sube hasta un valor anormal, pero el ritmo de crecimiento rápido de este índice asociado a una débil formación de lodos es señal de que el aceite tiende a generar peróxidos, los cuales a su vez destruyen la celulosa por su acción oxidante. Comúnmente el aumento del índice de acidez va acompañado de la presencia de lodos aunque no existe relación válida general entre ambos fenómenos. Como regla, puede decirse que un aceite con índice inferior a 0,5 no es todavía peligroso, especialmente si antes de su empleo cumplía satisfactoriamente con todas las normas establecidas para los aceites aislantes. Pasando de aquel límite, hay que dedicar una creciente atención al estado del aceite. • Perdidas dieléctricas: También aumentan con el envejecimiento siguiendo la línea general del índice de acidez, pero tampoco ahora cabe establecer una correlación absoluta entre ambas características. La determinación de las pérdidas requiere un equipo de pruebas complicado y puede inducir a causas de errores relativamente grandes. Técnicamente, el papel qué desempeña esta medida en los transformadores normales es de segundo orden y el aumento de las pérdidas dieléctricas sólo puede tomarse como signo de envejecimiento, con efecto directamente perjudicial tan sólo en los transformadores de muy alta tensión.

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HOJA Nº 89

• Tensión superficial: Durante las primeras fases del envejecimiento la tensión superficial límite aceite – agua desciende muy de prisa para quedar luego en un valor reducido constante El descenso en cuestión precede al aumento del índice de acidez y sólo tiene importancia, como síntoma en casos especiales cuando no puede seguirse el envejecimiento a través del índice mencionado, lo que sucede raras veces. 7.4.4.3.3.-Características que varían sólo ligeramente durante el envejecimiento normal. Son, el peso específico, la viscosidad, el punto de inflamación, el punto de solidificación y la rigidez dieléctrica. Ninguna de estas características es adecuada para decidir sobre el estado de envejecimiento de un aceite. El envejecimiento artificial de un aceite usado sólo puede ser útil en casos muy especiales, ya que no se dispone para juzgar los resultados, de valor alguno de referencia, éstos existen únicamente partiendo de aceites nuevos. Respecto a la toma de muestra hay que observar que deben sacarse siempre directamente del aceite del transformador mismo, en caliente, a la temperatura de servicio, indicado si proceden de las parte superior, de la inferior o de aceite circulante o filtrado. La cantidad de la muestra se hallará comprendida entre 500 y l00 cm3. Para decidir, en último extremo, si hay que cambiar el aceite de un transformador, es preciso tener en cuenta además de los resultados analíticos entre los cuales el índice de acidez constituye la principal característica, los siguientes datos técnicos de servicio que resultan de la inspección: depósito de lodos sobre los devanados, precipitación de los mismos conjuntamente con la de agua, acumulación de restos oxidados en el fondo, resistencia mecánica de los aislantes, calidad y régimen de envejecimiento del aceite nuevo. Tiene particular importancia el que el aceite original cumpliera o no las condiciones de ensayo fijadas por las Normas o si se trata de una calidad inferior, como las que estuvieron en uso por ejemplo durante la guerra, tiempo que lleva el en servicio, temperatura y período de funcionamiento del transformador, carga previsible para el futuro, valor e importancia del servicio alimentando por el transformador, coste de nuevo aceite y del trabajo de sustitución, posibilidades de aplicación del aceite viejo, en disyuntores, por ejemplo, o para reemplazar las perdidas de otros aceites usados. Hay que considerar siempre si es conveniente cambiar el aceite de reparaciones o revisiones de otro orden. La discusión que antecede pone de relieve que el decidir sobre el cambio de una aceite usado se halla estrechamente ligado con condiciones técnicas locales del servicio, a tener siempre muy en cuenta, y que carece, por lo tanto, de sentido y es imposible pretender sentar normas generales sobre la oportunidad de tal cambio.

