descargas en materiales aislantes y dielÉctricos (parte 1 - descarga en gases)

DESCARGA EN GASES Luis E. Ardila, Diego M. Calderón, José F. Lozano

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PRACTICA 7: DESCARGAS EN MATERIALES AISLANTES Y DIELÉCTRICOS (PARTE 1 -

DESCARGA EN GASES)

Luis E. Ardila Diego M. Calderón José F. Lozano

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ACTIVIDADES PARA ANTES DE INICIAR LA PRACTICA

1. Defina los siguientes términos: nivel de aislamiento, disrupción, tensión de

disrupción y rigidez dieléctrica.

Nivel de Asilamiento: Es la correlación de esfuerzos dieléctricos en los asilamientos de

los distintos componentes de un sistema eléctrico de potencia e alta tensión con el

objetivo de minimizar los riesgos de pérdida del suministro de energía eléctrica, causado

por sobretensiones que pudieran causar daños en los equipos y en los diferentes

elementos de la red eléctrica.

Disrupción: Se define como la ruptura en el equilibrio de un sistema es decir cuando en

un aislante o material dieléctrico se presenta una conducción eléctrica debido al

aumento progresivo en el campo eléctrico presentando ionizaciones que producen una

descarga o arco eléctrico. .

Tensión de Disrupción: Es el Voltaje mínimo en el cual se produce una perforación o

ruptura en un material aislante o dieléctrico permitiendo el paso de corriente o

conducción en dicho material.

Rigidez Dieléctrica: Es el valor el valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el

cual un material pierde su propiedad aisladora y pasa a ser conductor por lo tanto

genera corrientes.

2. ¿Cuáles son los factores que influyen en el valor de la rigidez dieléctrica de un

material?

Los valores más determinantes en la rigidez dieléctrica son el tipo de material dieléctrico

que sea analizado, las impurezas que este presente, la presión atmosférica y humedad

el ambiente así como la Temperatura de donde se quiera evaluar la rigidez del material,

el tiempo y el tipo de señal que se le aplique al material.

3. ¿Cuál es el valor de la tensión disruptiva del aire a condiciones ambientales

ideales? ¿Cómo cambia ese valor en Bogotá? ¿Qué relación tiene la presión y la

humedad sobre ese valor?


2

La rigidez dieléctrica del aire a condiciones normales de temperatura, presión y un

campo homogéneo es de aproximadamente 30 kV/cm, al tener un ambiente como el de

Bogotá este valor puede cambiar considerablemente y reducirse a unos 22 kV/cm, La

presión aumenta la rigidez dieléctrica ya que esta impide la eliminación de los gases,

así como al temperatura disminuye al resistencia a la disrupción o a la perforación del

material.

4. Según las características del material bajo prueba, existen tres (3) formas

normalizadas (ASTM) de aplicar la tensión de ensayo: Ensayo de breve duración,

Ensayo de ritmo suave de elevación de la tensión y Ensayo “paso a paso” o

escalonado. Explique brevemente en qué consiste cada uno de estos métodos,

apóyese de imágenes si lo considera necesario.

Según el estándar americano ASTM-D149i donde se especifican los métodos

normalizados para determinar la tensión de disrupción de materiales dieléctricos a

frecuencias comerciales, este menciona en su apartado doce, los distintos

procedimientos que se deben seguir a la hora de realizar pruebas de este tipo, los tres

métodos se mencionan brevemente a continuación.

Ensayo de breve duración: Esta prueba normalizada consiste en aplicar tensión

uniforme a los electrodos de prueba desde cero hasta que ocurra la disrupción a

una tasa de incremento de la tensión constante como se observa en la Figura 1.

Se debe utilizar este tipo de prueba si no se especifica alguna otra. Se debe

seleccionar una tasa de crecimiento de tal forma que la disrupción ocurra entre

los 10 y 20 segundos de la prueba, por lo que generalmente es necesario hacer

una o dos pruebas preliminares con el fin de definir la razón de crecimiento de la

tensión más adecuada.

Figura 1. Perfil de voltaje para la prueba de breve duración.

Ensayo paso a paso o escalonado: Consiste en aplicar voltaje a los electrodos

de prueba empezando con una tensión inicial de aproximadamente el 50 % del

valor de tensión disruptiva estimada mediante una prueba de corta duración, y


3

continuando la prueba con incrementos escalonados de aproximadamente el 10

% del valor final como se muestra en la figura 2.

La duración de cada intervalo de tiempo debe ser de 60 +- 5 segundos de tal

forma que se garantice que la tensión de disrupción se encuentre entre el paso 4

o 5 de la prueba y entre 120 y 720 segundos de empezada.

Si la disrupción sucede cuando se está incrementando la tensión para el

siguiente paso, se dice que la tensión disruptiva fue ese último paso, mientras

que si la disrupción se produce cuando la tensión permanece los 60 segundos

en el paso actual la tensión de ruptura será el valor de dicho paso.

Figura 2. Perfil de voltaje para la prueba paso a paso.

