Aislantes Solidos

TECNICAS DE AL ALT TA TENSION

Contenido DIELECTRICOS DIELECTRICOS SOLIDOS..................................... SOLIDOS........................................................................... ................................................ .......... 3 INTRODUCCION..................... INTRODUCCION......................................... ....................................... ....................................... ....................................... ................... 4 AISLANTES SOLIDOS............................ SOLIDOS............................................... ....................................... ...................................... ........................ ...... 5 1 EL CAUCHO.... CAUCHO........... .............. ............. ............. .............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ............. .............. .................... ...................6 ......6 2 Caucho Natural..... Natural............ ............. ............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ............. .............. ........................... .............................7 .........7 3 Caucho Sintéti Sintético.... co........... .............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ............. .............. ............. ............... ............................8 ...................8 4 EBONIAS EBONIAS....... ............. ............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ................ ...........................8 .................8 ! "A"EL..................................................... "A"EL............................................................................................................ .................................................................... ..............# .# 6 "a$%l no i&$r%'na(o.... i&$r%'na(o.......... ............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ............. .............. ............. ............. ................... ..............11 ..11 7 "a$%l I&$r%'na(o........ I&$r%'na(o.............. ............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ............. ...............1 ........111 8 "rinci$al%) "rinci$al%) i$o) i$o) (% "a$%l%) Ai)lant%) Ai)lant%)....... .............. .............. ............. ............. .............. .................... .............................12 ................12 # *IB+AS....... *IB+AS............. ............. .............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ............. .............. ............. ............. .............. .............. ............... ..........12 ..12 , -%'%tal........................................................................................................................12 , Ani&al.........................................................................................................................13 , in%ral........................................................................................................................13 , Arti/icial0.....................................................................................................................13 1 +ESINAS...... +ESINAS............ ............. .............. .............. ............. ............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ............................ .........................14 ...14 11 "E+*O+ACIN "E+*O+ACIN EN SLIOS....... SLIOS............. ............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ......................1! ................1! 12 +U"U+A +U"U+A IN+NSECA... IN+NSECA......... ............. .............. .............. ............. ............. .............. ............. ............. .............. .............. ...............16 ........16 13 +U"U+A +U"U+A IN+NSECA... IN+NSECA......... ............. .............. .............. ............. ............. .............. ............. ............. .............. .............. ...............17 ........17 14 I"OS E +U"U+A +U"U+A IN+NSECA... IN+NSECA.......... .............. ............. ............. .............. .................. .............................17 ..................17 +u$tura El%ctr5nica.......................................................... El%ctr5nica............................................................................. ........................... ............... .......17 17    

1!   

16

+u$tura $or aalancha o $or )tr%a&%r...................................... )tr%a&%r....................................................... ......................... .........18 .18 +U"U+A ELEC+OECNICA....................................................... ELEC+OECNICA..................................................................1# ...........1# +U"U+A +ICA........................................................................ +ICA.................................................................................. ...............2 .....2 +U"U+A +U"U+A E SLIOS SLIOS EN LA "+CICA..... "+CICA............ .............. ............. ............. ....................... ....................21 ....21 +U"U+A 9 EE+IO+ACIN :UICA 9 ELEC+O:UICA....... ELEC+O:UICA.... ...... ...22 22 +U"U+A EBIO A *ISU+ACIN 9 +AI*ICACIN ;+EEIN<=.......22 ;+EEIN<=...... .22 +U"U+A EBIO A ESCA+

17 18 1# 2 21  

22 23 24

IELC+ICOS IELC+ICOS NO HOO<NEOS. HOO<NEOS....... ............. .............. .............. ............. ............. .............. ............. ................28 ..........28 CO"O+ CO"O+AIENO AIENO +ICO..... +ICO........... ............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ....................2# ..............2# "E+*O+ACIN "E+*O+ACIN E+OELC E+OELC+ICA.. +ICA......... .............. ............. ............. .............. .................... ...........................34 ..............34 "+UEBAS E CA"ACIA CA"ACIANCIA NCIA A LOS AE+IALES AE+IALES ELEACIN................................................. "OLA+I>ACIN......................................................... ................ ...........43 ...43 EL NICE E ABSO+CIN IELC+ICA.............................................. IELC+ICA................................................4! ..4! +ESUL +ESULAO AOS S E LA "+UEBAS "+UEBAS HECHAS HECHAS A LAS UES+AS....... UES+AS....................4! .............4! CONCLUSIONES. CONCLUSIONES........ .............. ............. ............. .............. .............. ............. ............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. .........!! ...!! BIBLIO<+A*IA. BIBLIO<+A*IA........ ............. ............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ............. .............. .............. ............. ..................!7 ............!7

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DIELECTRICOS SOLIDOS

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TECNICAS DE ALTA TENSION

INTRODUCCION

Existen una gran variedad de materiaes no !ondu!tores de a ee!tri!idad "ue Página 4


son usados diariamente en m#ti$es % diversas a$i!a!iones !otidianas& %a sea !omo aisantes 'evitan a !ir!ua!i(n de !orriente e)!tri!a* o !omo die)!tri!os 'modi+!an e vaor de un !am$o e)!tri!o*.

AISLANTES SOLIDOS Un materia $uede ser des!rito !omo !ondu!tor& semi!ondu!tor o aisante 'die)!tri!o*& de$endiendo de sus ,andas de vaen!ia % de !ondu!!i(n& a $ro,a,iidad de "ue os ee!trones se sit#en en a ,anda de !ondu!!i(n o "ue -avore!e a !ondu!!i(n de ee!trones de materia. En os materiaes aisantes o die)!tri!os os ee!trones de a ,anda de vaen!ia se en!uentran se$arados de a ,anda de !ondu!!i(n $or una ,arrera de $oten!ia 'ga$ de energa* "ue se esta,e!e entre )sas ,andas "ue di+!uta a transi!i(n de ee!trones i,res !a$a!es de !ondu!ir a ee!tri!idad a trav)s de materia. Un materia aisante de a ee!tri!idad tiene una resisten!ia (/mi!a te(ri!amente in+nita. Un aisante $er-e!to $ara a$i!a!iones e)!tri!as de,e de ser un materia a,soutamente no !ondu!tor& $ero )ste no existe. Los materiaes em$eados !omo aisantes siem$re !ondu!en ago a ee!tri!idad % $resentan una resisten!ia a $aso de !orriente e)!tri!a /asta 0&5 1 204 ve!es ma%or "ue a de os ,uenos !ondu!tores e)!tri!os !omo a $ata % e !o,re. Estos materiaes !ondu!tores Página 5


tienen un gran n#mero de ee!trones i,res 'ee!trones no estre!/amente igados a os n#!eos* "ue $ueden trans$ortar a !orriente os ,uenos aisantes a$enas $oseen estos ee!trones. Agunos materiaes& !omo e sii!io o e germanio& "ue tienen un n#mero imitado de ee!trones i,res& se !om$ortan !omo semi!ondu!tores& % son a materia ,si!a de os transistores. Una !ara!tersti!a de os materiaes s(idos es "ue no se existe una regenera!i(n de die)!tri!o des$u)s de su ru$tura $or tensi(n e)!tri!a& tam$o!o una renova!i(n !onstante de die)!tri!o& !omo es e !aso de os aisamientos -ormados de aire % !on !ierta imita!i(n& en aisamientos "uidos % gaseosos !on+nados. Lo anterior indi!a "ue $ara un materia die)!tri!o s(ido& una ve6 o!urra a ru$tura& "uedar i,re e !amino& $or donde a un nive de tensi(n in-erior "ue a $rimera ve6& se $resentar de nuevo e ar!o $or e interior de aisante.

1 EL CAUCHO La gran di-usi(n de caucho !omo aislan! !l"c#ico es de,ida a a !om,ina!i(n de sus ,uenas !uaidades $i!l"c#icas % me!ni!as $ara usos !orrientes& !on !ara!tersti!as $e!uiares !omo a 7exi,iidad& a $osi,iidad de so$ortar nota,es de-orma!iones sin rom$erse& ad"uiriendo otra ve6 a -orma $rimitiva& a resisten!ia a a a,rasi(n& et!. E !au!/o sint)ti!o o-re!e tam,i)n a $osi,iidad de resisten!ia a a a!!i(n de Página %


os a!eites& de o6ono % de as tem$eraturas eevadas.

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2 Caucho Nau#al

A a me6!a se a8aden sustan!ias de reeno& agunas de as !uaes& !omo e negro de /umo& !on+eren !ara!tersti!as es$e!iaes a os $rodu!tos terminados 'resisten!ia a a a,rasi(n& et!.*& mientras a ma%or $arte son materiaes inertes 'ta!o& %eso& !aon*. Las me6!as ado$tadas $ara e aisamiento de !a,es e)!tri!os !ontienen una !antidad mnima de reeno& "ue en otras a$i!a!iones a!an6a /asta e 9:. Las $ro$iedades e)!tri!as de as me6!as resutan intermedias entre as de goma vu!ani6ada % as de sustan!ias de reeno. La !onstante die)!tri!a tiene un vaor $r(ximo a er;0&5 e -a!tor de $oten!ia de 4&5:& % a resistividad de masa en torno a 2&25 <=dm& re+ri)ndose a a goma vu!ani6ada. Los men!ionados vaores resutan du$i!ados o tri$i!ados $ara a !onstante die)!tri!a de una me6!a& mientras e -a!tor de $oten!ia $uede egar a ser 9 o 2 ve!es ma%or. La resistividad no $resenta varia!iones nota,es.