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HOJA Nº 90

Las Normas se limitan a recomendar que se siga como criterio sobre el envejecimiento de los aceites, la evolución de los índices analíticos, en particular el índice de acidez. Si éste sobrepasa el valor 0,5, deberá procederse a una investigación más a fondo, teniendo siempre presente las circunstancias técnicas locales y el parecer experto, antes de decidir si es aconsejable llegar a la substitución del aceite y, en caso afirmativo, elegir el momento más racional de llevarlo a cabo. Es interesante que no existe unidad de criterio sobre las pruebas que permitan juzgar el estado de un aceite en servicio. 7.4.5.- Purificación de los aceites Habiendo sometido al aceite a los ensayos anteriores descriptos y detectados porcentaje de impurezas y contaminación superiores a los índices aceptables, será necesario someterlo a una purificación. Esta precaución es a veces necesaria incluso tratándose de aceites cuidadosamente purificados por el suministrador debido a la posibilidad de que hayan absorbido agua por condensación durante el transporte o almacenaje. Los procesos a seguir consistirán en los siguientes pasos: • Filtrado: Retienen el 99,9 % de las partículas sólidas en suspensión (carbón, fibras, etc.) de más de 1 micrón en una simple pasada. • Deshidratado: Eliminan el agua en suspensión y reducen el agua disuelta. El total de agua disuelta puede bajar a menos de 5 partes por millón. • Desgasificado: Simultáneamente con el deshidratado se produce la evacuación del nitrógeno, oxígeno y otros gases disueltos. En una sola pasada el total de éstos puede bajar a menos de 0,25 % en volumen. 7.4.6.- Hidrocarburos aromáticos clorados Inicialmente, el aceite mineral era el único dieléctrico líquido empleado en los transformadoras., con notables propiedades como las mencionadas, sin embargo presenta una tendencia a oxidarse, es combustible y el arco eléctrico lo descompone. En los EEUU, se llegaron a cabo estudios para el desarrollo de un nuevo dieléctrico líquido sintético que resultase permanente, inoxidable e incombustible. Los fluidos aislantes aromáticos clorados que satisfacen estas condiciones especiales, son los derivados clorados del difenilo, como lo es el denominado PCB. La sigla PCB deriva del término inglés “ PolyChlorinatedBiphenyls” que significa Bifenilos Policlorados ( ó Difenilos Policlorados, con la sigla DPC). Se usa la sigla en inglés en casi todos los idiomas, no solo para los difenilos sino también para los compuestos halogenados aromáticos relacionados con ellos, como por ejemplo los Terfenilos Policlorados, Difenilos Policlorados, etc..

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HOJA Nº 91

La estructura química de estos compuestos está constituida por dos anillos bencénicos ( de allí el nombre de difenilos ) a los cuales se le incorporan entre 1 y 10 átomos de cloro. Las combinaciones de la posición y de la cantidad de éstos átomos, permite que haya 209 congéneres diferentes. Los clorodifenilos, puros o mezclados con otras sustancias se conocen con los nombres comerciales de Ascarel, Pyranol, Aroclor, Clorophen, etc.. Esencialmente, su gran estabilidad térmica, sus excelentes cualidades dieléctricas y su conductividad térmica y su alto punto de ignición, favorecieron su empleo en transformadores, capacitores, reactancias, interruptores y arrancadores de electrodomésticos. 7.4.6.1.- Propiedades. •

•

•

•

•

Viscosidad: Para mucha de las aplicaciones la viscosidad y el punto de goteo de los difenilos clorados puros resultan ser demasiado altos, sobre todo si han de servir como medio refrigerante, por ejemplo en los transformadores. Ambos valores se reducen mediante la incorporación de aditivos cono el tricloro-benzol. Constante dieléctrica: Mientras que la constante, dieléctrica de los papales impregnados de aceite mineral alcanzan un valor de entre 3,5 y 4,3, según sea el factor de espacio correspondiente a las fibras, el uso del pentaclorodifenilo eleva dichos valores hasta 5 ó 6, lo que supone un aumento en la capacidad, cuando se lo utiliza en capacitores, del orden del 40%. Cifra de pérdidas (Tgδ): Al igual que la constante dieléctrica, dependen fuertemente de la temperatura. Debe evitarse el uso de pyranoles en aquellos condensadores que han de mantener su capacidad entre amplios límites de temperatura como son los de filtrado de armónicos. En los transformadores se usa una mezcla a partes aproximadamente iguales de pentaclorodifenilo y triclorobenzol que a temperatura ambiente vienen a tener una constante dieléctrica de 5. Con respecto a los transformadores de aceite mineral las solicitaciones dieléctricas recaen en mayor proporción sobre los aislantes sólidos, salvo a temperaturas por bajo de unos 10º C. Rigidez dieléctrica: Es en general superior a la del aceite mineral, pudiendo aumentarse las solicitaciones alrededor de un 10 % sobre las normales en este caso. Propiedades químicas: La formación de lodos hasta 120º C de temperatura permanente es mucho menor que la del aceite mineral. El cloro está fuertemente combinado, de modo que a las temperaturas normales de trabajo no ataca a los metales. La descomposición por efectos