Ensayo de ritmo suave de elevación de la tensión: Consiste en aplicar tensión de

acuerdo a la figura 3, en donde debemos seleccionar una tensión inicial de

aproximadamente el 50% de la tensión de ruptura estimada, luego de esto se

incrementa la tensión a una tasa tal que se produzca la disrupción luego de 120

segundos de prueba (tbd), si se produce disrupción antes de este tiempo se debe

reducir la tensión inicial o la tasa de crecimiento, si la disrupción se produce a

menos de 1.5 veces la tensión inicial se debe reducir la tensión inicial, finalmente

si la disrupción se produce a más del 2.5 veces la tensión inicial se debe

aumentar dicha tensión inicial.


4

Figura 3. Perfil de voltaje para la prueba de ritmo suave de elevación de la tensión.

5. ¿Según la teoría que se considera como campo eléctrico homogéneo y campo

eléctrico no homogéneo?

En un campo eléctrico homogéneo las líneas de fuerza discurren paralelas. La

separación entre todas ellas es siempre la misma.ii Esto quiere decir que las líneas de

campo eléctrico que salen perpendicularmente de la superficie del cuerpo cargado

positivamente y que posteriormente entran perpendicularmente a la superficie del

cuerpo cargado negativamente, todas ellas se encuentran uniformemente distribuidas a

lo largo de toda la superficie de ambos electrodos y no se presentan áreas en las cuales

tengamos concentración de campo eléctrico, sino que por el contrario este se distribuye

uniformemente a lo largo de toda la superficie, es decir es homogéneo, esto lo podemos

observar en la figura 4, en donde tenemos dos placas cargadas con potenciales

distintos y limadura de hierro mostrando las líneas de campo eléctrico, vemos que al

centro posee una distribución homogénea, mientras que en las esquinas ya se altera

dicha configuración.

Figura 4. Líneas de Campo Eléctrico entre dos placas cargadas.

Por el contrario y según la definición de campo eléctrico homogéneo, debemos decir

que una configuración de campo no homogéneo es toda aquella que la distribución de

las líneas de campo no sean uniformes ni se encuentre equidistantes unas de las otras,


5

por lo que debemos esperar concentraciones de campo eléctrico en algunas zonas mas

que en otras.

6. ¿Qué son los perfiles de Rogowski? ¿Cuál es su aplicación y/o utilidad en las

técnicas de alta tensión?

Los perfiles de Rogowski consisten en electrodos modificados para satisfacer la

condición de campo eléctrico homogéneo, típicamente consisten en configuraciones

placa-placa las cuales en los extremos poseen una ligera inclinación, la cual mitiga la

concentración de campo eléctrico en los extremos y deja una estela de campo eléctrico

homogéneo al interior de las placas.

Esta solución es válida cuando los electrodos se someten a tensiones inferiores a la

tensión de diseño, si se incrementa dicha tensión, se empiezan a presentar

concentraciones de campo a los extremos del perfil, las cuales no son deseadas.

Dichos electrodos se diseñan partiendo de las líneas equipotenciales del arreglo como

se muestra en la figura 5iii.

Figura 5. Líneas equipotenciales que definen el perfil de Rogowski.

Como se menciono previamente, su mayor utilidad consiste en lograr configuraciones

de campo homogéneo, las cuales también se pueden producir con electrodos placa-

placa o semiesféricos siempre y cuando la separación del gap no supere el radio de las

semiesferas.

7. ¿Qué es la distancia de fuga? ¿Qué relación tiene con la perforación dieléctrica

de un material y una descarga superficial o flash-over?

La distancia de fuga es aquella que se mide entre dos elementos conductores a través

de la superficie de un elemento aislanteiv, se trata del camino más corto, por lo tanto es

el más probable de que ocurra la disrupción, normalmente en líneas de media y alta

tensión, podría recorrer una descarga entre conductores, o entre conductor y tierra,

sobre el aislante interpuesto entre dichos conductores.


6

Dado que es probable que los aislantes bien se degraden con el tiempo, bien se

contaminen por suciedad de cualquier tipo, hay que introducir un margen de seguridad

en el cálculo de las distancias mínimas admisibles ("líneas de fuga") entre conductores

para prever tal posibilidad.

Cuando se producen descargas superficiales, o flash-over, esta puede dañar la

superficie del aislador, tanto así, que dichos daños pueden llegar a ser

significativamente importantes como para disminuir la tensión de la descarga superficial

hasta lograr dejar el aislador completamente inútil.v

Dichas descargas superficiales son altamente dependientes de la distancia de fuga, ya

que de esta depende que se produzcan a una tensión mayor, lo que las hace menos

probables, es por esto que los fabricantes diseñan sus aisladores de tal forma que estos

tengan grandes distancias de fugavi como se muestra en la figura 6.

Figura 6. Perfil Aislador alta distancia de fuga.

8. Explique qué es la ley de Pashen y su relación con la realización de pruebas de

rigidez dieléctrica y descarga en gases

Partiendo del criterio de Townsend para la descarga en gases el cual está dado

mediante la ecuación [1], la cual es válida para explicar el fenómeno de la descarga en

gases en configuraciones de presión baja, típicamente relaciones p x d (presión del gas

x distancia del gab) menores de 1000 torr-cmvii. A partir de ésta, podemos llegar a la

expresión que describe la ley de Paschen.

La ley de Paschen se encuentra definida mediante la ecuación [2], la cual plantea la

tensión disruptiva como una ecuación función de la presión y la distancia, además de

esto, como se aprecia a continuación en la relación de la ley vemos que ésta se

compone de dos constantes las cuales son resultado de múltiples experimentos para

distintos tipo de gases.