3 Caucho Sin"ico

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E $rimer ti$o de !au!/o sint)ti!o -ue e !om$uesto estiro>,utadieno '?unas* "ue tiene as !ara!tersti!as $r!ti!amente iguaes a as de caucho nau#al % se trata de -orma anoga $ara a $rodu!!i(n de o,@etos. Otros ti$os de !au!/o sint)ti!o ado$tados !omo die)!tri!os son e iso$rano>,utieno '?utigoma*& e $oi!oro$reno 'Neo$reno .C..* % a goma de sii!ona 'Siasti!*. Todos estos !au!/os sint)ti!os se vu!ani6an& os dos $rimeros !on a6u-re& os otros !on (xidos meti!os. La !onstante die)!tri!a $ara todos os ti$os de !au!/o os!ia entre os mites %a men!ionados $ara e !au!/o natura. E -a!tor de $oten!ia de a ,utigoma % de !au!/o de sii!ona resuta a$roximadamente una d)!ima $arte de !orres$ondiente a !au!/o natura. E caucho $! silicona $resenta una eevada /idroBre$usi(n su$er+!ia& siendo mu% resistente a ata"ue de o6ono % $udi)ndose tra,a@ar& $or !onsiguiente& en $resen!ia de e7uvios 'e-e!to !orona*. No in7ama,e % !on !eni6as no !ondu!toras es ade!uado $ara e aisamiento de !ondu!tores& $ara e a@ustado de !ondensadores % trans-ormadores % $ara e en!a$suado en -ro de dis$ositivos ee!tr(ni!os.

4 E(ONITAS Aumentando e tanto $or !iento de a6u-re introdu!ido en a me6!a de !au!/o& se o,tienen una serie de gomas !on dure6a !ada ve6 !re!iente es de!ir& distintas !ases de !)onias. Es ne!esario& sin em,argo& un ma%or tiem$o de vu!ani6a!i(n& o sea& !aentamiento de a masa& e !ua de,e !ontroarse !uidadosamente& $ues de otra -orma se $rodu!iran so$aduras 'Cada una de as !avidades enas de gases o!uidos durante a soidi+!a!i(n de una masa de meta -undido*.

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La !)onia !ontiene $or t)rmino medio un 30: de a6u-re. Este die)!tri!o $osee ,uenas !uaidades e)!tri!as % me!ni!as % era mu% ade!uado $ara e estam$ado de so$ortes me!ni!os aisantes& de $an!/as& % dada su eevada resisten!ia a os (xidos& !omo re!i$iente de a!umuadores trans$orta,es. ara e estam$ado se em$ea tam,i)n $ovo de e,onita "ue es tratado a tem$eraturas eevadas& ta !omo as resinas sint)ti!as. ara o,tener as me@ores !ara!tersti!as e)!tri!as se introdu!en sustan!ias de reeno& !omo e !uar6o o a mi!a& +namente $uveri6ados.

5 PAPEL E +a+!l es uno de os materiaes mas usados !omo aislan! o $i!l"c#ico& su im$ortan!ia se deriva de sus nota,es !uaidades intrnse!as % su ,a@o $re!io& su $rin!i$a desventa@a reside en "ue generamente& de,e ser im$regnado. En !a,es& as venta@as "ue o-re!e son tem$eratura de tra,a@o reativamente eevada '/asta os  C* a "ue es a$re!ia,emente mas eevada "ue $ara a goma as ,a@as +"#$i$as $i!l"c#icas % a ata rigide6 die)!tri!a. Se $ueden utii6ar

, Si-+l!-!n! s!ca$os estn aisados as os !a,es ,a@o $omo em$eados en as neas tee-(ni!as. , I-+#!gna$os !on a!eite minera& o !on a!eite minera % !oo-onia& % $rotegido !on vaina de $omo& generamente usados $ara a distri,u!i(n de energa e)!tri!a en mediana % ,a@a tensi(n.

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Es usado en ca+acio#!s '$ara este uso e $a$e es se!ado % tratado !on $ara+na o !era& o ,ien se im$regna a va!o !on a!eites mineraes o sint)ti!os*. Tam,i)n es usado en -orma de estrati+!ados 'dis$uestos en !a$as su$er$uestas o estratos* en $an!/as o tu,os -a,ri!ados mediante resinas sint)ti!as o goma a!a.

E $a$e est !onstituido $or +,ra de !euosa 'CFG2O3*n eemento esen!ia de a estru!tura de a !euosa vegeta. En estado $uro se $resenta !omo una masa ,an!a& amor-a 'e $a$e de +,ra de ino& sometido a un $ro!eso de ,an"ueado % no en!oado& $uede !onsiderarse $r!ti!amente !omo !euosa $ura*. E $a$e mas +no es usado $ara ea,orar !a$a!itores& se o /a!e tan +no !omo es $osi,e& siem$re !om$ati,e !on as ,uenas $ro$iedades de aisa!i(n e)!tri!a. Es usua a$i!ar varias !a$as de $a$e % raramente una soa& $ara "ue a $resen!ia de $e"ue8as $art!uas !ondu!toras no tengan mu!/a im$ortan!ia. E $a$e de !a$a!itores se ea,ora !on es$esores desde &5mm a 2mm. A os e-e!tos de "ue no "ueden es$a!ios va!os en as estru!turas de $a$e $ara !a$a!itor )ste se ea,ora !on +,ras !ortas as "ue a su ve6 aseguran gran im$ermea,iidad. or su $arte a resisten!ia a a tra!!i(n es ,a@a $ero su+!iente $ara so$ortar as tareas re"ueridas& o sea e arroado so,re -ormas !indri!as a ata veo!idad. Página 11


E $a$e $ara !a,es es resistente % se usa en a aisa!i(n de !a,es de ata % media tensi(n& de trans-ormadores& ,o,inas& et!.

% Pa+!l no i-+#!gna$o Las $ro$iedades e)!tri!as de $a$e no im$regnado no son mu% im$ortantes. E +a+!l no i-+#!gna$o tiene una ,a@a rigide6 die)!tri!a& soamente unas $o!as ve!es ma%or "ue a de una $e!ua de aire de mismo es$esor. Esto es !om$rensi,e dado "ue en un $a$e de gran densidad '2&2 a 2&0grH!m3* $or o menos e 0: de voumen de $a$e es o!u$ado $or !anaes de aire& % !on un $a$e de densidad media '&grH!m3* e $or!enta@e de aire es de arededor de 5:. Esta rigide6 se $uede estimar entre F % 22JHmm 'vaor e+!a6*. La consan! $i!l"c#ica reativa de a !euosa $ura es de arededor de Kr;F&5 % de a -i,ra de $a$e a$roximadamente Kr;5&5. La !onstante die)!tri!a de un $a$e aumenta !on e aumento de !ontenido de /umedad& aumenta igeramente !on a tem$eratura % disminu%e igeramente !on a -re!uen!ia. Tiene una gran de$enden!ia !on a densidad& $ara densidades entre &F a 2&20grH!m3a !onstante die)!tri!a vara de Kr;2& a Kr;3&0. Ga% gran divergen!ia entre os vaores se8aados $or os distintos -a,ri!antes& de,ido no soamente $or e uso de di-erentes t)!ni!as de medida& sino tam,i)n $or di-eren!ias en -re!uen!ia& tem$eratura % $rin!i$amente !ontenido de /umedad& a !ua en e !aso de $a$e es extremadamente di-!i de de+nir % medir.

& Pa+!l I-+#!gna$o No es $osi,e dar detaes !om$etos de as !ara!tersti!as die)!tri!as de +a+!l i-+#!gna$o sin es$e!i+!ar !om$etamente e ti$o de im$regnante& !onstru!!i(n de aisante& et!. Con un ,uen im$regnante se o,tienen mu% atas resistividades 'en !orriente !ontinua*. En e !aso de $a$e $ara-inado es 2 T=!m& % en e !aso de $a$e im$regnado $ara !a,es se tienen vaores de 3 a 5 MB!m. Página 12


Aun"ue esto disminu%e 2 ve!es a 2C de tem$eratura % /a% una $e"ue8a disminu!i(n a aumentar e gradiente de $oten!ia. La #igi$!/ $i!l"c#ica $!l +a+!l de uso e)!tri!o im$regnado en sus -ormas !omer!iaes es in7uen!iada $or -a!tores taes !omo $resi(n de ee!trodos& ti$os de ee!trodos& $resen!ia de !avidades gaseosas& et!. En os ,uenos $a$ees $ara !a,es se o,tienen generamente vaores de rigide6 de 0JHmm. La !onstante die)!tri!a vara seg#n a sustan!ia utii6ada en a im$regna!i(n& vaores normaes son Kr;0&5 a Kr;3&5.

' P#inci+al!s Ti+os $! Pa+!l!s Aislan!s a* Pa+!l 0#a O,tenido de $asta "umi!a de madera& en es$esores desde &5 a &25mm. Cuando es mu% satinado se denomina Ex$ress. Se em$ea !omo aisante en !a$as % $ara a -a,ri!a!i(n de aminados -en(i!os 'resinas -en(i!as*. ,* Pa+!l +a#a ca+acio#!s '$a$e Tis*. Se o,tiene de $u$as de madera % +,ras de agod(n& en es$esores de /asta &23mm. Su $ure6a de,e ser mxima.