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HOJA Nº 92

del arco eléctrico en el seno de la masa líquida libera casi exclusivamente ácido clorhídrico volátil, pero no hidrógeno ni cloro libres, de los cuales el primero es más peligroso en caso de inflamarse. • Peso específico: Es mayor que el del agua en los Pyranoles, de modo que este flota y no perjudica las cualidades de la masa líquida aislante. 7.4.6.2.- Características generales de diseño con líquidos clorados. Los clorodifenilos son disolventes para ciertos materiales empleados normalmente en la fabricación de los transformadores, con lo cual queda desancosejado su uso en estos casos. Se ha comprobado que los dieléctricos clorados pueden conservar sus propiedades aislantes después de una descarga disruptiva, en el seno del líquido no siendo necesaria pues su regeneración en la mayaría de los casos. Tales dieléctricos experimentan en servicio un aumento de viscosidad nada despreciable, con lo cual es importante controlar su fluidez y, en caso de ser necesario, mejorarla con el agregado de aditivos o de líquido nuevo de las mismas características que el presente. Debido al mayor coeficiente de dilatación térmica de los pyranoles, los depósitos de expansión deberán ser de mayores dimensiones, que cuando se trata de aceite mineral. 7.4.6.3.- Efectos de la polución medioambiental producida por el PCB Durante los últimos 40 años de uso, el PCB se ha dispersado ampliamente a lo largo del ambiente. PCB es un producto artificial que no se encuentra en la naturaleza. En los últimos años, la evidencia ha mostrado los PCB’s tienen un efecto adverso sobre el ambiente y efectos toxicológicos importantes. Los PCB’s, como el arsénico y mercurio, están sujetos a “bioacumulación” que es el proceso por el que estos elementos se concentran y se acumulan en organismos vivientes en niveles que son dañinos a ellos. Debido a sus efectos fisiológicos adversos en los organismos vivientes y a su tendencia hacia la bioacumulación, los PCB’s se han declarado un “residuo peligroso”. Normas internacionales prescriben la disposición, almacenamiento, requisitos de manipuleo para PCB’s. Estas reglamentaciones se aplican a todas las personas que fabriquen, procesen, distribuyan, usen, o dispongan de PCB’s. Se definen a continuación tres clases de transformadores que contienen PCB’s como dieléctrico: •

Los transformadores de PCB’s. - Transformadores que contienen fluido diléctrico con más de 500 mg/l (ppm) de PCB. Estos transformadores no pueden repararse o pueden reacondicionarse y el fluido dieléctrico debe disponerse en un incinerador que obedezca a las reglamentaciones vigentes. El propio transformador puede incinerarse con el fluido o puede disponerse en un lugar de desechos químicos.

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HOJA Nº 93

•

Los transformadores de PCB’s contaminados: Los transformadores que contienen fluido dieléctrico con un contenido entre 50 y 500 mg/l (ppm) de PCB’s. Estos transformadores pueden reacondicionarse y deben tener una etiqueta en donde se indique la posible contaminación del producto. Puede incinerarse el fluido dieléctrico en un incinerador para tal fin o llevarse a un basural de residuos químicos.

•

Transformadores de NO-PCB’s: Los transformadores que contienen menos de 50 mg/l de PCB’s. pueden considerarse que no son transformadores de PCB’s.

8.- Bibliografía 1.- Materiales Electrotécnicos. Enciclopedia CEAC de la Electricidad. José Ramirez Vázquez. 2.- Materiales Electrotécnicos Modernos. 3.- Alta Tensión y sistemas de Transmisión. Luis A. Siegert. 4.- Tecnología Electrónica. Ing. Aquiles Gay. 5.- Normas IRAM. 6.- Apuntes de Curso Ing. Carlos Pistonesi. 7.- Catálogos de Fabricantes 8.- Páginas de Internet relacionadas.

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TRABAJO PRACTICO

DESCRIPCIÓN DE AISLANTES SÓLIDOS

HOJA Nº 94

1.- Objetivos. Que el Alumno: Realice una descripción de los materiales aislantes sólidos ( sin incluir a los plásticos ) utilizando las notas de curso. 2.- Desarrollo: Contestar el siguiente cuestionario preparado por la Cátedra utilizando las notas de curso como material de consulta. 3.- Cuestionario: 1.- Cómo esta compuesta la celulosa y qué materiales comprende ?. 2.- Qué temperatura soportan y a qué clase térmica pertenecen?. 3.- Por qué hay que realizarles algún tratamiento a la madera?. 4.- Sintetice que se logra con los distintos tratamientos realizados a las maderas. 5.- Dónde tiene su mayor aplicación el Permalí?. 6.- Cuál es la diferencia entre la fibra normal y la vulcanizada. Cuáles son sus aplicaciones?. 7.- Cuál es la principal desventaja del papel, y cómo se soluciona?. 8.- Describa sintéticamente los tipos de papeles utilizados en electricidad. 9.- Cómo se mejoran las propiedades aislantes de las telas, a qué clase térmica pertenecen?. 10.- De qué forma se utilizan generalmente las telas aislantes?. 11.- Cómo se logra la utilización de la mica en grandes espesores?. 12.- Cómo influye el material aglomerante en las micas?. 13.- Describa sintéticamente los tipos de micas utilizados en electricidad. 14.- Cuáles son las principales características de las porcelanas?. 15.- Composición de la porcelana eléctrica. Cómo se logran mejores propiedades eléctricas?. 16.- Propiedades eléctricas de las porcelanas. 17.- Dónde se utilizan las lozas eléctricas?. 18.- Cuáles son las propiedades salientes de la esteatita?. 19.- Nombre y describa los usos de las cerámicas especiales. 20.- Cuáles son las principales propiedades de los vidrios?. 21.- Describa las principales aplicaciones de los vidrios en electricidad. 22.- Principales características de los cuarzos. 23.- Principales propiedades y aplicaciones de la fibra de vidrio. 24.- realice una clasificación de los barnices. Especifique sus usos. 25.- describa los tipos de barnizados.