[1]


7

La anterior ecuación tiene una grafica de voltaje con respecto al factor Pd, presión por

distancia que se ilustra en la figura 7, en la cual podemos ver que dicha relación no es

lineal y que tiene un valor mínimo para cada tipo de gas.

Figura 7. Voltaje disruptivo vs presión por distancia, Ley de Paschen.

Sin embargo, esta ley es válida para un rango más extenso de producto Pd, sin

embargo para valores altos de pd el voltaje disruptivo puede ser un poco mayor que

para configuraciones con distancia de gap pequeña pero con producto Pd igual, esto se

debe a la transición desde el mecanismo de Townsend para la descarga hacia el

mecanismo de Streamer.

La ley de Paschen también la podemos escribir de la forma [3] donde tenemos

constantes propias de la descarga en el aire, y se escribe de esta forma con el fin de

tener en cuenta el efecto de la temperatura.

De acuerdo a las anteriores ecuaciones, podemos afirmar que la ley de Paschen tiene

relación directa con las pruebas de rigidez dieléctrica en gases como una medida de

corroboración de las mediciones, si tenemos conocimiento de las condiciones

atmosféricas a las cuales se está realizando la prueba, es posible llegar a un valor

[2]

[3]


8

teórico al cual se producirá la descarga teniendo en cuenta la separación de los

electrodos. Hay que resaltar que dicha ley es válida para descargas en campo

homogéneo, por lo que debería ser un estimador para la configuración placa-placa, al

graficar el comportamiento del campo eléctrico disruptivo en función de la distancia

interelectrodica tenemos el comportamiento mostrado en la figura 8, en donde vemos

que para distancias grandes del gab dicho valor se estabiliza alrededor de 24 kV/cm y

un valor de 30 kV/cm en condiciones nominales de 760 torr y 20 °C con 1 cm de

separación.

Figura 8. Campo eléctrico disruptivo vs distancia interelctrodica en condiciones nominales.

ACTIVIDADES Y DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

I. Explique el funcionamiento y configuración de cada uno de los métodos de

medición empleados, muestre el valor de sus componentes y la relación de

transformación de cada uno.

Para llevar a cabo esta práctica satisfactoriamente es necesario contar con sistemas de

medida los cuales nos permitan transformar las altas tensiones en voltajes reducidos los

cuales se puedan medir mediante equipo convencional, este trabajo lo realizan los

divisores de tensión, en este caso utilizaremos dos tipos de estos divisores.

En primera medida tenemos un divisor capacitivo puro, el cual consiste en una

capacitancia de alta de 100 pF, con un ramal de baja de 200 nF, este divisor nos servirá

para medir la tensión a la salida del transformador, y asi mediante la relación de

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.01 0.1 1 10 100

Ed [

kV]

Distancia [cm]

Ed

Ed


9

transformación tener un estimado si la tensión esta correcta entre el primario y

secundario del transformador.

Tenemos un segundo equipo de medida, el cual consiste en un divisor resistivo

compensado, el cual cuenta con una rama de alta de 52 pF conectados en paralelo con

243,6 MΩ y un ramal de baja, de un condensador de 50 nF conectado en paralelo con

una resistencia de 240 kΩ.

La configuración y valores de los dos equipos de medida a utilizar durante la práctica se

encuentran resumidos en la figura 9, la relación de transformación de cada uno de estos

divisores es de 1862 para el capacitivo puro y de 928 para el resistivo compensado.

Figura 9. Sistemas de medida, a) divisor capacitivo puro (1862) y b) divisor resistivo compensado (928).

II. Monte un circuito de generación de alta tensión DC y conecte el espinterómetro

mediante una resistencia (defina el valor). Configure la distancia del

espinterómetro (configuración de los electrodos esfera-esfera) en 5mm y aplique

tensión creciente desde cero y a una velocidad de 3 kV/segundo (controle esta

velocidad con ayuda del sistema de medición) hasta determinar el valor de la

tensión disruptiva del aire a esa distancia. Repita este procedimiento cuatro veces

descartando la primera medida.

Primero que todo, se debe realizar el montaje de generación DC en el laboratorio, al

cual se le debe adicionar un espinterómetro a la salida de, generador DC, con el fin de

cargar eléctricamente uno de los electrodos del espinterómetro, hasta llegar a un punto

en que se produzca la disrupción, el montaje que se implemento se observa en la figura

10.


10

Figura 10. Montaje implementado para medir tensión disruptiva en configuración Esfera-Esfera.

Al seguir el procedimiento para determinar la tensión disruptiva el cual consiste en

aumentar la tensión mediante el variac a razón que en el lado de alta del transformador

aumente a 3 kV/s, encontramos la tensión disruptiva del aire para la configuración de

electrodos y la separación entre ellos.

Dichas mediciones se realizaron 4 veces, dando como resultado los datos de la tabla 1.

Número de

V1 (1862) V2 (928)

Medición [V] [V]

1 6.72 13,32

2 7.39 12,85

3 7.42 12,82

4 7.4 12,77 Tabla 1. Mediciones configuración esfera-esfera separación 5 mm tensión DC.