!* Pa+!l anila Ge!/o !on +,ra de !8amo en es$esores de &5 a &2mm. Se denominan $a$e 2:Mania. Tam,i)n existen $a$ees !on F:Mania> 4:ra-t o 5:Mania>5:ra-t. d* Ca#n P#!ss+an Se o,tiene de $asta "umi!a de madera. Es un materia mu% denso % su rigide6 die)!tri!a es de FJHmm. ?arni6ado se ogra 9JHmm. Se tiene en es$esores de /asta 2&5 o 0mm. e* Ca#n P#!s)oa#$ De $asta de madera % +,ra de agod(n su rigide6 vara de a!uerdo a os es$esores& normamente es de orden de 22JHmm. Se tiene en es$esores de &0 a 20mm. A$to $ara im$regna!i(n en a!eite.

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-* Pa+!l 6a+on"s Ge!/o !on $u$a de a morera& es un $a$e +nsimo % se em$ea $rin!i$amente !omo so$orte en a -a,ri!a!i(n de $a$e mi!ro> $a$e.

* 7I(RAS

Con esta denomina!i(n se !ono!en os productos fbrosos de diversos orgenes "ue $ueden trans-ormarse en /ios % teas em$eados !omo materiaes no !ondu!tores $i!l"c#icos& estos $rodu!tos se distinguen $or agunas de as $ro$iedades de as 8)#as "ue os !om$onen& taes !omo a ongitud& a +ne6a& a resisten!ia me!ni!a& a 7exi,iidad& et!. ueden ser de diversos orgenes

, 9!g!al De agod(n de a semia o -ruto de a $anta de ino& !8amo& %ute de tao o !orte6a de a $anta. , Ani-al De seda $rodu!to de se!re!i(n de gusano de mismo nom,re. , in!#al De amianto. , A#i8cial De vidrio % de $rodu!tos de materiaes $sti!os.

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A !omien6o de su em$eo& soamente se dis$ona de as 8)#as nau#al!s % as ms em$eadas $ara usos e)!tri!os -ueron as sedas !uando se re"uera un ,uen aislan! % e algodón !uando se ne!esita,a un re!u,rimiento de !osto redu!ido. ero !on e desarroo de as +,ras arti+!iaes& e rango de dis$oni,iidad de estos materiaes se -ue in!rementando enormemente.

Todos os -a!#ial!s 8)#osos son higroscópicos 'tienden a a,sor,er a /umedad de am,iente*& %a sean de origen vegeta& anima o minera& seg#n as !ondi!iones am,ientes de /umedad % tem$eratura& !ontienen siem$re un !ierto $or!enta@e de /umedad. La resisten!ia a a tra!!i(n de as 8)#as !:il!s % de os $rodu!tos manu-a!turados !on eas& adems de a naturae6a de materia de$ende de os $ro!esos de -a,ri!a!i(n& /umedad % tem$eratura. Resutan tam,i)n im$ortantes en os /ios& a reguaridad % e grado de torsi(n en as teas& a resisten!ia a desgaste& e n#mero de /ios $or unidad de ongitud& e $oder a,sor,ente& a $orosidad& et!. E ttuo de un /iado re$resenta a rea!i(n de su ongitud>$eso en genera& % $ara a seda % e ra%(n a inversa& es de!ir a rea!i(n $eso>ongitud. Las !las $! algo$n& ,arni6adas o im$regnadas& tienen es$esores de &205 a &3mm& !on #igi$!/ $i!l"c#ica de 2F a 4JHmm& seg#n e ti$o de tea % de Página 15


,arni6& e es$esor& e tiem$o de soi!ita!i(n& et!. La s!$a )a#ni/a$a o i-+#!gna$a $osee adems de una elevada rigidez & una extrema 7exi,iidad % es usada donde sea ne!esario un $e"ue8o es$esor de aisante. Se a em$ea en es$esores de &9 a &25mm % a rigide6 $uede egar a os 5JHmm. Las !intas o tiras se !ortan de a tea en sentido dire!to& o en diagona !on res$e!to a a trama de te@ido. Se re"uieren !intas !on trama diagona !uando se desea en!intar !on gran reguaridad % ad/eren!ia& su$er+!ies !om$i!adas. Son tam,i)n mu% di-undidas as !intas de agod(n engomadas& de gran ad/eren!ia '!intas aisadoras*. Las normas IRAM 03  es$e!i+!an sus $rin!i$aes !ondi!iones o !ara!tersti!as.

1.

RESINAS

La #!sina es una se!re!i(n orgni!a "ue $rodu!en mu!/as $antas& $arti!uarmente os r,oes de ti$o !on-era. Es mu% vaorada $or sus $ro$iedades "umi!as % sus usos aso!iados& !omo $or e@em$o a $rodu!!i(n de ,arni!es& ad/esivos % aditivos aimenti!ios. Las #!sinas $ueden ser naturales & artifciales o sint)ti!as.

11

PER7ORACI;N EN S;LIDOS Página 1%


Los aisantes s(idos se em$ean& adems de !um$ir una -un!i(n aisante& $ara una -un!i(n me!ni!a& !omo $uede ser a sus$ensi(n de un !ondu!tor !omo es e !aso de una !adena de aisadores PQ. La ex$erimenta!i(n de a ru$tura de rigide6 die)!tri!a en s(idos tiene una gran di+!utad $r!ti!a -re!uentemente a rigide6 de s(ido es su$erior a a de aire % a a$i!ar a $rimero una di-eren!ia de $oten!ia& $uede "ue a ru$tura o!urra a trav)s de aire !ir!undante& o "ue eva a tomar medidas extras !omo anios de regua!i(n o a inmersi(n de s(ido en a!eite& o un die)!tri!o su$erior. Existen teoras a!er!a de a ru$tura en s(idos "ue /an en!ontrado am$ia a!e$ta!i(n $r!ti!a& os me!anismos de ru$tura e)!tri!a en s(idos se $ueden !asi+!ar de a!uerdo a a igura 0.2 en



+u$tura intr?n)%ca o i5nica

 +u$tura 

%l%ctro&%c@nica

*alla) (%i(o a aror%)c%ncia) o ra)tr%o

 +u$tura

tér&ica

 +u$tura

%l%ctrou?&ica



+u$tura (%i(o a (%)car'a) $arcial%).

Página 1&


A !ontinua!i(n se des!ri,en un $o!o ms a detae !ada uno de estos me!anismos.

12

RUPTURA INTR
En die)!tri!os s(idos& atamente $uros '/omog)neos* % sin im$er-e!!iones& a rigide6 die)!tri!a es mu% ata& de orden de 2 MJH!m. La rigide6 die)!tri!a de un materia s(ido o,tenida ,a@o !ondi!iones !uidadosamente !ontroadas es !ono!ida !omo rigide6 intrnse!a de materia die)!tri!o. Los materiaes aisantes s(idos usuamente -aan a tensiones mu% $or de,a@o de a ru$tura intrnse!a usuamente de,ido a aguna de as siguientes men!ionada anteriormente. Cuando se a$i!an una tensi(n $or un $eriodo mu% !orto& de orden de 2B9 s& a rigide6 die)!tri!a de un s(ido in!rementa a un vaor !onsidera,emente ato& !ono!ido !omo rigide6 e)!tri!a intrnse!a. La ru$tura intrnse!a de$ende& a igua "ue en os gases& de a $resen!ia de ee!trones i,res "ue sean !a$a!es de des$a6arse a trav)s de a !eosa de die)!tri!o. En s(idos usuamente existen $o!os ee!trones i,res en un die)!tri!o s(ido& @unto !on im$er-e!!iones estru!turaes % una $e"ue8a !antidad Página 1'


de im$ure6as. Los tomos o mo)!uas de as im$ure6as a!t#an !omo tram$as de os ee!trones de !ondu!!i(n& $ero soo /asta !ierto nive de !am$o e)!tri!o o tem$eratura. Cuando os rangos $ermisi,es son ex!edidos& ee!trones adi!ionaes @unto !on os ee!trones atra$ados en as im$er-e!!iones son i,erados& dando origen a un $ro!eso de !ondu!!i(n PQ.

13

RUPTURA INTR
En die)!tri!os s(idos& atamente $uros '/omog)neos* % sin im$er-e!!iones& a rigide6 die)!tri!a es mu% ata& de orden de 2 MJH!m. La rigide6 die)!tri!a de un materia s(ido o,tenida ,a@o !ondi!iones !uidadosamente !ontroadas es !ono!ida !omo rigide6 intrnse!a de materia die)!tri!o. Los materiaes aisantes s(idos usuamente -aan a tensiones mu% $or de,a@o de a ru$tura intrnse!a usuamente de,ido a aguna de as siguientes men!ionada anteriormente. Cuando se a$i!an una tensi(n $or un $eriodo mu% !orto& de orden de 2B9 s& a rigide6 die)!tri!a de un s(ido in!rementa a un vaor !onsidera,emente ato& !ono!ido !omo rigide6 e)!tri!a intrnse!a. La ru$tura intrnse!a de$ende& a igua "ue en os gases& de a $resen!ia de ee!trones i,res "ue sean !a$a!es de des$a6arse a trav)s de a !eosa de die)!tri!o. En s(idos usuamente existen $o!os ee!trones i,res en un die)!tri!o s(ido& @unto !on im$er-e!!iones estru!turaes % una $e"ue8a !antidad de im$ure6as. Los tomos o mo)!uas de as im$ure6as a!t#an !omo tram$as de os ee!trones de !ondu!!i(n& $ero soo /asta !ierto nive de !am$o e)!tri!o o tem$eratura. Cuando os rangos $ermisi,es son ex!edidos& ee!trones adi!ionaes @unto !on os ee!trones atra$ados en as im$er-e!!iones son i,erados& dando origen a un $ro!eso de !ondu!!i(n PQ.

