materiales aislantes

___________________________ELEMENTOS Y EQUIPOS ELECTRICOS- Unidad N§ 1 al 010302.doc-

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UNIDAD 1

ÍNDICE

1 MATERIALES AISLANTES ......................................................................................................... 2

1.1 CONCEPTOS GENERALES: ......................................................................................................... 2

1.2 CIRCUITO EQUIVALENTE: .......................................................................................................... 2

1.3 PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES AISLANTES .................................................... 3

1.4 PROPIEDADES ELÉCTRICAS: ...................................................................................................... 4

1.4.1 RESISTENCIA DE AISLAMIENTO: .......................................................................................... 4 1.4.2 RIGIDEZ DIELÉCTRICA: ....................................................................................................... 5

1.4.3 CONSTANTE DIELÉCTRICA DE UN AISLANTE........................................................................ 5

1.4.4 FACTOR DE PÉRDIDAS DIELÉCTRICAS ................................................................................. 6

1.4.5 FACTOR DE POTENCIA DEL AISLANTE ................................................................................. 7 1.4.6 RESISTENCIA AL ARCO ......................................................................................................... 7

1.5 PROPIEDADES MECÁNICAS ......................................................................................................... 7

1) RESISTENCIA A LA TRACCIÓN: ................................................................................................. 7 2) RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN: ............................................................................................ 7

3) RESISTENCIA A LA FLEXIÓN: ................................................................................................... 7

4) RESISTENCIA A LA CORTADURA ............................................................................................... 7 5) RESISTENCIA AL CHOQUE ........................................................................................................ 8

6) DUREZA .................................................................................................................................... 8

7) LÍMITE ELÁSTICO DE UN MATERIAL ........................................................................................ 8

8) MAQUINABILIDAD DE UN MATERIAL ........................................................................................ 8

1.6 PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS ................................................................................................ 8

1.6.1 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS AISLANTES ........................................................................... 8

1.6.2 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS AISLANTES ...................................................................... 9 1.6.3 PROPIEDADES QUÍMICAS...................................................................................................... 9

1.7 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES AISLANTES SEGÚN LA TEMPERATURA DE SERVICIO .....10

1.8 MATERIALES AISLANTES GASEOSOS .........................................................................................12

1.8.1 CARACTERÍSTICAS – CONCEPTOS ......................................................................................12 1.8.2 CONSTANTE DIELÉCTRICA DE LOS GASES ..........................................................................13

1.8.3 DESCARGA ELÉCTRICA EN LOS GASES ................................................................................13

1.9 LEY DE PASCHEN ......................................................................................................................15

LA RIGIDEZ DIELÉCTRICA DE LOS GASES, DEPENDENCIA: ................................................16

1.10 EL AIRE Y EL VACÍO COMO DIELÉCTRICO ..............................................................................16

1.11 AISLANTES FLUIDOS ................................................................................................................17 1.11.1 GAS HEXAFLUORURO DE AZUFRE (SF6) ............................................................................17

1.11.2 PROPIEDADES ....................................................................................................................17

1.11.3 CURVAS COMPARATIVAS DE CORRIENTES CORTADAS A 2,3 KV.......................................19

1.11.4 APLICACIÓN ......................................................................................................................19


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1 MATERIALES AISLANTES ( Dieléctricos)

1.1 Conceptos generales:

Se denomina aislante eléctrico a toda sustancia de tan baja conductividad eléctrica que el paso de la corriente a través de ella puede ser despreciado. Tipos de aislantes :

* Sólidos

* Líquidos

* Gaseosos Corriente de fuga: es una pequeña corriente que pasa a través del aislante. Descarga Disruptiva: es cuando el potencial entre el conductor y el aislante es nulo y la conducción es franca. Los materiales aislantes se llaman dieléctricos para indicar que se oponen al paso de la corriente eléctrica. Un medio dieléctrico puede tener en estado estático un campo eléctrico aunque no conduce corriente eléctrica. Los materiales aislantes cumplen dos funciones fundamentales:

1) Permiten aislar eléctricamente los conductores entre sí y estos mismos conductores respecto a tierra o a una masa metálica.

2) Modifican en gran proporción el campo eléctrico que los

atraviesa. Dieléctrico perfecto: El vacío es el único dieléctrico perfecto, por tener conductancia nula. Dieléctrico imperfecto: Los materiales aislantes cuando están sometidos a una tensión eléctrica, normalmente son imperfectos, produciendo:

- corriente de desplazamiento - absorción de corriente - paso de corriente de conducción

1.2 Circuito equivalente:

Consta de dos ramas en paralelo que representan respectivamente, las componentes

capacitiva y óhmica de la corriente de fuga. Figura 1.

