293611587 Monografia Disrupcion Gases Liquidos Solidos Alvarez Leonardo

TECNOLOGÍA DE ALTA TENSIÓN Leonardo Xavier Álvarez Quito

DISRUPCIÓN EN DIELÉCTRICOS LÍQUIDOS, SÓLIDOS Y GASEOSOS INTRODUCCIÓN El empleo de tensiones cada vez más elevadas, obliga al estudio de sus técnicas de generación y transmisión, así como los efectos que pueden causar en los materiales dieléctricos debido a las altas tensiones y campos eléctricos que actúan sobre ellos. Por esta razón en esta monografía m onografía se abordara el concepto de disrupción en dieléctricos desde un punto de vista amplio y global, luego se ofrece una clasificación de los tipos de descargas de scargas eléctricas, detallando los procesos y fenómenos que se dan durante las mismas y por último nos centraremos en las características y procesos fundamentales de las descargas eléctricas disruptivas. Empezaremos realizando ciertas definiciones debido a los proceso de conducción eléctrica y propiedades básicas de materiales dieléctricos.

Ionización:

Es un desbalanceamiento de cargas, cualquier fenómeno que cause este proceso se lo llama ionizador y produce un ión.

P otencial otencial de ionizaci ionización: ón:

Es la energía mínima necesaria para sacar un electrón de un átomo cuando éste se encuentra en estado gaseoso y eléctricamente neutro. Los átomos de menor potencial de ionización son de carácter metálico (pierden electrones) en tanto que los de mayor energía de ionización son de carácter no metálico (ganan electrones).

Desca Des carg rg a E léctrica: éctrica:

Fenómeno que acompaña cualquier ionización en un dieléctrico y que ocurre como resultado de la aplicación de un campo eléctrico.

Dieléctrico:

Se denomina dieléctrico al material mal conductor de electricidad, por lo que puede ser utilizado como aislante eléctrico, y además si es sometido a un campo eléctrico externo, puede establecerse en él un campo eléctrico interno, a diferencia de los materiales aislantes que suele confundirse. Todos los materiales dieléctricos son aislantes pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos.


C onsta ons tante nte dieléctri dieléctrica: ca:

Se denomina constante dieléctrica a la relación entre la capacidad de un condensador que usa usa un dieléctrico entre sus placas, y la capacidad del mismo mismo condensador empleando como dieléctrico el vacío.

Rigidez dieléctrica:

Entendemos por rigidez dieléctrica o rigidez electrostática el valor límite de la intensidad la intensidad del campo del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad aislante propiedad aislante y pasa a ser conductor. Sin conductor. Sin que el aislamiento se perforé (tensión de perforación) y el espesor del material dieléctrico; suele expresarse en kV/mm.

Ruptura dieléctrica:

es un fenómeno que se produce cuando el campo eléctrico entre dos conductores supera un valor critico Ec, haciendo saltar una chispa en el vacío o quemando el dieléctrico que pueda haber en medio, de tal manera que el dieléctrico pierde sus propiedades de material aislante convirtiéndose en un material conductor, lo cual resulta en una circulación de carga. La ruptura dieléctrica se puede producir de las siguientes maneras:



R uptura uptura electrónic electrónic a



R uptura uptura térmica térmica





El campo eléctrico provoca el aumento de la movilidad y numero de portadores. El aumento de corriente es debido al aumento de la concentración de electrones en la banda de conducción, como consecuencia de un proceso de ionización de los átomos de la red por electrones altamente acelerados debido al campo.

Se caracteriza por un aumento de temperatura del material debido a que el calor disipado por la muestra es menor que el calor producido por el efecto ef ecto joule de las corrientes de fuga fuga al aplicar el campo eléctrico. Este aumento aumento de la temperatura, aumenta la conductividad eléctrica del material y por ello la corriente, produciéndose la ruptura dieléctrica. Por ello depende del equilibrio entre la velocidad con que se genera el calor y la velocidad con la que es disipado.

R uptura uptura iónica

Por movimiento de los iones de la red bajo acción de campos fuertes aplicados.

R uptura uptura por por desc arg as de g as

El aislante suele contener burbujas de gas en su interior. El gas se ioniza primero provocando la inyección de electrones energéticos y acelerando el proceso de ruptura.