14 

TIPOS DE RUPTURA INTR
Ru+u#a El!c#nica

En este !aso a densidad de ee!trones i,res de,e de ser grande $ara "ue un me!anismo de !oisi(n ee!tr(n B ee!tr(n $ueda o!urrir. Cuando un !am$o Página 1*


e)!tri!o intenso es a$i!ado a die)!tri!o soido& os ee!trones de !ondu!!i(n 'i,res* ganan energa de !am$o e)!tri!o % atraviesan a ,anda de energa $ro/i,ida de vaen!ia /a!ia a ,anda de !ondu!!i(n. A medida "ue este $ro!eso se re$ite& ms % ms ee!trones se vueven dis$oni,es en a ,anda de !ondu!!i(n % eventuamente evan a a ru$tura PQ. 

Ru+u#a +o# a=alancha o +o# s#!a-!#

Simiar "ue en e !aso de ru$tura en gases este ti$o de ru$tura se da $or a a!umua!i(n de $ro!esos de ioni6a!i(n. Cuando os ee!trones i,res ganan su+!iente energa $ueden egar a i,erar& $or !oisi(n& ee!trones i,res de a !eosa de tomos. En un !am$o uni-orme& !on os ee!trodos em,e,idos en e materia die)!tri!o& a ru$tura o!urrir !uando a avaan!/a ee!tr(ni!a $uente os ee!trodos. ara esto es ne!esario "ue a avaan!/a a!an!e un !ierto tama8o !rti!o. En a $r!ti!a a ru$tura $or este ti$o de me!anismo no o!urre $or una soo avaan!/a& si no "ue o!urre $or a -orma!i(n de avaan!/as su!esivas dentro de die)!tri!o "ue se van extendiendo a $asos a trav)s de todo e materia !omo se muestra en a igura 0.0.

Página 2.


7igu#a 2>2 Ru$tura $or avaan!/a PQ.

En die)!tri!os s(idos& atamente $uros '/omog)neos* % sin im$er-e!!iones& a rigide6 die)!tri!a es mu% ata& de orden de 2 MJH!m. La rigide6 die)!tri!a de un materia s(ido o,tenida ,a@o !ondi!iones !uidadosamente !ontroadas es !ono!ida !omo rigide6 intrnse!a de materia die)!tri!o. Los materiaes aisantes s(idos usuamente -aan a tensiones mu% $or de,a@o de a ru$tura intrnse!a usuamente de,ido a aguna de as siguientes !ausas •

Ru$tura ee!troBme!ni!a

•

Ru$tura de,ida a des!argas internas 'des!argas $ar!iaes*

•

Ru$tura su$er+!ia 'tra!ing and erosi(n*

•

Ru$tura t)rmi!a

•

Ru$tura ee!troB"umi!a

•

Deterioro "umi!o



RUPTURA ELECTROEC?NICA

Se de,e a -uer6as de !om$resi(n ee!trostti!as "ue re,asan a rigide6 de !om$resi(n me!ni!a de materia. En !ondi!iones de e"uii,rio

Página 21


Con a ausen!ia de !am$o e)!tri!o Con !am$o e)!tri!o a$i!ado PQ.

7igu#a 2>3 Com$resi(n de die)!tri!o !on % sin !am$o e)!tri!o a$i!ado

Siendo  ; moduo de ung . La inesta,iidad me!ni!a o!urre !uando dHdo ; .F ( doHd ; 2.F& $or o "ue sustitu%endo se ega a

ue re$resenta e mximo !am$o e)!tri!o antes de a -aa de materia .



RUPTURA T@RICA

La ru$tura t)rmi!a de un materia aisante s(ido se in!rementa !on su es$esor& $ero aun"ue soo a$i!a soo $ara agunos vaores de es$esor arri,a de os !ausados $or e !aor de 7u@o de !orriente en e aisante. A ser a$i!ado un !am$o e)!tri!o a un aisante una !orriente de !ondu!!i(n $asar a trav)s de este materia& esta !orriente /a!e "ue a tem$eratura de aisante aumente % e !aor generado se trans+era a trav)s de die)!tri!o % radia /a!ia sus su$er+!ies. E e"uii,rio t)rmi!o es a!an6ado !uando e !aor generado ega a a!an6ar a tem$eratura de materia die)!tri!o& esto& ms e !aor "ue /a radiado /a!ia as sue$er+!ies iguaa a !aor generado ,a@o una !orriente de !orriente aterna "ue /a sometido a materia "ue se da !omo Página 22


Donde -; -re!uen!ia en G6 . ; Vnguo de $)rdidas en e aisante E; Jaor rms de a tensi(na$i!ada& ;e !aor disi$ado se da !omo

Donde

T ; Tem$eratura de aisante ; tem$eratura de !ondu!tividad de aisante t; tiem$o /asta "ue e !aor es disi$ado E e"uii,rio t)rmi!o es enton!es a!an6ado !uando e !aor generado iguaa a !aor disi$ado& % !uando e !aor generado $or una !orriente so,re$asa a disi$ado& es enton!es !uando o!urre a ru$tura e)!tri!a PQ '!omo se men!iona en 0.F& a a!an6ar un $unto de gran inesta,iidad entre as $oten!ias transmitida % disi$ada*. Una e@em$i+!a!i(n gr+!a $uede o,servarse ms adeante en a +gura 0.23 de a ru$tura termoe)!tri!a. Página 23


15RUPTURA DE S;LIDOS EN LA PR?CTICA Existen diversos ti$os de ru$tura "ue no estn igados a a ru$tura intrnse!a o a t)rmi!a& $ero "ue o!urren a $aso de !ierto tiem$o. Un e@em$o es a ru$tura de,ido a estr)s o deterioramiento de materia aisante& de,ido a a -orma!i(n de +suras en a su$er+!ie de este. Estas +suras& a!t#an !omo $asos de !ondu!!i(n $ara a !orriente $ermitiendo una ru$tura gradua a trav)s de a su$er+!ie de aisante. Otra !ausa de ru$tura es a ee!trome!ni!a& de,ido a ee!tr(isis o -orma!i(n de o6ono entre otras. Adems& a -aa 'ru$tura* o!urre de,ido a des!argas $ar!iaes "ue son !ausadas $or ,ur,u@as enas de aire en e seno de aisante. Este ti$o de ru$tura es de suma im$ortan!ia $ara $a$e aisante im$regnado en a!eite& usados en !a,es de ata tensi(n % !a$a!itores .



RUPTURA B DETERIORACI;N U<ICA B ELECTROU<ICA

Con a $resen!ia de aire % agunos gases& agunos aisantes su-ren !am,ios en su !om$osi!i(n "umi!a a ser sometidos a un vota@e. Agunos de os ms so,resaientes son •

•

•

Oxida!i(n Con a $resen!ia de oxgeno& materiaes !omo !au!/o % $oietienos& su-ren oxida!i(n o!asionndose da8os !omo +suras en sus su$er+!ies. Gidr(isis A existir /umedad en a su$er+!ie de un aisante s(ido& e materia su-re este -en(meno % !omo !onse!uen!ia $ierde sus $ro$iedades e)!tri!as % me!ni!as. A!!iones "umi!as Aun !on a ausen!ia de !am$o e)!tri!o& a degrada!i(n de os aisantes o!urre $rogresivamente de,ido a $ro!esos !omo inesta,iidad "umi!a $or atas tem$eraturas& oxida!i(n %Ho +suras de,ido a o6ono o aire % $or e-e!tos de a Página 24


/idr(isis. Todo esto eva a a redu!!i(n en a $ro$iedades e)!tri!as % me!ni!as de materia % $redis$oniendo a -aa .