C = permitancia R1 = pérdida por absorción de corriente del dieléctrico R2 = pérdida por componente óhmica de la corriente de fuga If = corriente de fuga

C R1

R2

A B

If If


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En un dieléctrico perfecto: R1 = 0 y R2 = infinito Los valores de C, R1 y R2 dependen de:

1. Temperatura 2. Frecuencia 3. Tensión del dieléctrico

1.3 Propiedades generales de los materiales aislantes

Para asegurar un aislamiento eléctrico seguro y suficiente entre los conductores y entre

éstos y las partes metálicas del elemento o instalación es necesario que los materiales cumplan ciertas propiedades: a) Eléctricas:

1. Resistencia de aislamiento 2. Rigidez dieléctrica 3. Constante dieléctrica 4. Factor de perdidas dieléctricas 5. Factor de potencia 6. Resistencia al arco

b) Mecánicas:

1. Resistencia a la tracción 2. Resistencia a la compresión 3. Resistencia a la flexión 4. Resistencia a la cortadura 5. Resistencia al choque 6. Dureza 7. Limite elástico 8. Maquinabilidad

c) Físico – térmicas- químicas:

Físicas:

1. Peso especifico 2. Porosidad 3. Higroscopicidad

Térmicas:

1. Calor específico 2. Conductividad térmica 3. Inflamabilidad 4. Temperatura de seguridad

Químicas:

1. Resistencia al ozono 2. Resistencia a la luz solar 3. Resistencia a los ácidos y a los álcalis 4. Resistencia a los aceites


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1.4 Propiedades eléctricas:

1.4.1 Resistencia de aislamiento:

Es la resistencia que opone el aislante al paso de la corriente eléctrica, medida en la dirección en que deba asegurarse el aislamiento. Como la corriente de fuga de un aislante sigue dos caminos, uno sobre la superficie del material y otro a través del cuerpo, habrá que distinguir dos tipos de resistencia de aislamiento:

Resistencia de aislamiento superficial: es la que ofrece la superficie del material al paso de la corriente cuando se aplica una tensión entre dos zonas de dicha superficie.

Resistividad superficial: Es el valor de esa resistencia referida a la superficie comprendida entre las dos zonas sometidas a tensión, se mide en Megaohmios por cm2.

Figura Nº 2

Resistencia de aislamiento transversal: es la que opone el material a ser atravesado por la corriente.

Resistividad transversal: Es el valor de esa resistencia referida a la superficie comprendida entre las dos caras sometidas a tensión, se mide en Mogaohmios. cm2/ cm.

En un mismo aislante la resistividad transversal no es constante, destacándose los efectos debidos a la variación de temperatura cuyo aumento produce una disminución de la misma.

Figura Nº 3


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1.4.2 Rigidez dieléctrica (RD):

Es la propiedad de un material aislante de oponerse ha ser perforado por la corriente

eléctrica. Tensión de perforación: Es la tensión máxima que puede soportar sin perforarse

(tensión de perforación) y el espesor de la pieza aislante (KV/mm).

RD: aislante.espesor

V nperforació

Cuando se aplica una tensión entre dos caras de un aislante circula una pequeña corriente de fuga que produce un aumento local de temperatura disminuyendo la resistividad transversal, lo que permite el paso de una mayor corriente. Este efecto es acumulativo y produce la perforación del dieléctrico. Temperatura límite: La rigidez dieléctrica es independiente de la temperatura hasta un cierto valor y de la tensión eléctrica aplicada; por encima de ese valor de temperatura, la rigidez dieléctrica disminuye rápidamente. El valor en el punto de inflexión se denomina temperatura límite. Figura Nº4: Variación de la tensión de perforación de un aislante en función de la temperatura Los aislantes se clasifican de acuerdo a la temperatura de aislación, porque tienen temperatura limite de trabajo. - Perforación eléctrica de un aislante: cuando la descarga disruptiva se produce por debajo del valor de la temperatura límite. La perforación se debe exclusivamente a la tensión aplicada. - Perforación electrotérmica: Es la que se produce por encima de la temperatura límite. La tensión aplicada para una temperatura inicial dada (aún con niveles de tensión nominales), es insuficiente para provocar la perforación en forma inmediata, pero la promueve a causa del calentamiento interno debido a las pérdidas dieléctricas.