DISRUPCIÓN EN GASES Una descarga eléctrica en un medio gaseoso, es un fenómeno en el que un gas, que normalmente, no conduce la electricidad, empieza a hacerlo debido a la ionización de sus átomos, como consecuencia de la influencia de una fuente energética (de calor, de radiación o de un campo eléctrico, que provoca una diferencia de potencial entre los electrodos entre los que se sitúa el gas). La conducción eléctrica a través de este gas ionizado (en adelante, plasma) no sigue la ley de Ohm, sino que se rige por los procesos físicos elementales que se dan entre las partículas cargadas (electrones, iones, átomos y moléculas excitadas) transportadas en el plasma y producidas y absorbidas en los electrodos. Para poder realmente comprender las descargas eléctricas en gases, se deben analizar el comportamiento de dichas partículas y los procesos fundamentales que se producen en y entre dos zonas:

(1) Columna de plasma, formada por la ionización del medio gaseoso. (2) Región de los electrodos, región anódica (próxima al ánodo (+)) y región catódica (próxima al cátodo (-)), esta última, de gran importancia, ya que es donde surgen los electrones, que junto con los iones, son las partículas fundamentales en los procesos de descarga.

CLASIFICACIÓN DE LAS DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES

Fuente de ionización No Auto mantenidas / No espontaneas Auto mantenidas / Espontaneas

Ruptura del gas Parciales disruptivas


Descargas eléctricas no auto-mantenidas En este tipo de descargas, la conductividad eléctrica del gas se mantiene mediante fuentes exteriores de ionización (como son fuentes de alta temperatura o fuentes de radiación de diferentes tipos, principalmente de onda corta, como los rayos X o las radiación ultravioleta o la radiación gamma). Descargas eléctricas auto-mantenidas En este tipo de descargas, la conductividad eléctrica es mantenida por la propia descarga, sin ninguna participación de una fuente exterior de calor o radiación. En este tipo de descargas, también se dan procesos de termo ionización y fotoionización, pero no tienen su origen en fuentes externas, sino en la radiación y calor generados en la misma descarga. En este grupo se encuentran la mayoría de las descargas eléctricas usadas en las actividades laborales (luminarias, soldadura, máquinas de electroerosión) Descargas eléctricas parciales Las descargas parciales son descargas eléctricas de pequeña energía y Duración transitoria, en las que el medio gaseoso no es atravesado por Completo por la corriente, no produciéndose la ruptura del mismo.

Descargas eléctricas disruptivas Las descargas disruptivas son aquellas descargas eléctricas, en las que la corriente consigue atravesar por completo el gas que separa a los electrodos a diferente potencial. En las descargas disruptivas, el gas ionizado produce un camino que permite el paso de la corriente de un electrodo a otro.


Procesos básicos de la disrupción. Se los puede clasificar en: a) Procesos de gas: Involucran impacto de electrones, iones y fotones contra moléculas de gas. b) Procesos de electrodos: Son fenómenos que tienen lugar en la superficie de los mismos o en sus cercanías. Generación de avalancha de electrones (procesos primarios) Ionización por choque: Es el proceso más importante de la disrupción, sin que este sea suficiente para producir la disrupción. Al desplazarse una partícula de masa m con una velocidad v, por medio de un choque puede transmitir toda su energía a un átomo o partícula. Si la energía cinética es mayor a la energía de ionización se produce la ionización por choque.

Fotoionización: Un átomo es expuesto a una radiación electromagnética de frecuencia f puede ser ionizado si cumple: ℎ ∗  > ó

=∗→=



  →     ℎ →     →   

=

∗ℎ ó

Termoionización: Sustrae la energía necesaria del movimiento térmico, con una radiación de longitud de onda corta con un espectro máximo a muy altas temperaturas. Si se calienta un gas a temperaturas suficientemente altas, algunos de los átomos neutros adquirirán energía adecuada para ionizar átomos con los que se encuentran en vibración y frotamiento. La ionización térmica en la principal fuente de ionización en estallidos y arcos eléctricos. Radiaciones ondulatorias: Proceso fotoiónico que consiste en la formación de iones debido a radiaciones electromagnéticas de pequeña longitud de onda, por ejemplo: Luz ultravioleta, rayos Roentgen y rayos gamma Rayos gamma: procedentes de las sales radiactivas finamente dispersas sobre la superficie terrestre. Estos rayos no son sino oscilaciones electromagnéticas de onda muy corta y frecuencia similar a los de rayos Roentgen. Rayos cósmicos: su  es extremadamente corta, por lo que el efecto ionizante es muy intenso. Son muy penetrantes. Durante el avance del electrón se producirán colisiones contra las moléculas de gas: Colisiones elásticas: donde los electrones pierden energía Colisiones inelásticas: los electrones excitan las moléculas de gas.