RUPTURA DE(IDO A 7ISURACI;N B RAI7ICACI;N TREEINF

Un die)!tri!o s(ido sometido argo tiem$o a tensiones de ru$tura& $ueden o,servarse dos !ara!tersti!as& )stas son a* La $resen!ia de un $aso !ondu!tor en a su$er+!ie e materia. ,* Un me!anismo $or donde a !orriente se -uga trav)s de un $aso !ondu!tor& o!asionando un !/is$orroteo de !orriente& "ue -orman +suras& evando a un deterioro en e aisante. La ex$ansi(n de estas +suras en a su$er+!ie de materia -orma rami+!a!iones $are!idas a as de un r,o& de a/ e t)rmino 'treeing*. or e@em$o& !onsidere un die)!tri!o "ue tenga una !a$a de !ondu!!i(n % dos ee!trodos en su su$er+!ie& a !a$a !ondu!tora es -ormada $or /umedad& % a a$i!ar vota@e esta !a$a em$ie6a a !ondu!ir $rodu!iendo !omo resutado !aor % se!ando a su$er+!ie de aisante. La !a$a de !ondu!!i(n !omien6a a se$ararse de a su$er+!ie de aisante de,ido a "ue se se!a % as des!argas e)!tri!as '!/is$orroteos* !ausado $or a tensi(n !omien6a a da8ar a su$er+!ie de die)!tri!o. Con materiaes orgni!os !omo $a$e % ,a"ueita& e die)!tri!o se !ar,oni6a en a regi(n de !/is$orroteo& o "ue /a!e de )sta regi(n en e aisante una 6ona de !ondu!!i(n& !omo este $ro!eso es re$etitivo& o!urre a -aa de materia 'ru$tura*& !uando a regi(n !ar,oni6ada a!an6a a os ee!trodos % !orto!ir!uita. Wste -en(meno es !om#n en aisantes /e!/os de minas. or otro ado& a ru$tura $or +sura!i(n % rami+!a!i(n 'treeing* o!urre $or a erosi(n de materia de,ido a a -uer6a "ue o!asiona e !/is$orroteo de tensi(n a$i!ado 'des!arga e)!tri!a*. La erosi(n $rodu!e una as$era!i(n en a su$er+!ie de materia aisante& % de a/ "ue esto se !onvierta en una -uente de !ontamina!i(n % su!iedad en e die)!tri!o. Esto resuta en un in!remento de a Página 25


!ondu!tividad& -ormando un $aso de !ondu!!i(n entre os ee!trodos "ue se !orto!ir!uitan o!asionando a -aa. Un materia die)!tri!o "ue se en!uentra entre dos ee!trodos existe $osi,iidad de dos di-erentes medios aisantes& e aire en e die)!tri!o "ue ega en su!esi(n. E vota@e a trav)s de os 0 medios aisantes son os mostrados en a siguiente +gura PQ.

7igu#a 2>4 Medio aisante entre dos ee!trodos PQ. E vota@e a trav)s de os dos medios aisantes mostrados son J2 Jota@e a trav)s de e /ue!o de aire. J0 Jota@e a trav)s de die)!tri!o. Enton!es J2 es

Donde J es e vota@e a$i!ado. Cuando & a ma%or $arte de a tensi(n se va a trav)s de D2& "ue es e /ue!o de aire& a/ se evara a !a,o a des!arga e)!tri!a '!/is$orroteo* % a a!umua!i(n de !arga estar en a su$er+!ie de die)!tri!o. A $aso de tiem$o se -orman !anaes de,ido a a des!arga& estos se em$ie6an a es$ar!ir so,re e aisante Página 2%


-ormando una +gura ar,(rea 'rami+!ada*& "ue no son mas "ue !anaes de !ondu!!i(n& de a/ e nom,re en ing)s de XTREEINYZ. Wste ti$o de -en(meno $uede $revenirse !uidando e estado de die)!tri!o a $rue,a& !omo evitar ex$onero a a /umedad en un am,iente im$io % mantenero siem$re en ,uen estado de im$ie6a .



RUPTURA DE(IDO A DESCARAS INTERNAS

Los materiaes aisantes s(idos !ontienen va!os o !avidades dentro de eos o en os mites entre estos % os ee!trodos. Estos va!os o !avidades estn des$rovistos de una rigide6 die)!tri!a ne!esaria& $or o "ue su !onstante die)!tri!a disminu%e en esos sitios '!avidades o va!os* res$e!to de e resto de aisante. or o "ue e !am$o e)!tri!o en esas !avidades es ma%or a resto de die)!tri!o& as "ue ,a@o !ondi!iones normaes de tra,a@o de ru$tura& e !am$o e)!tri!o en as !avidades ex!eder e vaor de rigide6 de medio aisante % o!urrir a ru$tura. Considere un aisante en medio de dos !ondu!tores !omo se muestra en a +gura 0.5 a* &% si se divide )ste aisante en tres $artes& una red de !a$a!itores $uede -ormarse& re$resentndoa !omo se muestra en a +gura 0.5 ,*.

7igu#a 2>5 Des!arga e)!tri!a en a !avidad % su !ir!uito e"uivaente PQ. Página 2&


E !a$a!itor C2 re$resenta a !a$a!itan!ia en a !avidad -ormada& e C 0 es a !a$a!itan!ia de die)!tri!o "ue est en !onta!to !on a !avidad& % C 3 es a !a$a!itan!ia de resto de aisante& % a a$i!ar un vota@e J& se tiene PQ

Donde d2 % d0 son e grosor de a !avidad % de die)!tri!o res$e!tivamente& !on as $ermitividades K % K2. Normamente d2[[ d0 % su$oniendo "ue a !avidad est ena de aire enton!es

Donde

es a $ermitividad reativa de die)!tri!o.

Cuando se a$i!a una tensi(n de !.a. a ru$tura o!urre en am,os !i!os& % e n#mero de des!argas de$ende de a tensi(n a$i!ada& as -ormas de onda de tensi(n % a !orriente de des!arga son mostradas en a siguiente +gura '0.F*. Cuando a $rimera ru$tura a trav)s de a !avidad o!urre& a tensi(n de ru$tura a trav)s de )sta se vueve !ero. A momento de "ue J2 se /a!e !ero& a des!arga '!/is$orroteo* se extingue % e vota@e se vueve a evantar /asta "ue a ru$tura o!urra otra ve6. Este $ro!eso se re$ite una % otra ve6 as !omo se muestra en a +gura 0.F.

Página 2'


Ru$tura de a !avidad

orma de onda de a !orriente

7igu#a 2>% Se!uen!ia de ru$tura de a !avidad ,a@o tensi(n de !.a. Estas son amadas des!argas $ar!iaes& "ue tendrn e mismo e-e!to en e aisante "ue e XtreeingZ. Cuando a ru$tura o!urre en as !avidades& se -orman ee!trones e iones $ositivos "ue tienen su+!iente energa $ara a!an6ar as su$er+!ies de a !avidad % rom$er os ena!es "umi!os& en !ada des!arga se disi$ar !aor en as !avidades o "ue o!asionar su !ar,oni6a!i(n en su su$er+!ie % erosionar e die)!tri!o. Esto o!asiona a -orma!i(n de !anaes de !ondu!!i(n "ue in!rementan a !ondu!tividad. Todos estos e-e!tos evan a una erosi(n gradua de materia % a redu!!i(n de su grosor& evndoo a a ru$tura PQ.

1%DIEL@CTRICOS HOO@NEOS Su rigide6 die)!tri!a $uede a!an6ar vaores mu% eevados en e orden de MJHm& un e@em$o son os $omeros orgni!os "ue /an ido des$a6ando a os aisantes !onven!ionaes !omo JC& $oietieno& "ue son aisantes no /omog)neos de,ido a sus im$ure6as "ue in!uso $ueden !ontener in!usiones gaseosas. La rigide6 die)!tri!a de os no /omog)neos& de$ende de es$esor de aisante o de materia en !uesti(n& o "ue o,iga a di-eren!iar a os aisantes mu% degados Página 2*


de -orma aminar 'es$esor s[5mm* a os de un es$esor ma%or '3 \ s \ 5mm* 2Q. 

Con s G 5--

L a tensi(n de ru$tura U$ es !asi $ro$or!iona a gradiente !rti!o& "ue !ondu!e a a ru$tura die)!tri!a % se ama E$& siendo

 donde e vaor de E$ de$ende mu!/o de a estru!tura moe!uar de aisante. La +gura 0. muestra una idea de este !om$ortamiento.

Die)!tri!o

7igu#a 2>& Com$ortamiento de a tensi(n de ru$tura $ara es$esores mu% $e"ue8os.



Con s5--

Wstos denotan un !om$ortamiento die)!tri!o di-erente& no es!are!ido $or !om$eto& $or o "ue se !onsidera ms "ue $rudente imitar os mrgenes de es$esor '3[s[5mm*& $ara as $ermitir a siguiente a$roxima!i(n Página 3.


Donde ( es una !onstante "ue de$ende de !ada materia aisante& % a !onstante m de$ende de a tem$eratura& !on a !ondi!i(n de "ue )sta sea de 0  C % !orriente aterna a F G6& esto de,ido a "ue e !om$ortamiento de os aisantes s(idos -rente a ondas de !/o"ue est& mu!/o menos es!are!ido. La +gura 0.9 muestra )ste !om$ortamiento ..

7igu#a 2>' Com$ortamiento de a tensi(n de ru$tura $ara es$esores intermedios '3 \ s \ 5mm* 2Q. E !om$ortamiento die)!tri!o de os aisantes /omog)neos de$ende nota,emente de grado de uni-ormidad de !am$o e)!tri!o. Si o!urre una varia!i(n ,rus!a en de a uni-ormidad de !am$o& La rigide6 die)!tri!a de aisante disminu%e !onsidera,emente.