1.4.3 Constante dieléctrica de un aislante

Es la relación entre la capacidad de un condensador que emplea como dieléctrico el material considerado y la capacidad del mismo condensador empleando como dieléctrico el vacío.

Dominio dependiente de la temperatura

Dominio independiente de la temperatura

TL


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C: capacidad ( f)

S: superficie (cm2) d

1)-(n S C

(0,8859/10 7 ( f)

n: número de placas : constante dieléctrica

d: distancia entre placas (espesor del dieléctrico en cm)

1.4.4 Factor de pérdidas dieléctricas

Pérdida dieléctrica, es la potencia eléctrica perdida a través de los aislantes, produciendose un calentamiento del material aislante al ser atravesado por la corriente de fuga. El factor de pérdidas dieléctricas constituye un elemento para medir la pérdida de potencia por calentamiento de los aislamientos. También se considera una medida de la capacidad de generación de calor por unidad de volumen del material aislante. La potencia perdida en el aislante debe ser mínima o nula.

P = U . I. cos = 0 entonces es preciso que cos = 0 ; = 2

Este es el caso del aislamiento ideal. En la práctica se producen pérdidas cuyo valor

generalmente muy reducido es proporcional a la tg , siendo este ángulo complementario del

ángulo de desfase .

Factor de pérdidas dieléctricas FPD = .tg

Como la energía almacenada en un dieléctrico es proporcional a su permitividad , las

pérdidas dieléctricas en dicho material serán proporcionales al producto:

asdieléctric pérdidas de factor tg

Si = 0 I fuga = 0

Este factor nos da una idea de la calidad y del envejecimiento del aislante.

U

U

I I

90

cos

tg

tg


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1.4.5 Factor de potencia del aislante

Es el coseno del ángulo de desfase entre la tensión y la componente de la corriente que atraviesa dicho aislante.

En un aislante ideal cos = 0 o sea fp = cos

1.4.6 Resistencia al arco

Se mide por el tiempo que un material aislante es capaz de resistir los efectos destructivos de un arco antes de inutilizarse por haber formado éste un camino carbonizado, conductor, sobre la superficie del aislante. El arco ha formado un camino ionizado, el arco eléctrico es una conducción iónica, por lo que el medio es un gas o un aislante liquido que luego se vaporiza. En los aislantes sólidos cuando se produce una descarga , arco eléctrico, los elementos que rodea la zona donde se esta produciendo el fenómeno , se carbonizan. La energía que se desarrolla produce un calor muy intenso que permite la carbonización . En la mayoría de los casos una vez que se ha extinguido el arco el medio queda carbonizado. Existen materiales que son carbonizables y otros que no lo son. La resistencia de arco es la resistencia de los materiales que rodean el arco eléctrico. El tiempo que es capaz de resistir, depende de la tensión aplicada y de la corriente de arco. Para controlar, desviar o extinguir el arco se utilizan diferentes dispositivos, próximos a los contactos, como ser cámaras apagachispas, o aprovechando la misma corriente de falla para producir un soplado magnético. El arco también se controla:

* Refrigerándolo

* Alargándolo

* Colocándole interferencias en el camino (placas)

1.5 Propiedades mecánicas

1) Resistencia a la tracción:

Es la propiedad de resistir esfuerzos mecánicos que tienden a estirar o alargar un material. Su valor en los aislantes es relativamente bajo.

2) Resistencia a la compresión:

Es la propiedad de resistir esfuerzos mecánicos que tienden a acortar o comprimir el material. Sus valores suelen ser más elevados que los de tracción.

3) Resistencia a la flexión:

Es la capacidad de resistir esfuerzos que tiendan a doblar el aislante ( 1), 2) y 3 ) están influenciadas por la humedad y la temperatura)

4) Resistencia a la cortadura

Es la propiedad de resistir esfuerzos mecánicos que tienden a hacer deslizar una parte del material sobre la otra.


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5) Resistencia al choque

Es la capacidad de resistir el impacto de un choque o golpe.

6) Dureza

Se puede definir como la resistencia que opone un material a ser penetrado por una bola o punzón.

7) Límite elástico de un material

Es el máximo esfuerzo que puede aplicarse al mismo, sin que experimente deformaciones permanentes.

8) Maquinabilidad de un material

Es la facilidad con que puede ser mecanizado con herramientas cortantes.