Desarrollo de la descarga En la figura siguiente observamos la forma del pulso de corriente pr oducido por una avalancha que comienza con un electrón único desde el cátodo. El pulso está compuesto por una componente electrónica muy rápida, seguida por otra de iones positivos viajando lentamente hacia el cátodo. I-(t) I+(t)

d I(t)

I-(t)

I+(t) t -=d/v

-

+=d/v

+

Figura. Corriente debida a electrones e iones positivos en una avalancha i



q

v d

Función del pulso debido a los electrones I (t )  



e





v  t



 para

0  t 









Función de pulso debido a los iones positivos I (t )  

e 



d





 

v  t



 para 







t  







Donde: v-, v+ = velocidad de desplazamiento de electrones e iones -, + = tiempo de transito de electrones e iones d = longitud del gap e = carga del electrón  = primer coeficiente de ionización de Townsend  se define como: “el número de electrones liberados, por electrón incidente, por unidad de camino recorrido en dirección del campo eléctrico”. Similarmente a ,  es proporcional a E/p.


Proceso secundarios: Avalancha con sucesores El proceso primario descrito, se completa cuando los iones han entrado al cátodo. Sin embargo, se liberan electrones adicionales (secundarios) que pueden iniciar avalanchas parciales mediante los llamados “mecanismos secundarios”. Los más

importantes procesos secundarios son: 1. los iones (+), producidos por la avalancha primaria, a los que les puede faltar la energía cinética suficiente para ionizar moléculas, pero si disponen de la energía potencial necesaria para eyectar electrones al impactar contra el cátodo. [ i]. 2. Las moléculas excitadas durante la avalancha pueden emitir fotones (con longitud de onda aproximadamente igual a uv) al retornar a su estado original de energía. Esta radiación impacta al cátodo, liberando nuevos electrones por f otoemisión, que pueden originar nuevas avalanchas. [ p]. 3. Moléculas meta-estables: (con >  que la promedio) Pueden impactar al cátodo, liberando electrones. [ n]. E x

e e

x

e Atmosfera gaseosa

El paso de un medio aislante a conductor de un gas, se puede explicar en dos formas: 1. Mecanismo de Townsend (o avalancha). 2. Mecanismo de canal (plasma).

Mecanismo de disrupción de Townsend Los electrones, cuando están dentro de un campo eléctrico, se ven sometidos a fuerzas y consecuentemente son acelerados en una determinada trayectoria, pudiendo ionizar por impacto, moléculas y átomos en el medio gaseoso. La variación de la corriente entre dos electrodos de placas paralelas como función del campo eléctrico aplicado fue estudiado por Townsend, quien encontró que inicialmente la corriente crece proporcionalmente con el voltaje aplicado (dependencia lineal) y entonces permanece casi constante en un valor l0 correspondiente a la corriente fotoeléctrica producida en el cátodo por la irradiación externa de luz u.v. ( zona de saturación).


Con tensiones mayores la corriente se incrementa más rápidamente sobre el valor de Io. El incremento de la corriente después de V2, Townsend atribuyó a la ionización del gas por colisión de electrones. Si el campo crece aún más, los electrones que dejan el cátodo, por la acción de fotones, impacto de partículas meta estable u otras causas, son aceleradas progresivamente hasta adquirir suficiente energía y producir ionización en las colisiones con los átomos o moléculas del gas. Posteriormente se produce una avalancha de portadores (avalancha electrónica) que no precisa de agentes externos ionizantes y entonces a partir de Vs se presenta la descarga independiente con la característica general de la descarga por arco.

El punto de corriente que corresponde a Vd, es el límite entre las dos descargas, dependiente e independiente y está gobernada por la expresión matemática de Townsend:

Dónde: Primer y segundo coeficientes de Townsend : Distancia entre electrodos. 0 : Corriente inicial por factores ambientales.

Primer coeficiente de Townsend: se define como el número de electrones producidos por un electrón por unidad de longitud de la trayectoria en la dirección del campo.

S eg undo coeficiente de Towns end: incluye la emisión de electrones secundarios en el cátodo por el impacto de fotones y fotoionización en el propio gas. La expresión anterior da el criterio que determina la posibilidad de una descarga auto sostenida en el gas. A medida que el denominador disminuye y se aproxima a cero, la 0 aumenta hasta llegar a la corriente de encendido que da la tensión de reapertura.