Página 31


1&DIEL@CTRICOS NO HOO@NEOS Se de,e !onvenir en a di-!i existen!ia de materiaes /omog)neos su$erior a os 5 mm& $or"ue mientras ma%or sea e es$esor ma%or ser e n#mero de im$ure6as en e materia& savo $ara es$esores de /asta .5 mm& a ma%ora de os materiaes s(idos denota una !on-orma!i(n no /omog)nea 2Q. En estos materiaes a ru$tura die)!tri!a o!urre en un tiem$o mu% !orto& a irreguaridad ms -re!uente es a o!usi(n de ,ur,u@as de aire en e seno de die)!tri!o& estas se ven sometidas a una ioni6a!i(n demasiado eevada originando des!argas $ar!iaes de suma im$ortan!ia en e !om$ortamiento % e enve@e!imiento de aisante. Es !onveniente indi!ar "ue a -uerte ioni6a!i(n en os es$a!ios o!uidos '$or o genera enos de aire* es a res$onsa,e de a ru$tura die)!tri!a. En a +g. 0.P se denota este !om$ortamiento. Se de,e !onvenir "ue a o!usi(n de ,ur,u@as e im$ure6as o,ede!e a una distri,u!i(n mu% irreguar& $or o "ue as medi!iones % !on!usiones de un ote de muestras 7u!t#an -uertemente. Las distorsiones "ue su-re e gradiente e)!tri!o son tan variadas "ue e !ana $asmti!o muestra $or o genera un !om$ortamiento totamente a!)-ao 'no siguiendo ne!esariamente e !amino interee!tr(di!o mas !orto* 2Q. Tam,i)n a tem$eratura& -re!uen!ia& tiem$o de a so,retensi(n et!& desem$e8an un $a$e mu% im$ortante.

Página 32


7igu#a 2>* Com$ortamiento de a tensi(n de $er-ora!i(n en un aisante no /omog)neo $or a a!!i(n de un !am$o e)!tri!o uni-orme '$a!aB$a!a* % no uni-orme '$untaB$a!a* en -un!i(n de es$esor s . 1'COPORTAIENTO T@RICO Como se men!iona !n 2>2>3 a ru$tura t)rmi!a se in!rementa !on es$esor de aisante& aun"ue soo $ara agunos& !ausado $or e !aor disi$ado $or e 7u@o de !orriente en ). En este a$artado se muestra !on ma%or detae e -en(meno de ru$tura t)rmi!a en e aisante. or de,a@o de una temperatura crítica ( θc ) e suministro de ee!trones re"ueridos $ara a $er-ora!i(n de aisante& de$ende -undamentamente de a intensidad de !am$o $redominante. or en!ima de a tem$eratura 'c* os aisantes s(idos muestran -uerte de$enden!ia de os $ro!esos t)rmi!os. Es enton!es !uando e !am$o e)!tri!o a!t#a& es de!ir e@e!uta a $er-ora!i(n sin ser a !ausa $rin!i$a de -en(meno& !omo se muestra a !ontinua!i(n en a +gura 0.2 .

Página 33


7igu#a 2>1. De$enden!ia de a tensi(n de $er-ora!i(n de os aisantes s(idos en -un!i(n de a tem$eratura θ 2Q.

La tensi(n de $er-ora!i(n U$& es en !onse!uen!ia inde$endiente de a tem$eratura de medio θ<θ c, $ara de!aer uego -uertemente a tem$eraturas $or en!ima de vaor !rti!o. ara de+nir as $er-ora!iones e)!tri!as % t)rmi!as se de,e a!arar e !om$ortamiento de medio aisante& en estado s(ido& en -un!i(n de a tem$eratura de mismo. ara eo se tiene a +gura 0.22& donde un aisante es$esor 's* se en!uentra entre e es$a!io interee!tr(di!o de dos $a!as meti!as. La !a$a aisante de es$esor $: !ondu!ir a siguiente !orriente esta!ionaria $roveniente de a su$er+!ie 2 2Q.

Donde

I1F; Corriente t)rmi!a '!antidad de !aor $or unidad de tiem$o*. J; Condu!tividad t)rmi!a. A; Vrea de a su$er+!ie t)rmi!a. $ / $:; Yradiente t)rmi!o en e aisante.

Página 34


7igu#a 2>11 Yr+!a de so$orte $ara a deriva!i(n de !om$ortamiento t)rmi!o de os aisantes s(idos .

En e tra%e!to dx 'a su$er+!ie 0*& !ir!uar a siguiente !orriente t)rmi!a 

De,ido a "ue a tem$eratura de a su$er+!ie 2 ne!esita di-eren!iarse de a 0 $or a magnitud di-eren!ia dx 'd]Hdx0*& a di-eren!ia "ue existe entre as 0 !orrientes& tiene "ue ser igua a a !antidad de !aor "ue se disi$a en e tra%e!to 'eemento* dx& $or"ue $ara una distri,u!i(n de tem$eratura en !ondi!iones esta!ionarias a suma tiene "ue iguaar a !ero. As se tiene

] re$resenta as $)rdidas die)!tri!as en e aisante % !onsiderando "ue a se trata de Página 35


,uenos aisantes % "ue $or o tanto 'tan0

*

Con %

Donde C % dU son a !a$a!itan!ia % tensi(n de eemento di-eren!ia dx res$e!tivamente 'iustrado en a +gura 0.22*. or o tanto

A/ora& a iguaar as dos ex$resiones de $)rdidas& tanto die)!tri!as !omo t)rmi!as

Lo "ue !on+rma a de$enden!ia de a tem$eratura de -a!tor de $)rdidas. En a +gura 0.20 se $uede veri+!ar este !om$ortamiento& donde se o,serva "ue a $artir de !ierto vaor de ] e in!remento de tan  es !asi inea& $or o "ue es $osi,e sim$i+!ar 2Q

Es de!ir

Integrando se o,tiene $ara ]

Página 3%


Donde  es una !onstante de integra!i(n& se $uede determinar su$oniendo "ue e !entro de aisante 'x;sH0* $revae!e una tem$eratura ] $& % 2Q

7igu#a 2>12 De$enden!ia de -a!tor de $)rdidas en rea!i(n !on a tem$eratura 2Q.

La tem$eratura mxima se o,tendr en e !entro de as $a!as meti!as "ue !on-orman e es$a!io interee!tr(di!o !on e aisante s(ido !omo die)!tri!o& es de!ir& $ara x;& e mximo vaor de E ser determinante en e $ro!eso de $er-ora!i(n. En a +gura 0.2 se o,serv( !on@untamente a 6ona de ru$tura e)!tri!a % a 6ona de ru$tura t)rmi!a. Aun"ue ninguna de as dos est !om$etamente es!are!ida& !a,e se8aar "ue a $rimera est !ara!teri6ada $or una i,era!i(n e)!tri!a de ee!trones de aisante en uso& "ue son sometidos a una a!eera!i(n $or $arte de !am$o $redominante donde se -orman 6onas de eevada densidad de !arga& distorsionndose as e gradiente e)!tri!o. E in!remento en a -orma!i(n de estas !argas tiene !omo $rodu!to a $er-ora!i(n o ru$tura e)!tri!a. No o,stante& esto se o,serva s(o raras ve!es en a $r!ti!a& %a "ue e !aentamiento de medio aisante asume& $or a !ondu!!i(n de gradiente Página 3&


e)!tri!o& e $ro!eso +na de $er-ora!i(n& tratndose de un -en(meno termoeléctrico .

1*PER7ORACI;N TEROEL@CTRICA La tem$eratura ] de medio aisante s(ido& denotar un vaor mximo !uando e vaor de nuestra e!ua!i(n anterior '0.2P* ad"uiera su mnimo vaor !uando ] ^_ $ara

De donde se o,tienen os vaores de E % U $ara $er-orar e aisante.

K ue re$resentan os vaores de E % U $ara una $er-ora!i(n die)!tri!a de medio aisante& "ue ser una $er-ora!i(n $ermanente. Una interesante o,serva!i(n es e !om$ortamiento de minas aisantes extremadamente degadas !omo as usadas en !ondensadores ee!troti!os %a "ue e redu!ido n#mero de tomos "ue se $uede dis$oner en dire!!i(n de !am$o dominante di+!uta demasiado a -orma!i(n de una avaan!/a de ee!trones& $or o !ua a $er-ora!i(n termoe)!tri!a no $uede o!urrir. E en-riamiento "ue su-re e die)!tri!o a trav)s de as $a!as meti!as ser un -uerte es!oo $ara a $er-ora!i(n t)rmi!a& $or o "ue no de,e sor$rendernos si una mina mu% degada de (xido de auminio de 5 `m tiene una rigide6 die)!tri!a de 2 4 vH!m. La $er-ora!i(n ee!trot)rmi!a $uede visuai6arse en a siguiente +gura '0.23*& "ue iustra a de$enden!ia de -a!tor de $)rdidas de medio aisante en -un!i(n de a tem$eratura de mismo .

Página 3'


7igu#a 2>13 Ex$i!a!i(n de a $er-ora!i(n termoe)!tri!a en -un!i(n de a $oten!ia a!tiva % e -a!tor de $)rdidas de un aisante t$i!o 2Q. La +gura tam,i)n es vida $ara $)rdidas disi$adas en e aisante !omo $oten!ia a!tiva a. La re!ta C re$resenta a trans-eren!ia de !aor de medio aisante en -un!i(n de a tem$eratura& donde

2.PRUE(AS DE CAPACITANCIA A LOS ATERIALES ELEIDOS PARA LAS PRUE(AS Como se /a men!ionado anteriormente& un die)!tri!o es un materia usado $rin!i$amente $ara aisar e)!tri!amente !om$onentes entre s o !on res$e!to a tierra& o $ara a!tuar !omo eemento !a$a!itivo en un e"ui$o& !ir!uito o sistema& $udiendo ser estos de ti$o s(ido& "uido % gaseoso 'en este !aso se /a!e re-eren!ia a os de estado s(ido*. Como se sa,e un materia die)!tri!o $uede ama!enar !arga de,ido a uso "ue )ste re!i,a % as !ondi!iones ,a@o as "ue tra,a@e. Una medi!i(n de !a$a!itan!ia Página 3*


de materia da in-orma!i(n "ue $uede ser utii6ada $ara !om$arar di-erentes muestras e identi+!ar di-eren!ias "ue $ueden aso!iarse a su rigide6 die)!tri!a.