1.6 Propiedades físico-químicas

1.6.1 Propiedades físicas de los aislantes

* Peso específico: es el peso por unidad de volumen del material gr/cm3

* Porosidad: es la propiedad que tienen todos los cuerpos de dejar espacios vacíos entre sus moléculas. La porosidad constituye un grave inconveniente, que contribuye a:

En los poros se acumule humedad y polvo ambiente

El aire que llene los poros por acción del campo eléctrico se ioniza, lo que disminuye la resistencia dieléctrica del aislante

* Higroscopicidad: es la capacidad de absorber humedad que tiene un material. En los aislantes, la humedad reduce considerablemente la rigidez dieléctrica y la resistencia de aislamiento.

La humedad en los aislantes disminuye la rigidez dieléctrica y la resistencia de aislación, para reducir el efecto de la humedad en los aislantes sólidos se lo reviste con una sustancia impermeable.


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1.6.2 Propiedades térmicas de los aislantes

* Calor específico: es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de un gramo de dicho material. Un buen aislante tiene un calor específico elevado.

* Conductividad térmica: es la facilidad que un material presenta al paso del calor. Un buen aislante debe tener baja conductividad térmica, o lo que es lo mismo buen aislante térmico.

* Inflamabilidad: es la facilidad para inflamarse (desprender gases y vapores sin la producción de llamas). Existen tres tipos de aislantes: muy inflamables, menos inflamables y los ininflamables. Se prefieren los menos inflamables, principalmente en aplicaciones de alta temperatura o en atmósferas esplosivas.

* Temperatura de seguridad: es la temperatura límite a que pueden estar sometidos los aislantes sin que se produzca la degradación de sus propiedades mecánicas y luego eléctricas, que lo conduzcan a la destrucción. Normalmente cuando se produce una elevación de la temperatura en una máquina eléctrica se produce la destrucción del aislante. Ello ocurre sin que haya existido combustión, en el sentido que se la conoce, con producción de llama en muy raras ocasiones. La destrucción del dieléctrico no se produce inmediatamente que se llegó a la temperatura crítica, sino que se produce por la acción prolongada de la temperatura.

* Temperatura de reblandecimiento. Antes de su destrucción, muchos aislantes, al alcanzar cierta temperatura, se ablandan y se deforman: se dice entonces que se ha alcanzado su “punto de reblandecimiento”. La temperatura de seguridad ha de ser inferior a la temperatura en que se alcanza su punto de reblandecimiento. En realidad el punto de reblandecimiento no está bien definido, sino que responde a una zona de temperaturas. Si se eleva la temperatura conjuntamente cuando está sometido a un esfuerzo físico, su destrucción se ve acelerada rápidamente.

1.6.3 Propiedades químicas

En general los aislantes se caracterizan por su buena resistencia química. Normalmente están sometidos a la acción de agentes y ambientes que contienen líquidos, gases y vapores corrosivos, que ocasionan su lento y continuo envejecimiento, acabando en su destrucción. A la acción de los agentes químicos, se le une la acción del campo eléctrico. La acción de este último se visualiza en las descargas, que se producen por las elevadas tensiones. Cuando se producen las descargas, parte del oxígeno del aire se ioniza formando ozono, de un gran poder oxidante, muy perjudicial para los materiales aislantes. Resistencia al ozono: el ozono (O3) es una forma alotrópica del oxígeno y se produce al

ionizarse el aire por acción del campo eléctrico. Es un poderoso oxidante y se produce en presencia de tensiones de servicio muy elevadas. Para contrarrestar sus efectos se utilizan sustancias antioxidantes. Ej. cuando se produce una descarga atmosférica. Resistencia a la luz solar: los rayos ultravioletas producen decoloración y fragilidad en los aislantes que están a la intemperie.


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Resistencia a los ácidos y álcalis: la acción perjudicial de estos agentes químicos sobre los aislantes es lenta. En general, la resistencia química es buena.

Resistencia a los aceites: Son resistentes a la penetración de aceites minerales, vegetales o

animales.

1.7 Clasificación de los materiales aislantes según la temperatura de servicio

Un criterio utilizado y adoptado universalmente para clasificar los aislantes, hace

referencia a la máxima temperatura de funcionamiento continuo que puede alcanzar dicho material.

La destrucción de un aislante no se realiza en forma inmediata sino en forma progresiva con el tiempo, ayudado por la temperatura, que produce un deterioro en la resistencia mecánica y en su estructura. Esta disminución de las propiedades mecánicas va acompañado de la disminución paulatina de su vida útil. Normalmente cuando la temperatura ataca a los aislantes no solo modifica al dieléctrico sino que también lo hace con la resistencia dieléctrica del mismo.