Mecanismo de disrupción por canal Este mecanismo describe el desarrollo de una chispa descarga directamente a partir de una sola avalancha, en la cual la carga espacial producida por la propia avalancha lo transforma en un canal de plasma, por lo que la conductividad crece rápidamente y la disrupción ocurre en el canal de esta avalancha. Las características de este tipo de mecanismo son las siguientes:  

La existencia de una gran cantidad de fotoionización en la cabeza del canal, Un gran reforzamiento local del campo eléctrico debido a la carga espacial iónica en la punta del canal.

Los iones positivos se asumen estacionarios debido a que los electrones se mueven rápidamente. Cuando la avalancha ha cruzado el gap, los electrones son absorbidos por el ánodo, mientras que los iones positivos permanecen dentro de un volumen en forma de cono que se extiende a lo largo del gap. Se producen fotoelectrones en el gas por acción de fotones emitidos en el gas altamente ionizado, estos electrones inician avalanchas auxiliares. Los electrones de las avalanchas subsiguientes son absorbidos por la avalancha principal cuya carga espacial iónica se ha intensificado, produciéndose un canal auto propagante. x CABEZA COLA

iones (+)

e



Ley de Pashen El voltaje de ruptura en un gas es función del producto de la presión por la distancia entre electrodos, en campos homogéneos, y en general de la geometría del sistema por la presión en campos no homogéneos. Vd d>do

do

d
(b)

(a)

(pd)min pd


Analizando la figura anterior tenemos:

Parte izquierda (alto vacío)

Existen pocas moléculas de gas debido a que varios electrones atraviesan el gas sin producir avalanchas, los electrones que logran impactar a las moléculas por el largo recorrido entre choques se alejan de la energía óptima para ionizar el gas. Estas causas elevan el voltaje de disrupción.

Parte derecha (Alta presión) La alta densidad de las moléculas de gas reduce el camino libre de los electrones que entonces ganan poca energía del gas alejándose (por defecto) del valor óptimo de ionización. Las moléculas tienen una considerable probabilidad de perder energía por choques entre ellas, reduciendo la de ionización. Estos factores explican entonces la elevación del voltaje disruptivo en gases a altas presiones.

V d



24.22

293 p 760T

d  6.08

293 p 760T

d

Dónde: p = presión de Torr T = temperatura en grados K d = separación de electrodos (cm) Una de las aplicaciones prácticas de la ley, es reducir las dimensiones de los electrodos con el respectivo aumento de la presión del gas. A más de los parámetros descritos, la descarga en un gas es dependiente del tipo de tensión y condiciones ambientales como presión, temperatura, humedad, contaminación, etc. Si bien el aire es el elemento aislante universalmente utilizado, existen otros gases que presentan propiedades aislantes superiores, cuyo uso se justifica en el caso de poseer una buena regeneración después de la descarga (químicamente estables), no ser tóxicos y ser relativamente baratos. El SF6, CO2, N2 y otros han permitido el diseño y construcción de subestaciones paquete que ahorran notablemente el espacio disponible. A más de las propiedades dieléctricas estos gases son electronegativos, es decir son ávidos de electrones, característica que permite el control de pre descarga y de descargas en general.


Propiedades eléctricas del alto vacío. El vacío se usa evidentemente como DIELECTRICO, si se considera que la corriente eléctrica depende del número de partículas con carga desplazándose en el tiempo, luego la ausencia de ellas en el vacío se traducirá en hacer de éste un perfecto aislante. Esto no es real ya que la presencia de superficies metálicas, gases absorbidos, etc. hará que un voltaje suficientemente alto produzca una disrupción. Preconducción y microdescargas. La disrupción en el vacío es precedida por una corriente mesurable entre electrodos. Para gaps pequeños la corriente constante es producida por emisión de electrodos, para gaps mayores se observan pequeños pulsos de corriente llamados microdescargas que pueden existir aunque no hayan corriente constante previa, o bien superpuestos sobre ella. Un incremento adicional de voltaje transforma la microdescarga en una corriente constante. Las microdescargas se caracterizan por ser pulsos auto extinguibles. Esta auto extinción se atribuye a:  Descenso de voltaje a través de los electrodos  Eliminación de hidrógeno absorbido por los electrodos  Modificación de las capas de contaminante de los electrodos La iniciación de la microdescarga depende de V y E, factores que son afectados por la presión y tipo de gas así como por el material del ánodo y la configuración de los electrodos. La duración de las microdescargas produce un efecto de acondicionamiento de los electrodos incrementando el voltaje de iniciación de lo s pulsos. Factores que afectan al voltaje de disrupción en vacío. VOLTAJE de DISRUPCIÓN en alto vacío. Se define como aquel que un gap puede soportar indefinidamente, pero un pequeño incremento, produce la disrupción. a) S eparación de los electrodos Es importante el conocimiento de la influencia de la separación de los electrodos en el comportamiento del vacío como aislante, para pequeñas y grandes separaciones. Vd (Kv)