Los materiaes usados en estas $rue,as -ueron •

•

a$e im$regnado en a!eite Ma%ar

Anio de guarda a!as $araeas

•

a$e ra-t

Las $rue,as -ueron reai6adas !on un $uente universa mar!a XMAALZ. Las $rue,as -ueron /e!/as a distintas -re!uen!ias& estas $rue,as -ueron reai6adas !on ee!trodos de $a!as $araeas de F.4 mm '.05 in.* de an!/o& 29 mm '4.05 in.* de argo !on ,ordes !uadrados& $untas redondeadas a 3.0 mm '.205 in.* de radio % !on anio de guarda a tierra seg#n o esti$ua a norma ASTM D 24PBP de a8o 04 2PQ& !omo se muestra en a siguiente +gura.

7igu#a 4>1 Ee!trodos de $a!as $araeas

Página 4.


Ca,e men!ionar "ue aun"ue se $ro,aron 2 muestras de !ada materia& e n#mero mnimo re!omendado $ara $oder evar un anisis estadsti!o es de 5 muestras % as examinar os resutados $or e m)todo de X
PAPEL IPRENADO EN ACEITE Ta)la 4>1 Ca$a!itan!ia a di-erentes -re!uen!ias de Pa+!l I-+#!gna$o !n Ac!i!M> PAPEL IPRENADO EN ACEITE 7RECU Ca$a!itan!ia '$-* Mue Mues Mues Mues Mues Mues Mues Mues Mues ENCIA Mues str a tra 3 tra 4 tra 5 tra F tra  tra 9 tra P tra H/F tra 2 0 2 1.... 035. 024 044. 0F. 00. 02. 00. 033. 03. 005. . P .42 2 32 09 2 5F 95 40 09 039. 02 04. 0P. 000. 00. 03. 03F. 033. 009. 1.... 2F .09 22 99 F4 59 F4 95 44 90 040. 000 050. 025. 00F. 005. 03F. 042. 039. 03. 1... 3F .40 52 40 5F 5F F 5 39 29 055. 03F 0F. 03. 039. 039. 052. 055. 053. 052. 12. 2 .P4 F4 9 3  9 94 5F 9 05F. 03P 0. 033. 042. 042. 053. 05. 055. 05P. 1.. 9 .35 4 02 0 22 2 P3 54 2P En a igura 4.2 se muestra e arrego de e"ui$o utii6ado $ara a medi!i(n de a

Página 41


!a$a!itan!ia en e $a$e im$regnado en a!eite.

uente RLC

ELECTRODOS

MATERIAL '$a$e im$regnado en a!eite* 7igu#a 24> Medi!i(n de a !a$a!itan!ia a $a$e im$regnado e en a!eit

ABLAR Ta)la 4>2 Ca$a!itan!ia a di-erentes -re!uen!ias de ABLARM> 7RECU ENCIA Mue stra H/F 2 1.... 00F. . P 1.... 03. F0 1... 034. 3

Mue stra 0 004. 04 00. F3 03. 3

Mue stra 3 025. 9 029. P0 002. P

ABLAR Ca$a!itan!ia '$* Mue Mue Mue stra stra stra 4 5 F 005. 02. 00. F9 90 4P 00P. 023. 032. 90 P2 22 032. 02F. 033. F3 04 9 Página 42

Mue stra  02F. 04 02P. F 000. 25

Mue stra 9 002. 53 005. 3 00. 55

Mue stra P 02F. P5 00.  000. 39

Mue stra 2 02P. 35 000. 93 005. 34


12. 1..

042. P0 0F3. 23

044. F5 04F. 95

03. 03 04. FP

03. 0 035. 2P

02P. F9 002. 9

032. FP 03F. F9

000. F2 004. 39

009. 33 03. FF

004. 33 005. 5

00F. P 009. F2

En a igura 4.3 se muestra e arrego de e"ui$o en -orma de diagrama utii6ado $ara a medi!i(n de a !a$a!itan!ia.

7igu#a 4>3 Diagrama de !onexi(n $ara a medi!i(n de !a$a!itan!ia.

Página 43


PAPEL 0RA7T Ta)la 4>3 Ca$a!itan!ia a di-erentes -re!uen!ias de $a$e 0RA7TM> 7RECU ENCIA H/F

1..... 1.... 1.... 12. 1..

PAPEL 0RA7T Ca$a!itan!i a '$* Mues Mues Mues Mues Mues Mues Mues Mues Mues Mues tra 2 tra tra tra tra tra tra tra tra tra 03P. PF 044. 9 053. 0F 02. 5 05. 9

0 04F. 92 053. 43 0FF. 05 0P. 2 0P3. F0

3 04. PP 053. P0 0F3. F9 0PP. F 0P2. 39

4 049. P4 055. 23 0F. 5 094. 5 0P5. 4

5 040. P 04P. 93 0F0. F9 09P. 9 0P4. P2

F 050. 52 05. 9P 0FP. 4F 0P9. 50 3. 24

 0F. 95 04. 3 093. 0 324. 99 32. P3

9 040. 32 049.  0F. 29 0P. 43 099. F9

P 040. 5 04. F4 055. 90 0F9. PP 0. 9F

2 049. F 055. P 0FP. 03 0P0. 93 3. P5

En a igura 4.4 se muestra e arrego de e"ui$o utii6ado $ara a medi!i(n de a !a$a!itan!ia en e $a$e ra-t.

Página 44


Pu!n! RLC

El!c#o$os

a!#ial aislan! +a+!l 0#aF

7igu#a 44>

Medi!i(n de a !a$a!itan!ia en e AEL RAT

Las gr+!as de as !a$a!itan!ias de as muestras $ro,adas se $resentan en as iguras 4.4&

Página 45


4.5 % 4.F.

muestras

7igu#a>5 Ca$a!itan!ia 4 de a$e Im$regnado en A!eite !ontra a -re!uen!ia .

Página 4%


7igu#a 4>% Ca$a!itan!ia de MALAR !ontra a -re!uen!ia.

Página 4&


7igu#a 4>& Ca$a!itan!ia de $a$e RAT !ontra a -re!uen!ia.

21

LA RESISTENCIA DE AISLAIENTO

La resisten!ia de aisamiento es una $rue,a "ue servir $ara !orrea!ionar esta e!tura !on os resutados +naes de as $rue,as de rigide6 die)!tri!a. La medi!i(n de a resisten!ia die)!tri!a @unto !on os ndi!es de $oari6a!i(n % de a,sor!i(n $uede dar indi!io de !ontenido de /umedad en os materiaes& grado de enve@e!imiento o grado de !ontamina!i(n. La resisten!ia de aisamiento 'RA* es e vaor de a resisten!ia en megao/ms "ue $uede o-re!er un aisante a a$i!are una tensi(n en !orriente dire!ta durante un !ierto tiem$o& siem$re midi)ndoo desde a a$i!a!i(n de mismo& usndose !omo re-eren!ia de 2 a 2 minutos. Página 4'


Existe una !orriente resutante de a a$i!a!i(n de tensi(n de !orriente dire!ta !ono!ida !omo !orriente de aisamiento % est !om$uesta $or dos $artes

•

La !orriente "ue !ir!ua $or e !uer$o 'voumen* de aisante& est !om$uesta a su ve6 $or 0 !om$onentes Una !orriente !a$a!itiva. Una !orriente de a,sor!i(n die)!tri!a. Una !orriente en a su$er+!ie de aisamiento& amada !orriente de -uga .



EL
•

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Se de+ne e ndi!e de $oari6a!i(n 'I* !omo a rea!i(n entre a resisten!ia de aisamiento medida a 2 minuto % a 2 minutos des$u)s de a$i!ada a tensi(n !ontinua de $rue,a. Durante esos 2 minutos a tensi(n de,e de ser mantenida. Se ver !(mo va disminu%endo a !orriente % $or tanto aumentando a resisten!ia a tierra 02Q.

E ndi!e de $oari6a!i(n es un vaor "ue nos in-orma so,re e estado de /umedad % im$ie6a de a aisamiento& ,asado en a su$osi!i(n de "ue trans!urrido un !ierto tiem$o desde e !omien6o de ensa%o& a !orriente de a,sor!i(n se /a,r anuado. Un vaor ,a@o de ndi!e de $oari6a!i(n indi!ar "ue existe una !orriente ata de !ondu!!i(n o de -ugas& originada $or su!iedad % /umedad. En sistemas aisantes modernos& a !orriente de a,sor!i(n $uede /a!erse $r(xima a !ero en dos o tres minutos desde e !omien6o de a $rue,a. As& se utii6a en estos !asos una variante de ndi!e de $oari6a!i(n "ue !a!ua a rea!i(n entre as resisten!ias de aisamiento a 2 minuto % 3 s& des$u)s de ini!iada a $rue,a. Este vaor es denominado bndi!e de a,sor!i(nb 'I A,s* "ue se ver ms adeante.