Cuando un aislante está sometido a la temperatura esta produce un aumento de la rigidez dieléctrica , porque hay presencia de humedad y esta eleva la propiedad del dieléctrico , y a medida que la temperatura aumenta disminuye la propiedad mecánica , a partir de allí empieza a decrecer la rigidez dieléctrica , finalmente la resistencia mecánica se anula totalmente y en ese mismo momento se produce la falla eléctrica .

La vida útil de un aislante depende del: * Medio ambiente, fundamentalmente porque modifica sus propiedades * Del oxigeno * De las cargas mecánicas que esté sometido * De la temperatura de trabajo * De la temperatura ambiente La elección de los valores adecuados de la temperatura para condiciones particulares de

funcionamiento puede realizarse teniendo en cuenta los siguientes conceptos: 1. El fallo de un material aislante se produce por deterioro mecánico gradual con el tiempo. 2. La rigidez dieléctrica aumenta inicialmente mientras disminuye su resistencia mecánica,

debido a la eliminación de humedad. Luego, la rigidez dieléctrica decrece, pero no cae por debajo de su valor inicial. El tiempo en que un aislante conserva sus propiedades dieléctricas depende de:

a) el material utilizado b) sus propiedades mecánicas c) el valor de los esfuerzos mecánicos a que está sometido

3. La vida del aislante depende de la atmósfera, productos químicos, tiempo que trabaja, carga que soporta, temperatura que está sometido.

Los materiales aislantes se agrupan en:

CLASE Y (temperatura límite de trabajo 90 °C)

- Algodón, seda y papel sin impregnación, polietileno reticulado, papeles y cartones sin impregnar, fibra vulcanizada, madera, etc.

CLASE A (temperatura límite de trabajo 105 °C)

- Materiales o asociaciones de ellos tales como algodón, seda y papel, cuando están convenientemente impregnados o sumergidos en un dieléctrico como el aceite.


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- Materiales moldeados o estratificados (micarta, pertinax) con relleno de celulosa.

- Fibra vulcanizada y madera impregnada. - Láminas y hojas de acetato de celulosa. - PVC (policloruro de vinilo) - Barnices aislantes a base de resinas naturales, asfaltos naturales y fenólicos

modificados. CLASE E (temperatura límite de trabajo 120 °C)

- Papel baquelizado, películas de tereftalato de polietileno fenólicas, resinas de características semejantes, etc.

- Esmaltes a base de acetato de polivinilo, esmaltados cubiertos con fibras naturales o artificiales.

- Moldeados y estratificados a base de algodón o papel y resinas. - Barnices de resinas alquídicas.

CLASE B (temperatura límite de trabajo 130 °C)

- A base de mica, fibra de vidrio, materiales inorgánicos similares, con aglomerantes orgánicos adecuados.

- Esmaltes a base de resinas poliuretánicas. - Tejido de vidrio impregnados con barnices a base de resinas sintéticas y

aceite. - Mica y papel de mica aglomerada con goma laca, compuestos asfálticos y

resinas alquídicas. - Caucho etileno, propileno - Moldeados y estratificados de fibra de vidrio, con resinas fenólicas, de

melamina, epoxídicas y poliester. - Tejidos de vidrio - Barnices de resinas de melamina, epoxídicas y de poliester.

CLASE F (155 °C)

- Mica, fibra de vidrio y otros materiales inorgánicos con aglomerantes adecuados orgánicos.

- Tejido de fibra de vidrio tratado con resinas de poliester. - Mica y papel de mica aglomerada con resinas de poliester o con resinas

epoxídicas. - Estratificados a base de tejido de vidrio y resinas epoxídicas de gran

resistencia térmica. CLASE H (180 °C)

- Elastómeros de silicona - Asociación de materiales con mica, fibra de vidrio y otros materiales

inorgánicos similares con aglomerantes adecuados, tales como resinas de siliconas apropiadas.

- Tejidos de fibra de vidrio, aglomerados con resinas de siliconas o recubiertos de elastómeros de siliconas.

- Mica y papel de mica aglomeradas con siliconas - Estratificados de vidrio y resinas de siliconas - Barnices aislantes a base de resinas de siliconas.


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CLASE C (más de 180 °C)

- Mica, porcelana, cuarzo, vidrio, y materiales similares con o sin aglomerantes orgánicos.

- Mica pura y estratificados de papel de mica con aglomerantes inorgánicos. - Porcelana y materiales cerámicos - Vidrio y cuarzo.