Vd (Kv)

voltaje de disrupción

0

700

0

500

1

250

pendiente de disrupción gap (cm)

.01

0.1

1

10

mm

0

1

2

3

4


b) A condicionamiento de los electrodos La producción de continuas descargas en el gap, consigue un acondicionamiento de los electrodos aumentando el voltaje de disrupción. También se logra con el calentamiento de los electrodos en el vacío a altas temperaturas. Fig. Efecto de acondicionamiento de los electrodos en un campo uniforme (gap 1 mm) c) Materi al y terminado de la s uperficie Los materiales usados por los investigadores varían, por lo que se presenta una tabla con los materiales más comúnmente usados para electrodos: Variación de Vd en un gap al vacío de 1 mm de longitud. Electrodos de material pulido y acondicionado por descargas. El pulido de la superficie de los electrodos ha dado efectos contradictorios, aunque se ha notado un ligero incremento en el Vd cuando el pulido ha sido largo y meticuloso.

d) Contaminación superficial. Luego del pulido  OXIDOS VAPORES ORGÁNICOS y RESIDUOS DE PULIDOS (mezcla de óxidos metálicos, metal y lija). Aceite de bombas de vacío, caucho de empaques, grasa silicónica y residuos orgánicos, disminuyen la rigidez dieléctrica en 20%. En electrodos calentados  PARTÍCULAS DE VIDRIO  reducen el Vd un 50% (con sodio, potasio, boro, rastros de aluminio y siliconas).

e) Área y configuración El incremento del área reduce considerablemente el voltaje de disrupción. Kv RADIO DE CURVATURA

100

50 A: 6.4 B: 12.2 GAP: 1mm

C: 25.4

Materia: Acero Inoxidable

D: 101.6

60

radio de curvatura 10 20

A B C

10

5

D gap (mm)

1

2

5

10

50

200

AREA DE ELECTRODOS

1000

5000

0.01

0.1

1


f) Influjo de la temperatura Pruebas efectuadas hasta los 500°C no indicaron cambios en la rigidez dieléctrica, por lo que se concluye que vapores y gases orgánicos (desprendidos a 450°-500°C) no tienen influencia. Un calentamiento sobre los 500°C. En cátodos (Fe, Ni) incrementa la rigidez dieléctrica. En ánodos, decrece la rigidez. Enfriamiento de los electrodos (T aproximadamente igual a –186°C, nitrógeno líquido) incrementa el voltaje de disrupción.

g ) Influjo de la frecuencia del voltaje aplicado Por otra parte para gaps del orden de 2 mm no se encontró dependencia del Vd en la frecuencia (frecuencia menor a 60 Hz). Kd(Kv) voltaje de impulso 80 Alterno 60

Continuo

40

20

gap (mm) 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Hipótesis de la disrupción en vacío. Estas hipótesis se pueden dividir en tres grupos: a) Las que postulan un INTERCAMBIO DE PARTÍCULAS ELEMENTALES (e-s, i(+)s, i(-)s, etc.) debidas a los procesos de emisión secundaria, ocurriendo la disrupción cuando el proceso es de carácter acumulativo. b) Las que postulan PAQUETES DE ELECTRONES, originados en asperezas superficiales del cátodo, bombardeando el ánodo. Este bombardeo, que calienta el ánodo (efecto Joule), se cree que origina elevaciones localizadas de temperatura que liberan gases a vapores y entonces la disrupción ocurre en estos gases a baja presión. c) Las que postulan el viaje a través del gap de PEQUEÑAS PARTÍCULAS del material de los electrodos, que impactan los electrodos opuestos calentándolos y liberando vapores que provocan la disrupción.


