Descargas eléctricas en solidos
Mate Materi rial ales es aisl aislan ante tes s sóli sólido dos s se util utiliz izan an casi casi en todo todos s los los apar aparat atos os eléctricos, ya sea un calentador eléctrico o una 500 generador de MW o un disyuntor, aislamiento sólido forma una parte integral de todos los aparatos eléctricos especialmente cuando los voltajes de operación son altos. altos. El aislam aislamie iento nto sólid sólido o no sólo sólo prop propor orcio ciona na un aislam aislamien iento to a las las partes vivas de los euipos de las estructuras puestas a tierra, a veces prop propor orci cion ona a sopo soport rte e mec! mec!ni nico co al eui euipa pami mien ento to.. En gene genera ral, l, por por supue supuesto sto,, una una com"i com"ina nació ción n adecu adecuada ada de los los aisla aislamie miento ntos s sólido sólidos, s, l#uidos y gaseosos se usado. $os $os proce procesos sos respon esponsa" sa"les les de la desco descomp mposi osició ción n de los los dielé dieléctr ctrico icos s gaseosos se rigen por la r!pida el crecimiento de la corriente de"ido a la emisión de electrones desde el c!todo, la ionización de las part#culas de gas y r!pido desarrollo del proceso de avalanc%a. &uando se produce ruptura de los gases a recuperar su fuerza dieléctrica muy r!pido, los l#uidos y recuperar parcialmente dieléctricos sólidos pierden su fuerza por completo. $a descarga de los dieléctricos sólidos no sólo depende de la magnitud del voltaje aplicado pero tam"ién es una función del tiempo para el ue se aplica el voltaje. En términos generales, el producto de la tensión de ruptura y el registro del tiempo reuerido para la descomposición es casi una constante, es decir. V b
=
ln t b =constante
$as caracter#sticas se muestran en la 'ig. (.()
'ig. (.(). *ariación de la zona
V b
con el tiempo de aplicación
+ntrinsic electromec%anical Electromec!nico intr#nseca
-valanc%e -valanc%a %ermal érmico Erosion Electroc%emical $a erosion Electrouimica $a rigidez dieléctrica de los materiales sólidos se ve afectada por muc%os factores, a sa"er. emperatura am"iente, la %umedad, la duración de la prue"a, impurezas o defectos estructurales ya sea de corriente alterna, corriente continua o las tensiones de c%oue son siendo utilizado, la presión aplicada a estos electrodos etc. El mecanismo de ruptura en sólidos es de nuevo menos comprendido. /in em"argo, como se dijo anteriormente el tiempo de aplicación juega un papel importante en la ruptura proceso, para los propósitos de discusión, es conveniente dividir la escala de tiempo de aplicación de voltaje en regiones en las ue diferentes mecanismos operan. $os diversos mecanismos son 1i2 +ntrinisic 3rea4don 1ii2 Electromec%anical 3rea4don 1iii2 3rea4don Due to reeing and rac4ing 1iv2 %ermal 3rea4don 1v2 Electroc%emical 3rea4don
1 Intrinisic Breakdown /i el material dieléctrico es puro y %omogéneo, las condiciones de temperatura y am"ientales adecuadamente controlada y si se aplica la tensión para un tiempo muy corto, del orden de
−8
10
segundos, el
dieléctrico la fuerza de la muestra aumenta r!pidamente a una l#mite superior conocido como resistencia dieléctrica intr#nseca. $a resistencia intr#nseca, por lo tanto, depende principalmente en el dise6o estructural de la materia. El material en s# mismo y se ve afectada por el am"iente temperatura ue la estructura en s# podr#a cam"iar ligeramente por condición de temperatura. &on el 7n de o"tener el resistencia dieléctrica intr#nseca de un material, las muestras se preparan de modo ue %ay una alta tensión en el centro de la muestra y muc%o "ajo tensión en las esuinas como se muestra en la 'ig. (.(5.
'ig.(.(5 Espécimen dise6ada para la descomposición intr#nseca $a descarga intr#nseca se o"tiene en tiempos del orden de (089 seg. y, por lo tanto, %a sido considera ue es de naturaleza electrónica. $as tensiones reueridas son del orden de un millón de voltios : cm. $os fuerza intr#nseca generalmente se asume ue se %a alcanzado cuando los electrones en la "anda de valencia ganancia su7ciente energ#a del campo eléctrico para cruzar la "anda de energ#a pro%i"ida a la "anda de
conducción. En materiales puros y %omogéneos, la valencia y las "andas de conducción est!n separados por una gran energ#a "rec%a a temperatura am"iente, sin electrón puede saltar de "anda de valencia a la "anda de conducción de conductividad de los dieléctricos puros a temperatura am"iente es, por lo tanto, cero. /in em"argo, en la pr!ctica, sin aislamiento material es puro y, por lo tanto, tiene algunas impurezas y : o imperfecciones en sus dise6os estructurales. $os !tomos de impurezas pueden actuar como trampas para los electrones li"res en los niveles de energ#a ue se encuentran justo de"ajo de la conducción "anda es peue6a. ;n cristal amorfo, por lo tanto, siempre tienen algunos electrones li"res en la conducción "anda. - temperatura am"iente, algunos de los electrones atrapados ser!n e
mero de electrones atrapados de llegar a la "anda de conducción y 7nalmente conduce a la ruptura completa. &uando un electrodo Em"e"ido en una muestra de sólidos se somete a un campo eléctrico uniforme, desglose puede ocurrir. ;n electrón de entrar en la "anda de conducción del dieléctrico en el c!todo se mover! %acia el !nodo "ajo el efecto del campo eléctrico. Durante su movimiento, gana energ#a en caso de colisión y se pierde una parte de la energ#a. /i el recorrido li"re medio es largo, la energ#a o"tenida de"ido al movimiento es m!s de perdido durante la colisión. El proceso contin>a y 7nalmente puede conducir a la formación de una avalanc%a de electrones similar a los gases y conducir! 7nalmente a la ruptura si la avalanc%a supera un cierto tama6o cr#tico
2 Electromechanical Breakdown &uando un material dieléctrico se somete a un campo eléctrico, cargas de naturaleza opuesta se inducen en las dos super7cies opuestas del material y por lo tanto una fuerza de atracción se desarrolla la muestra y se somete a fuerzas de compresión electrost!ticas y cuando estas fuerzas e
d0
y es
comprimido a un espesor d inferior a la tensión * aplicada entonces la tensión de compresión desarrollada de"ido a campo eléctrico es.