1.8 Materiales aislantes gaseosos

1.8.1 Características – Conceptos

Un gas normal no expuesto a ningún agente ionizante es un material aislante perfecto

para todas las tensiones de servicio que están por debajo de su rigidez dieléctrica. Un gas puede pasar de su estado dieléctrico a estado de conducción por

diversas circunstancias, según el siguiente detalle:

* proximidad de las llamas, arcos eléctricos, carbón o metales incandescentes

* la difusión en un espacio en que se produce o se ha producido una descarga eléctrica

* al atravesar un espacio bajo la influencia de rayos X, de rayos catódicos, de radiaciones radiactivas o de luz ultravioleta de onda corta

Todas estas causas producen en los gases un estado de ionización o de existencia de

iones mezclados con el gas que provocan la conductividad eléctrica de este. La conducción eléctrica en un gas ionizado no sigue la ley de Ohm pero para valores

bajos de fem. si se comporta respondiendo a esta ley. - Entre 0-1: el gas actúa como cualquier conductor que sigue la ley de Ohm - Entre 1-2: existe estado de saturación, donde hay un pequeño incremento de corriente con

un aumento de tensión. - Entre 2-3: el campo eléctrico se hace lo suficientemente elevado para provocar por si mismo la ionización y en esta zona el aumento de corriente es mucho mayor que el aumento de tensión .

Curva V-I de un gas ionizado entre electrodos planos paralelos


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Cuando cesa la acción del agente ionizante, el gas sigue manteniendo su conductividad eléctrica durante cierto tiempo y finalmente desaparece completamente. Esto indica que los iones libres presentes en el seno del gas se recombinan entre si y al terminarse este proceso, el gas vuelve a su estado normal. La conductividad eléctrica de un gas se puede eliminar de la siguiente forma:

* Pasando el gas a través de lana de vidrio. * Haciéndolo burbujear en una masa de agua * Haciendo pasar el gas por un campo eléctrico intenso. * Refrigeración (aumento de la superficie de aire).

1.8.2 Constante dieléctrica de los gases

La constante dieléctrica de todos los gases (aire, hidrogeno, nitrógeno, anhídrido

carbónico, etc.) a las temperaturas entre 0 y 20 °C y la de vapor de agua a la temperatura de 150 °C es igual a 1.

Este valor es independiente de la frecuencia, de la intensidad del campo eléctrico y del campo magnético.

¿ Qué modifica la constante dieléctrica de un gas?

* los cambios de la presión

* la temperatura

* la presencia de humedad en el aire.

* La presencia de otros gases aumentando su constante dieléctrica

Cuando la constante dieléctrica se expresa en función del vacío absoluto, su valor es superior a 1.

El estado de ionización de un gas influye en su constante dieléctrica, para presiones muy débiles la constante dieléctrica disminuye al principio cuando comienza la ionización, para crecer bruscamente al aumentar la ionización.

1.8.3 Descarga eléctrica en los gases

Cuando se aplica una tensión creciente entre dos electrodos sumergidos en el seno

de un gas llega un momento en que se produce una descarga eléctrica.

Esta descarga eléctrica se produce de dos formas:

a) Aumentando progresivamente la tensión. b) Acercando los electrodos con tensión constante.

Por ejemplo un aislante en condiciones normales tiene una rigidez dieléctrica determinada y el medio gaseoso no se encuentra ionizado. La tensión puede aumentar por:

- Origen atmosférico: debido a una descarga atmosférica Ej: un rayo. - Origen eléctrico: por una sobretensión de maniobra o por una sobretensión

debido a una falla próxima al aislante. La primera fase de la descarga es lo que se llama EFECTO CORONA, es una luminosidad próxima al electrodo positivo que hace de ánodo, es visible y empieza a producir ionización y producción de gas ozono próximo a esta zona, hasta aquí no hay ninguna descarga ni conducción, las condiciones no han sido modificadas todavía.


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La segunda fase es el EFLUVIO, la luminosidad alcanza al cátodo, normalmente se suele observar los días de muy alto porcentaje de humedad en las líneas aéreas. Es una conducción muy débil, no alcanza a verse una descarga, tiene una formación violeta uniforme y aparece cuando hay saturación próxima a la zona. A continuación tenemos la chispa que es la tercera fase: Es una descarga de corta duración, es una descarga de mucha luminosidad, produciendo ruido, se empieza a observar próxima al cátodo. La cuarta fase es el ARCO: La conducción es permanente, del orden de los microsegundos. Cuando las protecciones no actúan puede durar minutos. En sintesis:

* Efecto corona

Descarga luminosa en las proximidades del electrodo positivo (ánodo). Ocasiona interferencias de radiofrecuencia y produce ozono si hay presencia de oxigeno.