Ya que debemos eliminar la primera medición debido a que esta se realiza como

medida preventiva en caso que el campo circundante de los electrodos posean cargas

no deseadas, y para uniformar las descargas consecuentes. Con las tres mediciones

restantes debemos calcular el promedio aritmético con fin de determinar la tensión

disruptiva para ésta configuración, procedemos a hacerlo obteniendo como resultado

una tensión disruptiva de 11,891 kV, lo que conlleva a un campo eléctrico de 2378,155

kV/m. estos valores fueron obtenidos a las siguientes condiciones atmosféricas:

Humedad = 64% y Temperatura = 22°C.

III. Repita la prueba del numeral II pero modifique la distancia de los electrodos a 10

mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm, 30 mm, y si es posible 35 mm. Construya una tabla

para consignar todos los valores obtenidos y grafique el comportamiento de la

tensión disruptiva (promedio aritmético obtenido de las tres medidas validadas)

en función de la separación de electrodos.


11

Una vez se ha realizado la medición para una separación de 5 mm en una configuración

esfera-esfera, procedemos a modificar la distancia interelectrodica para así lograr

separaciones mayores, en las cuales se registrara la tensión disruptiva de cada una de

las separaciones, los valores obtenidos de las mediciones se encuentran consignados

en la tabla x. y el montaje utilizado es el mismo de la figura 10.

Distancia V1

(1862) V2

(928) Voltaje Disruptivo [kV]

Interelectródica [V] [V]

10 mm

12.49 22,69

20,91 12.43 22,49

12.49 22,43

15 mm

17.68 31,66

29,23 17.60 31,42

17.66 31,42

20 mm

22.51 40,68

38,08 22.71 41,25

22.67 41,17

25 mm

27.98 51,29

47,65 27.92 51,29

28 51,46

30 mm

32,85 57,86

54,54 33,51 59,13

33,48 59,33 Tabla 2. Mediciones configuración esfera-esfera DC para diferentes distancias del Gap.

El comportamiento de la tensión disruptiva de acuerdo a la separación de los electrodos

se encuentra en la grafica 11, en donde podemos ver que la tensión aumenta

linealmente a medida que la separación entre los electrodos aumenta, en dicha grafica

también se añadió el dato de la tensión disruptiva para una separación de 5 mm.

Figura 11. Tensión disruptiva para la configuración esfera-esfera DC a distintas distancias del gap.


12

IV. Construya una tabla donde muestre los máximos valores de campo eléctrico

obtenidos de la relación de la tensión disruptiva a la distancia interelectródica de

la configuración esfera-esfera.

Una vez se ha calculado mediante un promedio la tensión disruptiva para cada

separación de los electrodos, procedemos a calcular el campo eléctrico en cada una de

las separaciones, dando como resultado la tabla 3. y la grafica 12.

Distancia Campo Eléctrico [kV/m]

Interelectródica

5 mm 2378,15

10 mm 2091,40

15 mm 1948,80

20 mm 1903,95

25 mm 1905,99

30 mm 1818,06

35 mm 1852,46

Tabla 3. Valor del campo eléctrico para cada separación del gap.

Figura 12. Campo eléctrico disruptivo para distintas distancias del gap en configuración esfera-esfera DC.

V. Modifique la configuración de los electrodos esfera-esfera por una configuración

punta-placa positiva y repita los procedimientos de los numerales II a IV.

Mediante el montaje de la generación DC con un filtro por condensador de 6000pF con

un espinterómetro en configuración punta-placa positiva para la generación de una

tensión disruptiva del aire con pruebas a diferentes distancias de separación entre los

electrodos de 5, 10, 15, 20, 25, 30 y 35 mm como se muestra en la siguiente figura se

midieron los voltajes de disrupción.


13

Figura 13. Montaje Punta-Placa Positiva generación DC.

Para cada una de las distancias entre la punta y la placa del espinterómetro se tomaron

cuatro valores de tensión de disrupción para unos determinados condiciones del medio

ambiente y a una velocidad constante en el aumento del voltaje de entrada y se utilizan

solo los 3 últimos valores y se consignaron en la siguiente tabla, donde tenemos más

mediciones tomadas con Humedad 64% y Temperatura 22°C.

Distancia V1 (1862) V2 (928) Voltaje Disruptivo [kV] Campo Eléctrico [kV/m]


5 mm

6,12 8,88

8,26 1.651,84 6,2 8,92

6,18 8,9

10 mm

8,03 12,19

11,19 1.119,48 7,92 11,95

7,97 12,05

15 mm

9,05 14,12

13,01 867,58 9,02 13,97

9,08 13,98

20 mm

10,02 15,89

14,72 736,21 9,98 15,79

10,01 15,92

25 mm

18,6 28,1

25,67 1.026,62 18,09 28,01

17,41 26,86

30 mm

17,21 27,33

25,22 840,77 16,5 27,34

17,01 26,87

35 mm

19,15 32,82

29,90 854,38 19,95 31,96

19,65 31,89

Tabla 4. Mediciones configuración Punta-Placa Positiva DC para diferentes distancias del Gap.

En la tabla 4 se puede observar la tensión disruptiva con este tipo de configuración así como el

campo eléctrico hasta donde el dieléctrico que en este caso es el aire tiene su límite de rigidez

dieléctrica que gráficamente se muestran a continuación.


14

Figura 14. Tensión disruptiva para la configuración punta-placa positiva DC a distintas distancias del gap.