Donde ?r es la permisividad relativa de la muestra. /i @ es el módulo de elasticidad , la mec!nica resistencia a la compresión es γln
d0 d
+gualando los dos "ajo condición de euili"rio, tenemos
Diferenciando con respecto a d, tenemos
=ara cualuier valor real de la tensión *, la reducción de espesor de la muestra no puede contener m!s de )0A. /i la relación * : d en este valor de * es menor ue la resistencia intr#nseca de la muestra, una mayor aumento de la * %ar! el espesor inesta"le y colapsa el espécimen. El m!s alto aparente la fuerza se o"tiene entonces mediante la sustitución de d 0,B
d0
en las
e
$a ecuación anterior es sólo apro
medio m!s "ajo se ignora es decir, el efecto de la concentración de tensiones en las irregularidades no se tiene en cuenta.
3 Breakdown due to Treeing and Tracking /a"emos ue la fuerza de una cadena viene dada por la fuerza del esla"ón m!s dé"il de la cadena. /imilar siempre ue un material sólido tiene algunas impurezas en términos de algunas "olsas de gas o "olsas de l#uido en ue la resistencia dieléctrica del sólido ser! m!s o menos igual a la resistencia de las impurezas m!s dé"iles. /upongamos ue algunas "olsas de gas se encuentran atrapados en un material sólido durante la fa"ricación, el gas tiene un pariente permisividad de la unidad y el material sólido el gas ser!
εr
εr
El campo eléctrico en
veces el campo de la material sólido. &omo resultado,
el gas se descompone a una tensión relativamente "aja. $a concentración de carga au# en el vac#o %ar! ue el campo m!s no uniforme. $a concentración de carga en tales %uecos se encuentra a ser "astante grande para dar campos del orden de (0 M* : cm, ue es m!s alta ue incluso la ruptura intr#nseca. Estas concentraciones de carga en los %uecos dentro de la iniciativa dieléctrica a paso a paso y desglose 7nalmente conducir a la completa ruptura del dieléctrico. Desde la ruptura no es causado por una sola descarga canal y asume un !r"ol como la estructura como se muestra en la 'ig. (.B, ue se conoce como ruptura de"ido a la descarga rami7cada. El fenómeno natural se puede o"servar en todos dieléctrica donde los campos no uniformes prevalecen. /upongamos ue tenemos dos electrodos separados por un material aislante y se coloca el conjunto en un entorno al aire li"re. -lgunos contaminantes en forma de part#culas de polvo o %umedad, conseguir!n depositada en la super7cie de la corriente de fuga del aislamiento y comienza entre el electrodo a través de los contaminantes decir la %umedad. $a corriente calienta la %umedad y provoca roturas en las pel#culas de %umedad. Estas peue6as pel#culas a continuación, act>an como electrodos y las c%ispas se di"ujan entre las pel#culas. $as c%ispas causan la car"onización y volatilización del aislamiento y dar lugar a la formación de pistas de car"ono permanentes en la super7cie de aislamientos. =or lo tanto, el seguimiento es la formación de una trayectoria conductora permanente por lo general de car"ono a través de la super7cie del aislamiento. =ara el seguimiento de ue se produzca, el material aislante de"e contener sustancias org!nicas. =or esta razón, para los euipos al aire li"re, el seguimiento limita severamente el uso de aislamiento ue tiene org!nica sustancias. $a tasa de seguimiento puede ser frenado mediante la adición de 7ltros para los pol#meros ue in%i"en car"onización.
El fenómeno natural puede demostrarse f!cilmente en un la"oratorio mediante la aplicación de una tensión de impulso entre los electrodos punto del plano con el punto incrustado en un dieléctrico sólido transparente, tal como ple
4 Thermal Breakdown &uando un material aislante se somete a un campo eléctrico, el material se calienta de"ido a la conducción pérdidas de corriente y dieléctricas de"ido a la polarización. $a conductividad del material aumenta con aumentar en temperatura y se alcanza una condición de inesta"ilidad cuando el calor generado e
&alor ganad oo perdid o
'ig. (.(C $a esta"ilidad térmica o la inesta"ilidad de los diferentes campos. $a muestra de ensayo se encuentra en euili"rio térmico correspondiente al campo E( a temperatura ( como all! ue el calor
generado es menor ue el calor perdido. E
Dirección del Hujo de
'lujo de calor
When electric feld is applied to a solid specimen heat is produced due to dielectric losses in the specimen.
The losses are due to : hmic losses !ipole oscillations "artial discharges due to #oids !ue to losses$ heat is generated in the specimen and the same is dissipated due to conduction and radiation. In practice the solid dielectric is heterogeneous and di%erent domains attain di%erent temperatures due to remaining heat. The temperature in a gi#en domain reaches a #er& high #alue and 'urns the material resulting in car'oni(ation and increase o) conducti#it&. This increases the losses and hence the heat de#eloped resulting in )urther 'urning and increase o) conducti#it&. This process continues leading 'reakdown as shown in the pre#ious fgure.
to
thermal
