Campo Eléctrico y Materiales Aislantes

Transcripción

1 Campo Eléctrico y Materiales Aislantes

2 Clasificación de campos eléctricos Tipos de materiales Tipos de descarga eléctrica Tipos de solicitación Cálculos experimentales

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5 Clasificación de campos eléctricos. Campo uniforme: aquel campo que se mantiene constante en módulo y dirección. Campo in-homogéneo: existe cierta uniformidad del CE, pero no es constante en el espacio interelectródico, capacitor cilindrico, capacitor esférico, espinterómetro de barras, etc. producen descargas corona antes de la descarga total. Campo fuertemente in-homogéneo: se dan en puntas agudas, tensión de iniciación del corona es mucho menor al de la descarga total.

6 Aislamientos según el material: Gases: No tienen estructura cristalina. Autoregenerativos ante descargas. Rigidez dieléctrica controlable por al presión y temperatura. Mezclables. Permitividad unitaria. Bajo factor de pérdidas < 10-5

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

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

9 Tipos de descargas eléctricas Descargas parciales: Descarga transversal: La descarga no une los electrodos (que mantienen la diferencia de potencial), sino que la descarga se mantiene en las cercanías de uno o de ambos electrodos. La corriente en estos casos es controlable. La descarga disruptiva une completamente los electrodos que mantienen una diferencia de potencial, la corriente se hace incontrolable.

10 Mecanismo de descarga DC Una vez que se origina un electrón dentro de un CE aplicado comienza un proceso de avalancha de electrones que van ionizando a los átomos neutros. La avalancha forma un camino conductor entre los electrodos que produce le descarga disruptiva entre electrodos.

11 Descargas en aire (AC) El proceso de descarga se produce en intervalos de tiempo de 10-6 a 10-8 s, esto es una fracción muy pequeña del ciclo de 50 Hz, por lo tanto los mecanismos son similares a los de DC. Descarga bajo tensión de impulso Los fenómenos relevantes : -Aparición de electrones inicializadores. -Crecimiento temporal de electrones ionizantes. Para frecuencias muy altas, los electrones y iones comienzan a oscilar entre los electrodos.

12 Descargas Corona Consecuencias: pérdidas de energía, deterioro del material, interferencias en los sistemas de comunicación (RIV). La descarga corona en campos homogéneos es seguida instantáneamente por la descarga completa. Para campos no uniformes el campo máximo será menor que 5 veces el promedio del campo en el gap, se entiende entonces que antes de la descarga transversal aparecerá la descarga parcial corona en los sitios de campo máximo. Cuanto más distorsionado este el campo eléctrico mayor será la diferencia de tensión de aparición del efecto corona y la tensión de ruptura transversal. La distorsión del campo eléctrico se observa cuando los electrodos tienen terminaciones abruptas en relación con la distancia inter-electródica.

13 Rigidez dieléctrica del aire Se comprueba experimentalmente que la rigidez dieléctrica del aire depende de: -la forma de los electrodo -la distancia entre ellos -la presión del aire -tipo de solicitación aplicada -otros parámetros que no se tratarán aquí

14 La rigidez dieléctrica del aire para campo uniforme. - Electrodos formados por dos placas planas paralelas. - Separadas 1cm - Solicitación de tensión DC - Presión del aire de 760mmHg - Temperatura 20 C - Humedad menor de 80% es de 32kV/cm La rigidez del aire disminuye rápidamente con la separación entre electrodos.

15 Campo Uniforme 100 Rigidez Aire kv/cm ,010 0,100 (a) cm 1,000 10,000 Fórmula aproximada: Ud= 2440 d + 61 (d) 1/2

16 Ley de Paschen: Esta ley se explica considerando la probabilidad de ionización de los electrones al recorrer el espacio entre electrodos: 2000 Riguidez aire 1600 volt pxd (kpa. m x 10-4)

17 Rigidez superficial Depende de la distancia entre electrodos No depende de la superficie de aislamiento, rugosidad del material Suciedad de la superficie Humedad ambiente, (llegando a una rigidez parecida a la del aire para una humedad relativa del 0% con la superficie limpia).

18 Pérdida de hidrofobicidad en polímeros

19 Rigidez Dieléctrica del aire y superficial. Rigidez [kv/cm] Distancia entre electrodos [cm] campo uniforme Esferas D=5cm Esferas D=25cm Esferas D=100cm Esferas D=200cm barras aislador porcelana aislador polimérico Fórmula

20 Descarga eléctrica en Líquidos Aceite de transformador. Pureza del líquido. Cantidad de agua y gases disueltos en el líquido. La rigidez dieléctrica del aceite es aproximadamente 5 veces la del aire, puede variar desde los 200 hasta más de 1000 kv/cm

21 Aislación sólida No regenerativos Las descargas parciales envejecen al material y pueden provocar a largo plazo la descarga transversal La temperatura Ruptura longitudinal en las fronteras dieléctricas Los parámetros dieléctricos fundamentales (permitividad, conductividad, factor de pérdidas) varías con la frecuencia de solicitación. (existe una frecuencia de relajación en donde las pérdidas son máximas).

22 Valores de Rigidez dieléctrica en sólidos y líquidos Material Rigidez kv/cm Porcelana 16 a 79 Parafina 80 a 120 Aceite de transformador 200 Bakelite 120 a 220 Goma 200 a 300 Polímeros 50 a 900 Papel 500 Teflón 600 Vidrio 800 a 1200 Papel aceite 1800 Mica 2000

23 Efecto Corona Sistema de 1000kV

24 1000kV impulso de maniobra

25 Impulso de maniobra, aislador cubierto con nieve

26 800kV contaminación artificial.

27 1000kV contaminación artificial Capa semiconductora.

28 Descargas en aisladores de alta tensión