Figura 15. Campo eléctrico disruptivo para distintas distancias del gap en configuración punta-placa positiva DC.

VI. Modifique la configuración de los electrodos esfera-esfera por una configuración

punta-placa negativa y repita los procedimientos de los numerales II a IV.

Mediante el montaje de la generación DC con un filtro por condensador de 6000pF con

un espinterómetro en configuración punta-placa negativa para la generación de una

tensión disruptiva del aire con pruebas a diferentes distancias de separación entre los

electrodos de 5, 10, 15, 20, 25, 30 y 35 mm como se muestra en la siguiente figura.


15

Figura 16. Montaje Punta-Placa Negativa generación DC.

Para cada una de las distancias entre la punta y la placa del espinterómetro se tomaron

cuatro valores de tensión de disrupción para unos determinados condiciones del medio

ambiente y a una velocidad constante en el aumento del voltaje de entrada y se utilizan

solo los 3 últimos valores y se consignaron en la siguiente tabla en donde tenemos una

Humedad 64% y Temperatura 22°C para la prueba.

Distancia V1

(1862) V2

(928) Voltaje

Disruptivo [kV] Campo

Eléctrico [kV/m] Interelectródica [V] [V]

5 mm

6,25 9,03

8,29 1.657,41 6,12 8,86

6,16 8,9

10 mm

11,24 12,81

12,04 1.204,23 11,79 13,12

11,56 13

15 mm

16,8 20,16

18,72 1.247,85 16,84 20,15

16,81 20,2

20 mm

21,14 26,77

24,89 1.244,45 20,94 26,76

21,29 26,93

25 mm

25,29 33,14

30,70 1.227,93 25,05 32,94

24,87 33,16

30 mm

28,15 37,66

34,99 1.166,19 28,2 37,69

28,15 37,75

35 mm

32,57 45,3

41,27 1.179,00 32,39 44,57

32,39 43,53

Tabla 5. Mediciones configuración Punta-Placa Negativa DC para diferentes distancias del Gap.

En la tabla 5 se puede observar la tensión disruptiva del aire con este tipo de

configuración así como el campo eléctrico hasta donde el dieléctrico que en este caso


16

es el aire tiene su límite de rigidez dieléctrica que gráficamente se muestran a

continuación.

Figura 17. Tensión disruptiva para la configuración punta-placa negativa DC a distintas distancias del gap.

Figura 18. Campo eléctrico disruptivo para distintas distancias del gap en configuración punta-placa

negativa DC.

VII. Modifique la configuración de los electrodos por una punta-punta y repita los

procedimientos de los numerales II a IV.

Una vez más, partiendo del circuito de generación DC montado en el laboratorio, y

continuando hacia el espinterómetro con sus dos electrodos terminados en punta,

circuito montado de la figura XX. Para así lograr una configuración de campo no

homogéneo punta-punta, realizamos las pruebas a distintas distancias de separación

entre los electrodos como se ha venido desarrollando a lo largo de este informe.


17

Figura 19. Montaje para medición de tensión disruptiva para diferentes distancias de gap y electrodos

punta-punta.

En cada una de las distancias interelectródicas se realizan una vez más cuatro

pruebas, las cuales consisten en aumentar la tensión a una velocidad constante de 3

kV/s hasta que se produzca la disrupción, cuando esto suceda, se toma el valor de la

tensión disruptiva para posterior análisis, se descarta la primera medición y se toman en

cuenta las 3 siguientes, las cuales se encuentran consignadas en la tabla 6.

Distancia V1 (1862) V2 (928) Voltaje Disruptivo[kV] Campo Eléctrico [kV/m]


5 mm

7,89 12,18 11,16 2.231,53 7,91 12,05

7,84 11,84

10 mm

10,66 17,22 15,72 1.572,34 10,52 16,59

10,53 17,02

15 mm

12,42 20,63 18,88 1.258,99 12,46 20,23

12,44 20,19

20 mm

12,81 22,67 21,07 1.053,74 13,81 22,75

13,76 22,71

25 mm

14,84 24,89 23,05 922,18 15,01 24,82

15,02 24,82

30 mm

15,82 26,39 24,47 815,61 15,88 26,41

15,8 26,3

35 mm

16,38 27,19 25,15 718,54 16,31 27,03

16,32 27,08

Tabla 6. Mediciones configuración Punta-Punta DC para diferentes distancias del Gap.

Los datos consignados en la tabla 5 fueron realizados bajo las siguientes condiciones

atmosféricas: Humedad 84% y Temperatura 19°C, en dicha tabla demás de las tres

mediciones validas para cada una de las distintas distancias del gap, tenemos dos

columnas adicionales las cuales consisten en primero, el promedio aritmético de las tres

mediciones para así obtener un valor de la tensión disruptiva para cada separación, y


18

finalmente el valor del campo eléctrico de cada una, estas últimas dos columnas se

encuentran gráficamente en las figuras 20 y 21 respectivamente.

Figura 20. Tensión disruptiva para la configuración punta-punta a distintas distancias del gap.

Figura 21. Campo eléctrico disruptivo para distintas distancias del gap en configuración punta-punta.

VIII. Repita todas las experiencias realizadas en los numerales II a VII, pero cambie el

tipo de señal aplicada por una fuente de tensión AC para las configuraciones

esfera-esfera, punta-placa y punta-punta.