a) INTE R CA MB IO DE PAR TÍCULAS a1) Iones Pos itivos      

Un electrón fortuito en el gap Impacto en el ánodo Produce i(+)s y fotones i(-)s y fotones son acelerados al cátodo Impacto de éstos libera e(-)s secundarios Proceso multiplicativo Se cumple que: (AB+CD)>1  disrupción. Siendo A, B, C, D los coeficientes de producción de partículas con: A: # de i(+)s producidos por e (-)s incidentes B: # promedio de electrones secundarios producidos por i (+)s C: # promedio de fotones por e (-)s incidentes D: # de e(-)s secundarios por fotones

a2) Iones negativos El mismo proceso anterior, en el que los e (-)s se sustituyen por iones (-)s. (AB+QH)>  Disrupción Q: # promedio de iones negativos producido por ión (+) H: # promedio de iones positivos por ión (-)

b) HIPÓTES IS DE PAQUETE O R AYO DE ELEC TRONES b1) Calentamiento del ánodo Se ha encontrado que existe un bombardeo de electrones al ánodo ocasionando una elevación de temperatura del mismo haciendo que se liberen vapores o gases. Los electrones primarios están en forma de pequeños paquetes que impactan en varios sitios del ánodo produciéndose la disrupción cuando los gases y vapores generados se ionizan. Estos electrones primarios son generados en pequeñísimas irregularidades del electrodo en forma de aguja con longitud del orden de 2 m y una relación altura a diámetro de la base alrededor de 10.


b2) Calentamiento del cátodo Esta hipótesis considera como único origen de la disrupción, un calentamiento de las irregularidades del cátodo producido por la corriente constante de predisrupción, que en las puntas de las irregularidades alcanza altas densidades, produciendo calentamiento de éstas por efecto Joule hasta que las puntas metálicas se funden o explosionan iniciando el arco disruptivo.

-

+

c) HIPÓTESIS DE LAS MICROPARTÍCULAS DEL MATERIAL DE LOS ELECTRODOS Se basa en que pequeñísimas partículas del material de un electrodo son desprendidas, chocando con el opuesto, evaporándole y provocando la descarga. En otros casos, sucede que las partículas son residuos del material de los electrodos desprendidos o muy débilmente adheridos durante el pulido, o inclusiones debidas al pulido que impactan el electrodo opuesto, pero más bien las partículas son las que se evaporan antes que el electrodo. 3) 2) 1)

-

+ vaporización


DISRUPCIÓN EN LÍQUIDOS Los aislantes líquidos son ampliamente utilizados en equipos eléctricos tales como transformadores, cables, capacitores, interruptores, etc. Además de su función aislante, también cumple la función de medio refrigerante. Y en casos particulares sirve para la extinción de arcos eléctricos y lubricación de las partes móviles. (Interruptores de potencia)

Material aislante polar: esta caracterizado por un desequilibrio permanente de las cargas eléctricas dentro de una molécula que se denomina dipolo, que en presencia de un campo eléctrico tienden a girar. En los líquidos aislantes polares existe una libre rotación de los dipolos a ciertas temperaturas y frecuencias, por lo que esos valores de temperatura y frecuencia hacen que desaparezcan sus propiedades aislantes, provocando grandes pérdidas dieléctricas. Material aislante no polar: no existe desequilibrio permanente de carga, puesto que la molécula no puede ser distorsionada ante la aplicación de un campo eléctrico, por lo tanto no existe esa tendencia al giro. Los materiales no polares, están exentos de variación de las perdidas dieléctricas por la variación de temperatura y de la frecuencia, y cualquier variación de la constante dieléctrica o del factor de potencia, se produce gradualmente. Características de los aislantes líquidos         

Escasa tendencia a la sedimentación. Gran estabilidad química. Poca variación de su viscosidad ante diferentes valore de temperatura. Muy alta temperatura de inflamación. Muy baja temperatura de congelamiento. Casi nula absorción de humedad. Muy elevada rigidez dieléctrica. Resistividad eléctrica muy alta. Buena conductividad térmica.

Una de las principales ventajas de todos los aceites aislantes es su propiedad auto regenerativa, después de una perforación dieléctrica o de una descarga disruptiva, La mayor desventaja es que son inflamables y pueden provocar acciones químicas por arcos eléctricos o por descargas estáticas, con desprendimiento de gases combustibles que se vuelven explosivos al mezclarse con el aire. Los procesos que ocurren durante la transición de un líquido altamente aislante, hasta la disrupción, son producidos por un proceso de avalancha por colisión de electrones, (descarga electrónica). Consideremos algunos de los más importantes:


Disrupción en líquidos puros

Emisión de electrones: En la interface líquido-electrodo se pueden presentar campos eléctricos del orden de 10 5 V/cm antes de la disrupción, originándose una emisión de electrones.

Inyección de energía en el líquido : La emisión de electrones representa una inyección de energía en el líquido ya que el campo tratará de acelerarlos a través del líquido. Puesto que hay muy poca probabilidad que los electrones adquieran energías que excedan la de ionización de las moléculas del líquido (  10 eV) debe existir una transferencia de energía por colisión elástica de electrones con moléculas.