* Efluvio

Si se sigue aumentando la tensión se produce el efluvio. La luminosidad anódica alcanza el cátodo y el espacio interelectródico queda iluminado con tonalidad violeta uniforme. El efluvio aparece cuando hay saturación de ionización en la zona de electrodos.

* Chispa

Descarga de corta duración, semejante a una línea quebrada con ángulos marcados, puede ser de tono violeta y poco brillante con transporte de energía o de tono blanco azulado muy brillante, luminoso, produciéndose entonces chasquidos y detonaciones.

* Arco

Descarga de larga duración de forma casi rectilínea, muy caliente y constituido por vapores incandescentes producidos por partículas metálicas o de carbón procedentes de los electrodos. Este ultimo fenómeno es continuo y persistente, pero requiere un cátodo muy caliente. A veces es difícil establecer una diferencia clara entre los distintos fenómenos antes mencionados, porque cualquiera de ellas puede provocar otro tipo de descarga.

Efecto corona chispa arco Efecto corona efluvio chispa arco


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1.9 Ley de Paschen

Ud = f (p,d)

Ud: tensión disruptiva p: presión del gas d: distancia entre electrodos

Esta ley establece que la tensión disruptiva de un gas solamente es función del

producto de la distancia entre electrodos por la presión del gas. La tensión disruptiva de un gas solamente depende de la masa de gas entre electrodos.

En la mayoría de las lámparas de descarga, se aprovecha que la presión sea mayor, para que la tensión disruptiva necesaria para producir la conducción en los electrodos sea menor .

Si p.d = cte la tensión disruptiva también permanecerá constante. Esta relación es aplicable para la tensión mínima disruptiva y la presión critica.

Ejemplo: Tensiones disruptivas mínimas para algunos gases

Ud p.d

aire anhídrido carbónico argón helio hidrogeno nitrógeno

347 419 233 261 278 251

5,7 5,1 7,6

27,0 14,4 6,7

P : mm de columna de agua y d: mm de columna de agua Ejemplo de aplicación:

Nitrógeno Ud = 251 V , p.d = 6,7

Esto quiere decir que se producirá la chispa disruptiva en las siguientes condiciones: para p = 1 mm d = 6,7 mm para p = 1,5 mm d = 4,47 mm para p = 2 mm d = 3,35 mm para p = 2,5 mm d = 2,68 mm

En todos los casos se cumple la condición p.d = 6,7 para 251 V. Si nosotros aplicamos a los bornes o a los contactos de ese medio una tensión igual a 251 V, se va a producir una descarga a una distancia de 6.7 mm si la presión es de 1 mm de columna de agua, si aumentamos la distancia tenemos que aumentar la presión.

Esta ley es aplicable para campos eléctricos uniformes, es decir no sometidos a la ionización parcial o total de los gases.


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Rigidez dieléctrica de los gases.

La rigidez dieléctrica de los gases, está determinada por

- Geometría de los electrodos - Separación de los electrodos - Presión - Naturaleza del gas - Pureza del gas - Densidad del gas - Material del electrodo

1.10 El aire y el vacío como dieléctrico

La rigidez dieléctrica del aire varia también con la densidad. Variación de la rigidez dieléctrica del aire en función de la distancia entre electrodos

A los efectos eléctricos se considera alcanzado el vacío cuando la conducción y la tensión entre electrodos metálicos se ha hecho independiente de la presión del gas residual.

Aire como dieléctrico

Vacío como dieléctrico


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Se entiende que en condiciones normales, la ionización gaseosa es despreciable a presiones por debajo de 10-5 mm de mercurio.

En estas condiciones, el mecanismo de la ruptura depende de la tensión aplicada, del material, de la condición superficial de los electrodos y de la configuración de estos.

Los gases enrarecidos hasta los limites indicados anteriormente (se pueden alcanzar presiones 10-7 mm de mercurio) tienen notables propiedades aislantes.

La rigidez dieléctrica del aire enrarecido es muy elevada para pequeñas distancias interelectródicas y alcanzan valores no igualados ni con los mejores aislantes sólidos.

El valor de la tensión disruptiva aumenta cuando aumenta la distancia interelectródica como sucede con todos los materiales aislantes.