Todos los valores consignados para la prueba en AC fueron realizados con las

siguientes condiciones atmosféricas Humedad 84% y Temperatura 19°C.

Esfera-esfera

Para lograr una tensión disruptiva en AC, lo único que debemos hacer es eliminar el

circuito rectificador, por lo que el diodo y el condensador de 6000 pF ya no va en el

montaje, quedando este como muestra la figura x.


19


esfera-esfera AC.

Con el anterior montaje, se procede de la misma forma que se han realizado las demás mediciones, esto es

incrementando la tensión a una razón constante de 3 kV/s, hasta asi llegar a la tensión disruptiva, en este

caso, como se observo con la primera medición de inspección, se producen impulsos mas rápido que

cuando estamos aplicando tensión DC, esto se debe a que la forma de onda de la tensión es sinusoidal, lo

que continuamente se encuentra cambiando la amplitud de la señal, lo que provoca que en la distancia

interelectrodica se tengan cambios bruscos de polaridad logrando asi una disrupción a menores tensiones,

y una vez esta se produce, se logran varios arcos, por lo que es necesario una vez se alcanza la tensión

disruptiva abrir de inmediato el circuito para evitar sobreesfuerzos en el transformador de suministro.

Los datos obtenidos para las distintas distancias interelectródicas se encuentran consignados en la tabla x.

Distancia V1 (1862) V2 (928) Voltaje Campo

Interelectródica [V] [V] Disruptivo [kV] Eléctrico [kV/m]

5 mm

4,996 9,07

8,31 1.662,36 4,989 8,87

4,984 8,93

10 mm

6,94 12,53

11,65 1.164,95 7,03 12,61

7,01 12,52

15 mm

8,1 14,69

13,54 902,63 8,15 14,3

8,22 14,78

20 mm

9,12 16,5

15,54 776,89 9,31 16,7

9,39 17,03

25 mm

9,12 16,75

15,45 617,80 9,15 16,31

9,33 16,87

30 mm

10,1 18,1

17,01 567,01 10,13 18,5

10,09 18,39

35 mm 10,89 19,46 18,22 520,56


20

10,91 19,69

10,9 19,75 Tabla 7. Mediciones configuración esfera-esfera AC para diferentes distancias del Gap.

Una vez mas, se realizan graficas de la tensión disruptiva para distintas separaciones

de los electrodos y de campo eléctrico, mostradas en las figuras siguientes.

Figura 23. Tensión disruptiva para la configuración esfera-esfera AC a distintas distancias del gap.

Figura 24. Campo eléctrico disruptivo para distintas distancias del gap en configuración esfera-esfera AC.

Punta-Placa

Para tener una tensión disruptiva con una configuración punta-placa al aplicar una señal

de voltaje AC se tiene el siguiente montaje y para la medición se utilizan dos divisores

de tensión, el primero capacitivo puro en el lado de alta tensión con una relación entre el

voltaje de entrada y la medición de 1862, y el segundo un resistivo compensado con

una relación de 928 para medir el voltaje disruptivo.


21


punta-placa AC.

Todos los datos de la prueba en el laboratorio son consignados en la tabla 8 para una

tensión AC determinada de entrada y bajos unas condiciones atmosféricas de Humedad

del 84% y Temperatura 19ºC.

Distancia V1 (1862) V2 (928) Voltaje Disruptivo [kV] Campo Eléctrico [kV/m]


5 mm

4,087 7,33

6,80 1.360,45 4,141 7,38

4,023 7,28

10 mm

5,093 9,03

8,56 856,23 5,01 9,07

5,094 9,58

15 mm

5,814 10,53

9,88 658,88 5,908 10,7

5,998 10,72

20 mm

7,08 13,18

12,44 622,22 7,81 13,65

7,71 13,4

25 mm

9,37 16,58

15,22 608,89 9,39 16,63

9,48 16

30 mm

10,66 18,68

17,44 581,44 10,72 18,8

10,7 18,91

35 mm

11,71 20,92

19,40 554,33 11,66 20,75

12,04 21,05 Tabla 8. Mediciones configuración Punta-Placa AC para diferentes distancias del Gap.

Al calcular la tensión disruptiva así como el campo eléctrico de disrupción se tiene las

siguientes graficas de estos valores con respecto a la distancia inter-electródica.


22

Figura 26. Tensión disruptiva para la configuración punta-placa AC a distintas distancias del gap.

Figura 27. Campo eléctrico disruptivo para distintas distancias del gap en configuración punta-placa AC.

Punta-Punta

Para la configuración punta-punta con tensión AC tenemos el montaje de la figura XX y

los datos consignados en la tabla 8 son el resultado de las experimentaciones. Todos

los datos se realizaron en las mismas condiciones atmosféricas que la prueba de la

misma configuración de electrodos en DC, las cuales son Humedad 84% y Temperatura

19°C, lo que nos indica que para efectos de una comparación entre el comportamiento

con respecto a cada una de las formas de onda se pueden realizar directamente, sin

tener en cuenta algún tipo de corrección por temperatura o humedad.


23

Figura 28. Montaje medición tensión disruptiva para distintas distancias de gap y electrodos Punta-Punta y

tensión AC.