Los vaores de ndi!e de $oari6a!i(n estn mu% $o!o a-e!tados $or a tem$eratura& $or o "ue savo en !ondi!iones en "ue a $rue,a se /a%a reai6ado a eevada tem$eratura '$or en!ima de os 4cC* no ne!esitan !orre!!i(n. Página 4*


Asimismo& en este sentido& se de,e !onsiderar "ue no se $rodu!e un !am,io de tem$eratura im$ortante durante e tiem$o en "ue dura a $rue,a.. E ndi!e de $oari6a!i(n de un aisamiento es un vaor adimensiona "ue nos $ermitir /a!er !om$ara!iones so,re e estado de aisamiento .

7igu#a>'4 Yr+!a re$resentativa re$resentativa de ndi!e de $oari6a!i(n. $oari6a!i(n.

La norma CEI F95. F95.2 2 00Q 00Q indi!a "ue& $ara aisamien aisamientos tos de !ase A& e ndi!e ndi!e de $oari6a!i(n de,e ser su$erior a 2&5& mientras "ue $ara aisamientos de !ase ?&  o G& este vaor de,e ser su$erior a 0. No o,stante& existen re!omenda!iones $or $arte de -a,ri!antes de e"ui$os de medida % usuarios "ue $ro$or!ionan una in-orma!i(n ms !uaitativa a $artir de vaor o,tenido de ndi!e de $oari6a!i(n % de a,sor!i(n& !omo a siguiente Jaores de ndi!e de $oari6a!i(n % diagn(sti!o de aisamiento I[2 estado de aisamiento ma estado 2[;I[0 estado de aisamiento !uestiona,e 0[;I[4 estado de aisamiento ,ueno Página 5.


4[;I estado de aisamiento mu% ,ueno 0Q .



EL
7igu#a 4>* Yr+!a re$resentativa re$resentativa de ndi!e de a,sor!i(n e)!tri!a. Página 51


22 ADOS DE LA PRUE(AS HECHAS A LAS UESTRAS

RESULT

Las medi!iones /e!/as a as muestras -ueron reai6adas !on e megao/metro AMEC a 5 vots !one!tados !on ee!trodos de $a!as $araeas 'os mismos utii6ados $ara as medi!iones de !a$a!itan!ia& mostrados en a +gura 4.2* seg#n o esti$ua a norma norma ASTM D 24PBP 24PBP de a8o 04 .

A !ontinua!i(n se muestran as ta,as de resutados % gr+!os de as $rue,as de resisten!ia de aisamiento& ndi!e de $oari6a!i(n e ndi!e de a,sor!i(n& /e!/as a !ada una de as muestras

Ta)la 4>4 Medi!i(n de a resisten!ia de aisamiento de as muestras de Pa+!l I-+#!gna$o !n Ac!i!. PAPEL IPREANDO EN ACEITE RESISTENCIA DE UESTRAS AISLAMIENTO 'YigaO/ms* 1 33.9 2 2F.02 Página 52


3 4 5 % & ' * 1.

2.0 03.4 0P.05 00.93 22.2 3.53 00.9F 2.2F

7igu#a 4>11 Yr+!a de a resisten!ia de aisamiento $ara as muestras de Pa+!l I-+#!gna$o !n Ac!i!.

Ta)la 4>5 Medi!i(n de ndi!e de $oari6a!i(n % e ndi!e de a,sor!i(n $ara as muestras de Pa+!l I-+#!gna$o !n Ac!i!. Página 53


UESTR AS 1 2 3 4 5 % & ' * 1.

PAPEL IPRENADO EN ACEITE NDICE DE NDICE OLIARIACIN A?SORCIN .PP 2 .P3 .P .P3 .P .P3 .P9 .P5 .P9 .P0 .PF .PF .93 .P5 .P9 .P0 .P9 .4 .PF

Página 54

DE


7igu#a 4>12 Yr+!a de ndi!e de $oari6a!i(n e ndi!e de a,sor!i(n $ara as muestras de Pa+!l I-+#!gna$o !n Ac!i!> Ta)la 4>% medi!i(n de a resisten!ia de aisamiento de as muestras de ABLAR .

ABLAR UESTR AS 1 2 3 4 5 % & ' * 1.

RESISTENCIA DE AISLAMIENT O 'YigaO/ms* 53.4 FF.9 F4.9 FF.0 59.5 24.3 24.3 23P.F 24.P 239

Página 55


7igu#a 4>13 Yr+!a de a resisten!ia de aisamiento $ara as muestras de ABLAR .

Ta)la 4>& Medi!i(n de ndi!e de $oari6a!i(n % e ndi!e de a,sor!i(n $ara as muestras de ABLAR.

UESTRAS 1 2 3 4 5

ABLAR NDICE DE OLIARIACIN 2.3 2.0 .P5 2.2 2.4 Página 5%

NDICE DE A?SORCIN 2 .PP .PP .PP 2.2


% & ' * 1.

.PP 2.2 .PP .PP .P9

2.3 2 .PP .PP 2

7igu#a 4>14 Yr+!a de ndi!e de $oari6a!i(n e ndi!e de a,sor!i(n $ara as muestras de ABLAR. Ta)la 4>' Medi!i(n de a resisten!ia de aisamiento de as muestras de a$e 0RA7T PAPEL 0RA7T UESTRAS

RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

Página 5&


'YigaO/ms*

1 2 3 4 5 % & ' * 1.

5 45.2 52.9 24.4 25.F0 F.F 2F.4 0.39 3.4F9 4.93

7igu#a 4>15 Yr+!a de a resisten!ia de aisamiento $ara as muestras de a$e 0R7AT.

Página 5'


Ta)la 4>* Medi!i(n de ndi!e de $oari6a!i(n % e ndi!e de a,sor!i(n $ara as muestras de $a$e 0RA7T.

UESTRAS 1 2 3 4 5 % & ' * 1.

PAPEL 0RA7T NDICE DE OLIARIACIN 2.9 2.04 2.5 2.44 2.F4 2.09 2.3 .P3 .P .P

Página 5*

NDICE DE A?SORCIN .P9 .PF 2 2 2.22 2.P .PP .P3 .P .P


7igu#a 4>1% Yr+!a de ndi!e de $oari6a!i(n e ndi!e de a,sor!i(n $ara as muestras de a$e 0RA7T. En as +guras 4.2F % 4.2 se muestra e arrego $ara e e"ui$o de $rue,a $ara a medi!i(n

Página %.


de $a$e im$regnado en a!eite % e ma%ar.

EAOHETRO

ELECTRODOS

7igu#a 4>1 & Medi!i(n de resisten!ia de aisamiento Pa+!l !n Ac!i! $araI-+#!gna$o e

Página %1


Con$uco#!s inK!co#!s $! !nsin !n c>$> K su con!:in a i!##a

a!#ial )ao +#u!)a

7igu#a 4>1 & Medi!i(n de a resisten!ia de aisamiento ABLAR $ara e

23

CONCLUSIONES

Las medi!iones $reiminares a a $rue,a de ru$tura die)!tri!a& !onsistentes en a medi!i(n de as !a$a!itan!ias de os materiaes as !omo sus ndi!es de $oari6a!i(n % a,sor!i(n& su resisten!ia de aisamiento& mostraron ndi!es de $oari6a!i(n !uestiona,es& $ro,a,emente de,ido a a /umedad en e am,iente % a estado de su!iedad "ue $udieron tener os materiaes utii6ados. De os 3 di-erentes aisantes no se o,serv( ning#n !am,io sor$resivo o ines$erado a momento de a ru$tura die)!tri!a& %a "ue $r!ti!amente todas a muestras rom$ieron a un $romedio de tensi(n !ono!ido. Savo en una muestra de $a$e im$regnado en a!eite& "ue de,ido a ma estado en "ue )ste se Página %2


en!ontra,a& una de sus muestras %a esta,a +surada % su tensi(n de ru$tura -ue mu!/o menor a es$erado. or o "ue res$e!ta a m)todo de

ara e ma%ar& a $ro,a,iidad de -aa de a muestra a una tensi(n es$e!+!a de & % $ara e $a$e ra-t a $ro,a,iidad de -aa ru$tura '00 J* es . Lo !ua es de a muestra a una tensi(n es$e!+!a de ru$tura '0.5 J* es un ndi!e de !on+a,iidad ,astante ,ueno. Como se muestra a +na de !ada !!uo $ara !ada materia& se /a /e!/o un !!uo de +a,iidad de materia& si )ste so,revive a una tensi(n de ru$tura ma%or a a es$erada. Wstos !!uos arro@aron resutados es$erados& %a "ue a $ro,a,iidad de -aa de materia aumenta !asi a 2: $ara e ma%ar % e ra-t& e $a$e im$regnado en a!eite tuvo !asi un 5:& esto de,ido a a inesta,iidad die)!tri!a "ue tuvieron as muestras de )ste.

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(I(LIORA7IA

Cam$ru, Yrae A,ert. Ee!tro Erosi(n -undamentos de su -si!a % su t)!ni!a. Editoria Mar!om,o& Edi!iones t)!ni!as 0. undamentos de Ee!tromagnetismo $ara Ingeniera AddisonB 'U.N.I* Art!uo de a $gina do!entes.uni.edu.niH...Hex$ediente:0de :0asignatura:0de:0materiaes:0ee!tri!os :00... Página %4

Aislantes Solidos

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