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TRABAJO PRACTICO

PREPARACIÓN DE RESINA AISLANTE

HOJA Nº 95

1.- Objetivos. Que el Alumno: Pueda realizar la preparación de una resina, para su aplicación como material aislante de componentes o aparatos eléctricos. Desarrolle todo el procedimiento para su obtención a partir de los componentes que se adquieren en el comercio. Participe de un caso real de aislamiento de componentes eléctricos utilizando un material plástico similar a los estudiados en teoría. Desarrollo: Componentes necesarios para la preparación: 1.- Resina en estado líquido. 2.- Acelerador (líquido de color violeta). 3.- Catalizador ( líquido transparente ). 4.- Carga ( polvo blanco) 5.- Colorante ( líquido negro). Preparación de la resina: 1.- Agregar a la resina el acelerador. La proporción es de 1%, es decir 10cm3 por cada Kg de resina. Se puede tener la resina acelerada sin que endurezca. 2.- Agregar a la resina el catalizador. La proporción es de 3%, o sea 30 cm3 por cada Kg de resina. Hay que tener en cuenta que este líquido produce el fraguado de la resina, tardando aproximadamente media hora.

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TRABAJO PRACTICO

MEDICIÓN DE RIGIDEZ DIELÉCTRICA

HOJA Nº 96

1.- Objetivos. Que el alumno: Realice mediciones de rigidez dieléctrica de un aceite aislante de transformador, utilizando el medidor de rigidez dieléctrica. 2.- Procedimiento 2.1.- Primera medición: Para la medición de rigidez dieléctrica de un aceite se procederá de acuerdo a los siguientes pasos: * Ajustar la separación entre electrodos del medidor de rigidez dieléctrica modelo A70S, utilizando la galga. Los electrodos están roscados y pueden cambiarse. Ver figura. * Conectar el conductor verde/amarillo a una tierra efectiva. * Alimentar con 220 V - 50 Hz. * Llenar el vaso con aceite; el nivel del mismo debe sobrepasar aproximadamente 8 mm los electrodos. * Colocar el vaso con el aceite sobre la base aislante dentro del aparato. * Apoyar el portaelectrodo sobre los terminales de alta tensión. * Seleccionar la velocidad de avance. * Si se utiliza el agitador, ubicarlo sobre el soporte y conectar la plaqueta. * Accionar el interruptor principal (verde). * Si el kilovoltímetro indica tensión, girar la perilla selectora a la posición BAJA y esperar hasta que se detenga el servomotor. * Girar la perilla selectora a la posición SUBE. * Oprimir el pulsador ALTA (rojo).

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RABAJO PRACTICO

MEDICIÓN DE RIGIDEZ DIELÉCTRICA

HOJA Nº 97

* Cuando se produce un arco estable, el circuito se interrumpe automáticamente. * Una vez leída la tensión de ruptura, girar la llave selectora a la posición BAJA. 2.2.- Mediciones: Deberan realizarse 15 mediciones para la misma muestra, eliminando las burbujas de aire ( utilizar agitador ) después de cada medición. 2.3.- Valores obtenidos: Con los valores obtenidos de tensión de perforación deberán calcularse los valores de rigidez dieléctrica, para lo cual deberá tenerse en cuenta la separación y forma de los electrodos, utilizando la siguiente tabla: KV/cm = C * KV Donde: KV/cm = rigidez dieléctrica KV = tensión de perforación C = constante que depende de la forma y separación de los electrodos

Valores de C en función de la distancia entre electrodos [ e ] e [mm]

C

1

10,1

2

5,2

3

3,5

4

-

2.4.- Tabla de valores obtenidos

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RABAJO PRACTICO

MEDICIÓN DE RIGIDEZ DIELÉCTRICA

Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

KV U de perforación

KV/cm R. dieléctrica

HOJA Nº 98