Distancia V1 (1862) V2 (928) Voltaje Campo Interelectródica [V] [V] Disruptivo [kV] Eléctrico [kV/m]

5 mm

5,87 10,53

9,77

1.953,13 5,828 10,51

5,844 10,53

10 mm

8,74 17,75

16,35

1.634,83 9,75 17,59

9,74 17,51

15 mm

14,31 25,81

24,04

1.602,76 14,4 25,87

14,45 26,04

20 mm

18,45 33,75

31,27

1.563,53 18,49 33,67

18,49 33,67

25 mm

21,82 39,04

36,33

1.453,12 21,85 39,05

22 39,35

30 mm

24,86 45,35

43,11

1.436,85 26,2 47,05

25,9 46,95

35 mm

29,81 54,06

49,92

1.426,29 29,5 53,07

30,48 54,25

Tabla 9. Mediciones configuración Punta-Punta AC para diferentes distancias del Gap.

La grafica de tensión disruptiva en función de la distancia interelectródica las podemos

ver en la figura 29, mientras que la grafica de campo eléctrico disruptivo para esta

misma configuración se encuentra en la figura 30.


24

Figura 29. Tensión disruptiva para la configuración punta-punta AC a distintas distancias del gap.

Figura 30. Campo eléctrico disruptivo para distintas distancias del gap en configuración punta-punta AC.

IX. Analice y concluya sobre los resultados obtenidos, la configuración de los

electrodos, el tipo de tensión aplicada y las condiciones ambientales que se

presentaron durante la prueba.

Para analizar los datos obtenidos en el laboratorio para cada uno de las configuraciones

y distintas señales de entrada se obtuvieron las siguientes tablas comparativas y su

respectivas graficas del comportamiento de tensión disruptiva.

Voltaje Disruptivo [kV] DC 5 mm 10 mm 15 mm 20 mm 25 mm 30 mm 35 mm

Placa-Placa 11,89 20,91 29,23 38,08 47,65 54,54 64,84

Punta-Placa Postiva 8,26 11,19 13,01 14,72 25,67 25,22 29,90

Punta-Placa Negativa 8,29 12,04 18,72 24,89 30,70 34,99 41,27

Punta-Punta 11,16 15,72 18,88 21,07 23,05 24,47 25,15

Tabla 10. Cuadro Comparativo de la tensión disruptiva en DC.


25

Figura 31. Tensión disruptiva DC para cada una de las configuraciones (1. Placa-Placa, 2. Punta-Placa

Positiva, 3. Punta-Placa Negativa, 4. Punta-Punta)

Para una disposición DC se observa que al aumentar la distancia entre electrodos la

tensión disruptiva aumenta esto se debe a que estas dos variables presenta un

comportamiento directamente proporcional como se observa en cada grafica de

Tensión disruptiva en función de la distancia interelectródica donde la linealidad es casi

perfecta en cada tipo de configuración, también se puede analizar que la configuración

que presenta una mayor tensión de perforación es la de Placa-Placa esto se debe a que

este presenta un campo homogéneo debido a su configuración esfera- esfera. Y la que

presenta una tensión de disrupción menor es la configuración punta placa positiva.

Voltaje Disruptivo [kV] AC 5 mm 10 mm 15 mm 20 mm 25 mm 30 mm 35 mm

Placa-Placa 8,31 11,65 13,54 15,54 15,45 17,01 18,22

Punta-Placa 6,80 8,56 9,88 12,44 15,22 17,44 19,40

Punta-Punta 9,77 16,35 24,04 31,27 36,33 43,11 49,92 Tabla 11. Cuadro Comparativo de la tensión disruptiva en AC.

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

0 1 2 3 4 5

Vo

ltaj

e d

e d

isru

pti

vo k

V

Diferetes Configuraciones

5 mm

10 mm

15 mm

20 mm

25 mm

30 mm

35 mm


26

Figura 32. Tensión disruptiva AC para cada una de las configuraciones (1. Placa-Placa, 2. Punta-Placa, 3.

Punta-Punta)

Para una disposición de montaje con una señal de entrada en AC se presenta

diferentes análisis, aunque se mantiene la idea que al aumentar la distancia entre

electrodos aumenta la tensión necesaria para perforar el aire y convertirlo en conductor,

mientras que la configuración que presenta una mayor tensión disruptiva es la Punta-

Punta.

Para producir una descarga se debe tener en cuenta la generación de iones libres

debido al campo eléctrico aplicado, estos iones presenta una movilidad mucho menor

que al de los electrones por lo tanto en una configuración punta positiva placa negativa

estos iones se acumulan en la punta haciendo que su desplazamiento hacia al placa

sea mucho más lento que cualquier otra configuración produciendo una disminución del

de la distancia electrónica como un alargamiento de la punta por lo tanto esta

configuración es la que presenta menores voltajes disruptivos ya que la distancia virtual

es menor que la real. Mientras que si el arreglo de electrodos es de punta negativa y

placa positiva al ser el área de la placa más grande que las áreas cercanas a la punta,

la aglomeración de los iones positivos no disminuye la distancia efectiva de aire entre

electrodos y la movilidad de los electrones desde la punta hacia la placa es alta siendo

el proceso de alargamiento mucho menor, luego la tensión disruptiva es mayor que en

polaridad positiva.

