Clasificación de campos eléctricosTipos de materiales Tipos de descarga eléctricaTipos de solicitaciónCálculos experimentales
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 cilíndrico, 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.
Aislamientos según el material:
Aislantes Eléctricos Gaseosos:
No tienen estructura cristalina.Autoregenerativos ante descargas.Rigidez dieléctrica controlable por al presión y temperatura.Mezclables.Permitividad unitaria.Bajo factor de pérdidas < 10-5 (Corriente resistiva /capacitiva)
Aislantes Eléctricos 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
Aislantes Eléctricos 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 10Factor de pérdidas > 10-3
Aislantes Eléctricos Sólidos:Bobina capacitiva:
Largo: 18,15 m
Ancho: 0,32 m
Sep: 0,000032 m
Cte. Dielec. 2,66
Tensión fase 7,97 kV, (sistema de 13,8 kV)
Potencia Reactiva 500 kVAr
Cap: necesaria 25,1uF
Capacidad = Largo x ancho x Permitividad = 4,25 uF
Separación
Aislantes Eléctricos Sólidos:
Bobina prensada
5,1 uF
Tensión fase 7,97 kV, Potencia Reactiva 500 kVAr
Cap. necesaria: 25,1uF
Capacidad = Largo x ancho x Permitividad = 4,25 uF
Separación
Total de bobinasSeries 4
Paralelos 18
23uF
Tipos de descargas eléctricas
Descargas parciales:
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.
Descarga transversal:
La descarga disruptiva une completamente los electrodos
que mantienen una diferencia de potencial, la corriente se hace
incontrolable.
Mecanismo de descarga DCUna 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.
Para excitación estacionaria sirve la siguiente expresión:
Ud=Edi . d . Fd . er . ek
Fd: factor de distanciaer: factor de rugosidad de electrodos
ek: factor de forma del electrodo
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 impulsoLos fenómenos relevantes :-Aparición de electrones iniciadores.-Crecimiento temporal de electrones ionizantes.Para frecuencias muy altas, los electrones y iones comienzan a oscilar entre los electrodos.
El cálculo de la tensión de ruptura es probabilístico de acuerdo e una distribución doble exponencial
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.
Descargas Corona
Formula de Peek:
A: densidad del aire r: radio del conductor [cm]
Calculo de campo de iniciación de corona para cilindros
En líneas de transmisión aéreas
E0 = 29,8 kV/cm (valor máximo) (r=2 m=0,79)
m: estado de la superficie del conductor: 0,5 - 0,8
( ) ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
⋅+⋅⋅⋅=
ArmAE 308,01310
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
• 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.
Campo Uniforme
0
20
40
60
80
100
0,010 0,100 1,000 10,000(a) cm
Rig
idez
Aire
kV/
cm
Fórmula aproximada: Ud= 2440 d + 61 (d)1/2
Ley de Paschen:
Esta ley se explica considerando la probabilidad de ionización de los electrones al recorrer el espacio entre electrodos:
Riguidez aire
0
400
800
1200
1600
2000
0 5 10 15 20 25 30 35pxd (kpa . m x 10-4)
volt
Rigidez del aire
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).
Rigidez superficial
05
101520253035404550
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Distancia entre electrodos [cm]
Rig
idez
[kV
/cm
]
campo uniforme Esferas D=5cm Esferas D=25cmEsferas D=100cm Esferas D=200cm barrasaislador porcelana aislador polimérico Fórmula
Rigidez Dieléctrica del aire y superficial.
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
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).
Aislación sólida
Ejemplo del papel NOMEX y la relación entre Rigidez dieléctrica y humedad:
2,635,450
Cte. DieléctricaRigidez Dieléctrica kV/mm
Humedad
33,8
37,8
3,195
2,3Seco
Material Rigidez kV/cm
Porcelana 16 a 79Parafina 80 a 120Aceite de transformador 200Bakelite 120 a 220Goma 200 a 300Polímeros 50 a 900Papel 500Teflón 600Vidrio 800 a 1200Papel aceite 1800Mica 2000
Valores de Rigidez dieléctrica en sólidos y líquidos