Procesos de colis ión: En hidrocarburos el principal proceso de colisión es la excitación en las uniones moleculares, con frecuencias en el infrarrojo, produciendo elevaciones localizadas de temperatura, generándose luego conducción por calor. La energía disipada en este proceso depende de la configuración molecular y la densidad del líquido.

Inyección localizada de energía: La presencia de haces o rayos de electrones, originados en el cátodo pueden producir transferencia localizada de energía con la consiguiente elevación local de temperatura hasta la evaporación, formando micro burbujas, dieléctricamente más débil que el líquido.

La ruptura se debe a la razón de crecimiento del campo eléctrico, a tal magnitud que algún electrón emitido por el cátodo en su recorrido hacia el ánodo, alcance la energía suficiente para ionizar las moléculas del líquido, provocando una avalancha de electrones de tal magnitud que produzca la ruptura.


Disrupción en líquidos comerciales Los líquidos comerciales usualmente pueden contener; en comparación con los gases licuados, un alto grado de impurezas; por ejemplo:   

gases disueltos otros líquidos (en suspensión o disueltos) impurezas sólidas

Dis rupción debida a inclus iones g as eos as Las principales causas de la formación de burbujas de gas en un líquido se pueden resumir:  

Cambios de temperatura, presión o agitación del líquido. Inclusiones gaseosas que no evacuaron cuando se llenó el líquido.

Una vez formada la burbuja de gas, tiende a alargarse debido a las fuerzas electrostáticas, hasta una longitud critica. El gas dentro de la burbuja se perfora produciendo descargas internas, que producen la descomposición de las moléculas del líquido y se produce la disrupción.


Dis rupción debida a burbujas liquidas Cuando un líquido aislante contiene en su seno una "burbuja" de otro líquido, la INESTABILIDAD de ésta en el campo eléctrico puede provocar la disrupción. Se ha previsto que también existe un reforzamiento del E. El mecanismo es similar al anterior, la burbuja de aceite tiende a alargarse hasta un valor crítico, perforándose lo suficientemente cerca entre electrodos provocando la disrupción.

burbuja inicial

m-nm

Dis rupción debida a partículas s olidas Se ha demostrado que la presencia de pequeñas partículas sólidas o fibras provoca una considerable disminución de la rigidez dieléctrica de los líquidos. Es decir son partículas con menor rigidez dieléctrica, por lo que se polariza, y mediante la aplicación de la intensidad de campo puede formar un puente entre electrodos, produciéndose la disrupción.


DISRUPCIÓN EN SÓLIDOS El proceso de disrupción de sólidos dieléctricos es mucho más complejo que el de los gases. Aunque los materiales sólidos aislantes han sido sujeto de numerosas investigaciones, ninguna teoría explica completamente el proceso de disrupción ni predice la disrupción de un aislante. Una de las principales razones para este estado de cosas es la dependencia de la disrupción de diferentes factores, incluyendo la temperatura del material, duración de la tensión aplicada, y condiciones ambientales La disrupción en los sólidos se produce por desplazamientos de iones y electrones, y los procesos de polarización son más lentos, los cuales dependen del tipo y el tiempo de tensión aplicado.

Mecanismos de la disrupción

Dis rupción intríns eca: ocurre debido al comportamiento electrónico sin

efectos ambientales o aumento de temperatura. Este proceso se cumple en períodos que están en el orden de los s, por lo que se asume que este mecanismo es de origen electrónico y debido a que el proceso depende enteramente del material, se le conoce con el nombre de intrínseco . En este proceso, el sólido aislante tiene que soportar elevadísimos valores de gradiente de potencial, por lo que los electrones ganan fácilmente energía, pudiendo vencer la banda prohibida, cuando el campo ha tomado valores críticos.

Disrupción electromecánica: Cuando, por medio de dos electrodos, se aplica un E a un dieléctrico, se ejercerá sobre él una fuerza mecánica debido a la fuerza de atracción entre las cargas superficiales por lo que al incrementar el voltaje, decrecerá el espesor del dieléctrico. Se aplica V entre electrodos El dieléctrico tiende a reducir su espesor d 0  d


Disrupción por canal En algunos casos de disrupción en los sólidos, sucede que la perforación del sólido ocurre fuera del área de contacto del electrodo, lo cual se debe a que el ambiente se perfora antes que el sólido. Si se alcanza un valor de voltaje antes que el de disrupción del dieléctrico, entonces el ambiente se fracturará primero, esto ocasiona que una descarga incide sobre el dieléctrico en el punto P, creándose en este punto una elevada concentración de esfuerzo eléctrico, suficiente para ocasionar fractura interna del sólido, produciéndose luego la disrupción a través de esta fisura.