La tensión disruptiva en la configuración esfera-esfera en DC es la más alta, esto es

debido a que su configuración da para tener campo eléctrico homogéneo entre los dos

electrodos, y esto conlleva a que los iones arrancados de cada electrodo sean más

pocos que en otras configuraciones, vemos en la figura x, mediante una simulación de

elementos finitos la distribución de campo entre los dos electrodos.

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

0 1 2 3 4

Vo

ltaj

e d

e d

isru

pti

vo k

V

Diferetes Configuraciones

5 mm

10 mm

15 mm

20 mm

25 mm

30 mm

35 mm


27

Figura 33. Campo eléctrico entre dos electrodos semiesféricos y separación de 5 mm.

En la anterior figura podemos observar que la distribución de campo es homogénea en

la región que se produce la descarga y dicha condición se mantendrá hasta que la

distancia interelectródica no supere el radio de los electrodos, vemos en la figura x los

resultados para la misma configuración con una separación de 35 mm, en donde la

separación es casi el radio de las esferas, ya observamos algunas desviaciones del

campo eléctrico, y a partir de este punto, es decir, con gaps mayores que el radio de los

electrodos se podría considerar no homogéneo el campo eléctrico.

Figura 34. Campo eléctrico entre dos electrodos semiesféricos y separación de 35 mm.

Debido a que todas las mediciones de cada una de las configuraciones fueron

realizadas bajo las mismas condiciones atmosféricas, según cada ensayo, es necesario

acudir a artículos de otras personas para poder hacer un análisis de la influencia de la

humedad y la temperatura en los ensayos de disrupción eléctrica en gases, donde

consultando se ha encontrado que la tensión disruptiva es mayor a medida que la

humedad relativa aumenta tambiénviii, y más aun, el factor de corrección kh mencionado

en la norma IEC 60-1 se hace más importante a medida que la separación de los

electrodos se hace mas grande.


28

Durante la sesión de práctica se presentaron muchas veces pre-descargas de tipo

corona, las cuales fueron identificadas mediante su sonido, mas no podíamos

observarlas o hacer alguna medición para corroborar su existencia, sin embargo

muchos autores han concluido y observado que efectivamente existen dichas pre-

descargas de tipo coronaix, cuya corriente sigue una relación similar a la primera

expresión deducida de Townsendx

Donde A es una constante la cual depende de la movilidad de los iones y Vc es la

tensión más baja a la cual se pueden observar las corrientes de corona. Por lo que a

pesar que no se pudo verificar este fenómeno durante la práctica, es un hecho que

otros autores han hablado de él, hasta el punto de caracterizarlo de la forma que vimos

anteriormente.

Se puede decir que el voltaje disruptivo es función de la homogeneidad de las líneas

equipotenciales que se presenten en cada una de las configuraciones, esto es, si

tenemos líneas equipotenciales uniformemente distribuidas a lo larga de la distancia

interelectródica podemos decir que su tensión disruptiva será mayor, mientras que si

tenemos espacios donde el voltaje cambie abruptamente, ahí tendremos una

concentración de campo mayor por lo que se lograra producir la descarga inicial la cual

termina en la disrupción. Este fenómeno lo podemos observar comparando las líneas de

capo producidas por dos configuraciones de electrodos distintas como en la figura 35 y

36.

Figura 35. Líneas equipotenciales en configuración punta-placa


29

Figura 36. Líneas equipotenciales en configuración esfera-esfera

Así como se menciono en la Figura 35 vemos que tenemos un gran campo eléctrico en

la región donde la tensión cambia abruptamente, el cual esta representado por la flecha

de gran tamaño en la grafica.

REFERENCIAS

i ASTM-D149 Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of

Solid Electrical Insulating Materials at Commercial Power Frequencies. ii Heinz Häberle, Electronik, Industrie-, Rundfunk-, Fernsehelektronik 1 teil: Grundlagen-

Electronik, Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer & Co, oHG, 1979 p. 86 iii D. Bedoya B., F. A. Roldan. Diseño Y Construcción De Un Espinterómetro Para Un

Generador De Impulso De Alta Tensión Parte I: Fundamentos. Scientia et Technica Año X,

2004. iv IEC Publication 664, 664A, Insulation Co-ordination within Low voltage Systems, Including

Clearances and Creepage Distances for Equipment, 1980, 1981. v H. Craig Miller, ” Surface Flashover of Insulators”, IEEE Transactions on Electrical Insulation

Vol. 24 No. 5 , October 1989. vi GAMMA, Boletin Tecnico N° 25 de 2005, Aisladores De Suspensión Adf, Con Alta Distancia

De Fuga Para Aplicación En Zonas Contaminadas. vii M S Naidu, High Voltage Engineering 4th edition, Tata McGraw-Hill Education, 2009, p. 45 viii S. CHOTIGO, T. BOONWERN, Effect of Humidity and Temperature on the DC Breakdown at

different tip angles of Rod-Rod Gaps, IEEE, 2006. ix M. Boutlendj, N.L. Allen, H.A. Lightfoot, R.B. Neville. Positive DC corona and sparkover in

short and long rod-plane gaps under variable humidity conditions. IEE PROCEEDINGS-A,

Vol.138, NO. I, JANUARY 1991 x TOWNSEND, J.S. : ‘Electricity in gases’ (Oxford University Press, 1915), p. 376

descargas en materiales aislantes y dielÉctricos (parte 1 - descarga en gases)

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