El aislamiento basado en gases enrarecido se emplea industrialmente en las válvulas electrónicas, tubos de rayos X, tubos de rayos catódicos, pequeños interruptores de mercurio, etc. La rigidez dieléctrica en vacío es mayor que la rigidez dieléctrica del aire.

1.11 Aislantes fluidos

1.11.1 Gas hexafluoruro de azufre (SF6)

Este gas es cada vez mas empleado como aislante en disyuntores de baja, media y alta

potencia, en barras de distribución de AT, en subestaciones blindadas de distribución, etc. Por sus excelentes propiedades aislantes esta sustituyendo progresivamente a los demás gases.

Es el único gas que posee reunidas las propiedades físicas, químicas y eléctricas, favorables para la extinción de los arcos eléctricos formados durante las conexiones y desconexiones de los disyuntores Se utiliza como medio aislante y refrigerante.

1.11.2 Propiedades

El SF6 gaseoso es:

* Incoloro

* Inodoro

* No tóxico

* No inflamable

* No contaminante

* Es un dieléctrico regenerativo

* Disipa rápidamente el calor generado por el arco eléctrico, reduciendo el aumento de temperatura global en el equipo.

* Gran estabilidad química ya que no ataca ( o sea no oxida) ningún material estructural a temperaturas inferiores a 500 °C, y permanece estable a temperaturas a las cuales los aceites minerales se oxidan y descomponen.

* Facilidad de extinción del arco eléctrico: el SF6 es uno de los gases mas electronegativos que existen, es decir, sus moléculas se combinan con electrones libres (suponemos provenientes de un arco eléctrico) para formar:-SF6 cargado negativamente y SF5 (iones cargados positivamente)


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A temperatura del arco eléctrico, se descompone parcialmente en fluoruros de azufre inferiores, pero el grado de descomposición es muy pequeño, debido a que la mayoría de los productos resultantes se recomponen inmediatamente para formar de nuevo el SF6.

Esto implica que el SF6, permanece intacto después de sucesivas rupturas. La pequeña cantidad de subproductos que puedan permanecer, son absorbidos por

alúmina activada dispuesta para este objeto. Durante el paso del arco se producen fluoruros metálicos, los cuales se depositan como

un polvo blanco, pero debido a que tienen una elevada rigidez dieléctrica no causan perturbación desde el punto de vista eléctrico.

* El SF6 es uno de los gases más electronegativo que existe. Sus moléculas tienen gran afinidad para los electrones libres con los cuales se combinan para formar SF6 cargado negativamente, junto con iones de pentafluoruro de azufre SF5 cargados positivamente.

* Como estos iones son pesados y prácticamente inmóviles, no actúan como portadores de corriente. Es esta cualidad excepcional del SF6 la que le da una excelente propiedad dieléctrica y también un gran poder de extinción del arco eléctrico.

* Se pueden cortar corrientes 100 veces mayores que las que se pueden cortar en el aire, bajo las mismas condiciones.

* Es el único gas que posee reunidas las propiedades físicas, químicas y eléctricas favorables para la extinción del arco eléctrico que se originan en la conexión y desconexión de los disyuntores.

* Es un compuesto químico estable y uno de los gases mas pesados. Propiedades del SF6 que representan ventajas frente al aire como dieléctrico:

a) Su densidad: es cinco (5 ) veces mayor que la del aire (a 20 °C y Patm.) b) Su coeficiente de transmisión de calor es:1,6 veces mayor que la del aire

(a 1 atm) y 25 veces mayor que la del aire (a 2 atm), esta propiedad es muy importante pues facilita una rápida disipación del calor, reduciendo el aumento global de temperatura.

c) La rigidez dieléctrica del SF6 es el doble que la del aire, CO2, N, etc. d) La tensión disruptiva : es 24 veces mayor que la tensión disruptiva del aire.

Gráfico de la tensión disruptiva del SF6 en función de la presión en comparación con N2 y aceite mineral.


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* A presión atmosférica es 30 % menor que la del aceite mineral.

* A una presión 0,65 gr/cm2 por encima de la Patm,( presión atmosférica) es igual a la del aceite.

* A 1,25 Kg/cm2 por encima de la Patm, la tensión disruptiva es 15% mayor que la del aceite.

1.11.3 Curvas comparativas de corrientes cortadas a 2,3 KV.

Para aire; mezcla aire SF6 en partes iguales y SF6 puro. Gráfico

1.11.4 Aplicación

* Aislante en disyuntores de potencia

* Barra de distribución de alta tensión

* Subestaciones blindadas de distribución de corriente

materiales aislantes

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