d1

d2

V

V

ELECTRODO

P

1



2

2



1

FE

perforación debida a descarga del ambiente

LAMINA DIELECTRICA

ELECTRODO

Disrupción térmica El origen de la disrupción térmica está determinado por el calor generado en un aislante sujeto a un campo eléctrico, debidas a las pérdidas dieléctricas del aislante. Donde  es la conductividad del material El calor generado y consecuentemente la temperatura, se elevará al incrementarse las pérdidas dieléctricas. CALOR

E2 E1

calor disipado (Ley de Newton)

CALOR GENERADO

T A

TB

T de la muestra


En el campo E1, no ocurrirá inestabilidad si la temperatura de la muestra no excede T B, consecuentemente no habrá disrupción en el aislante, es decir que entre los puntos T A y TB (límites de inestabilidad crítica) el equipo puede trabajar adecuadamente ya que la capacidad de disrupción del aislante es mayor que el calor generado por la muestra. Para el campo E2, el calor producido por la muestra es mayor que lo que el equipo puede disipar, por lo que la disrupción térmica, consecuencia de la inestabilidad, se producirá en cualquier momento.

Disrupción por descargas internas Por descargas internas se conocen aquellas que ocurren en vacíos o cavidades dentro de un dieléctrico sólido. Se originan por disrupción de un medio local , usualmente un gas, que tiene una rigidez dieléctrica menor a la del medio que lo rodea. .) o ci D. rt c

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Electromecánica (TIPOS DE DISRUPCION)

Proceso de canal

Térmico

Internas Tipico de Esfirzo Eléctrico Disruptivo Típico de Operación (E.E.D.T.O.)

Erosión Químico Electroquímico Surco

operación

t Vs

seg

años

Electroquímico


CONCLUSIONES Mediante este trabajo se analizo la disrupción en dieléctricos desde un punto de vista amplio y global, se profundizo en la clasificación de los tipos de descargas eléctricas detallando los procesos y fenómenos que se dan durante las mismas, además en las características y procesos fundamentales de las descargas eléctricas disruptivas. Una descarga eléctrica en un medio gaseoso, es un fenómeno en el que un gas, que normalmente, no conduce la electricidad, empieza a hacerlo debido a la ionización de sus átomos, como consecuencia de la influencia de una fuente energética (de calor, de radiación o de un campo eléctrico, que provoca una diferencia de potencial entre los electrodos entre los que se sitúa el gas).

Este medio gaseoso se puede encontrar en alto vacío o alta presión, por lo que se necesitara de un campo eléctrico mayor para producir la disrupción, esto es debido a la densidad del gas, es decir en alto vacío las moléculas se encontraran muy lejanas entre sí, por lo cual la ionización por impacto es menos probable. En gases a alta presión la densidad del gas es mucho mayor por lo que se reduce el camino libre de los electrones que entonces ganan poca energía del gas alejándose (por defecto) del valor óptimo de ionización. La descarga en líquidos se puede dar por impacto de moléculas ionizadas, las cuales formaran una avalancha y se producirá la disrupción, esto es en líquidos puros. La descarga en líquidos con impurezas, ya sean de gases, liquidas y sólidas, se debe a que la impureza posee una rigidez dieléctrica menor que la del gas, lo cual producirá un alargamiento de la burbuja (gas o liquida) o una concentración de campo en partículas sólidas, esto creara un puente entre electrodos produciéndose así la disrupción. Las descargas en sólidos es más compleja debido a que la disrupción en los sólidos se produce por desplazamientos de iones y electrones, y los procesos de polarización son más lentos, los cuales dependen del tipo y el tiempo de tensión aplicado, incluyendo la temperatura y condiciones ambientales.

BIBLIOGRAFÍA http://www.tecnun.es/asignaturas/PFM_Mat/Prog/Dielecv2.pdf  David Lopez del Moral Hdez; MEMORIA DEL PFC_  Ing. Hernando Merchán Manzano; Alta tensión 2012.pdf  http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/70196/fichero/Capitulo3%252Fcapitul o3.pdf  http://www.tecnun.es/asignaturas/PFM_Mat/Prog/Dielecv2.pdf 

293611587 Monografia Disrupcion Gases Liquidos Solidos Alvarez Leonardo

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