Factores que influencian la rigidez dieléctrica de los líquidos aislantes. La rigidez dieléctrica de los aislantes líquidos depende de diferentes factores capaces de modificarla bajo determinadas condiciones. Entre estos factores se tienen la temperatura, la presión estática aplicada, la distancia entre las partes vivas de los equipos, el material y la condición superficial de los electrodos, y el contenido de impurezas del aceite. Estos factores son descritos en los siguientes incisos. Temperatura y Presión El efecto de la temperatura en la rigidez dieléctrica de aislantes líquidos depende del grado y tipo de impurezas contenidas en el mismo. Un ejemplo de esto, cuando un transformador se encuentra sumergido en aceite con alto grado de pureza, su rigidez dieléctrica es insensible a la temperatura, excepto cuando se acerca al punto de ebullición. En este punto, decrece drásticamente la rigidez, posiblemente por la formación de burbujas de vapor. Los aceites con rastro de humedad, muestran muestran sensibilidad a las variaciones variaciones de temperatura en un rango desde
-20 °C hasta su punto de ebullición alrededor de 250
°C. La rigide rigidez z dieléc dieléctric trica a de los aislan aislantes tes líquid líquidos os someti sometidos dos a corrie corriente nte directa o alterna, se incrementa significativamente cuando se les aplica presión. Un incremento incremento de la presión a 10 veces la de la atmósfera, atmósfera, puede ocasion ocasionar ar un aumento del 50% de la rigidez dieléctrica dependiendo del tipo de líquido. Otro efecto de la presión es evitar descargas antes de la ruptura. Esto se encuentra soportado en la teoría de la burbuja de la ruptura de líquidos. Bajos muchos impulsos rápidos de voltaje no mayores a 0,05 μs, el voltaje de ruptura es insensible tanto a la presión como a la temperatura.
Condición superficial y abertura de los electrodos. El voltaje voltaje de ruptura de un aceite aceite depende depende del ancho, ancho, así como de la forma y material de los electrodos. Para aberturas con alta desuniformidad de campo, tal como el caso de la abertura entre un punto y una esfera, hay un
efecto de polaridad. La ruptura con polaridad negativa en corriente directa es mucho menor que a la polaridad positiva, hasta una distancia crítica de la abertura en la cual la relación se revierte. Esta distancia crítica depende del líquido y del material del electrodo. El material de la capa superficial del cátodo determina el estrés eléctrico necesario para la emisión de electrones. Estos electrones juegan un papel decisivo en la conducción y en el proceso de ruptura. El tamaño y forma de los electrodos determina el volumen de líquido sujeto a alto estrés eléctrico y el grado de la desuniformidad del campo. Cuanto mayor sea el volumen, más alta es la posibilidad de contener impurezas. Al aumentar estas partículas presentes, menor será la tensión de ruptura del líquido. La sensibilidad de ruptura de los líquidos a estos factores es mayor para corriente directa y alterna que para pulsos rápidos de tensión. Así, la relación de impulso de separaciones no uniformes
de líquidos contaminados o
técnicamente puros puede ser siete veces más, mayor que las aberturas en gases con características geométricas similares. También se ha demostrado que sometiendo a estrés el aceite con alto voltaje por un largo tiempo, tiende a aumentar la separación para un determinado voltaje de ruptura. Esto se conoce como condición de abertura del aceite. Las partículas en suspensión de acumulan en las zonas de concentración de campo. Puntos de microrugosidad en los electrodos se erosionan por descargas de corriente concentradas. Una película con los subproductos de las descargas graduales cubre el área de ambos electrodos. En el caso de aceites de silicon, repetidas rupturas, tiende a cubrir los electrodos con una capa de gel y productos sólidos en descomposición. Impureza Las impurezas involucran partículas sólidas de carbón y cera, subproductos del envejecimiento y descargas, fibras de celulosa, residuos de procesos de filtración, agua, ácidos y gases. Estas impurezas usualmente ocasionan una reducción de la rigidez dieléctrica de los aislantes líquidos, el mayor efecto que existe es la presencia simultánea de humedad y fibras. Las
fibras de celulosa son conocidas por su propiedad higroscópica, atrayendo agua de su ambiente en forma de líquido o vapor. Bajo corriente directa y alterna el efecto de la humedad es drástico en líquidos meticulosamente puros, mucho mayor que para líquidos comerciales. El efecto de la humedad es menos pronunciado en el caso de abertura del aceite con campos muy poco uniformes y con líquidos sin contenido de fibras. La solubilidad del agua es considerablemente más alta en aceite de silicon y ésteres fosfato que en aceite mineral, éstos necesitan mayor cuidado con su nivel de pureza y mantenimiento. Partículas de metal pueden estar presentes en dieléctricos líquidos, particularmente en los utilizados para interruptores y transformadores. Su presencia reduce la rigidez dieléctrica del aceite en más de 70%. La Figura x ilustra este fenómeno, en el cual largas y delgadas partículas contribuyen a la reducción de la rigidez de ruptura del aceite. Aceites Aislantes en movimiento El comportamiento de transformadores en aceite y otros fluidos dieléctricos usados para el enfriamiento y aislamiento de equipos de sistemas de potencia es altamente influenciado por el movimiento generado por la acción de bombas de circulación. Se deben considerar dos factores importantes. Uno, cargas generadas por electrificación de fluidos en partes críticas de un circuito hidráulico teniendo alta velocidad y
turbulencia
puede
acumularse y
distorsionar el campo eléctrico en posiciones donde la integridad del dieléctrico es perjudicada. acción del flujo.
También, la rigidez dieléctrica del fluido es alterada por la Separación de cargas en la interfaz entre un fluido en
movimiento y el contorno de un sólido puede dar lugar a la generación de importantes campos eléctricos. Ya sea solos o en combinación con el campo eléctrico existente impuesto por la energización de los equipos, esto puede ocasionar una falla de aislamiento. En contraste, durante las pruebas al aceite, el flujo continuo de aceite incrementó la rigidez dieléctrica, esto puede apreciarse en la Figura x.
El
incremento depende del material del electrodo y es más grande con electrodos
de acero que con latón. El incremento de la rigidez dieléctrica puede explicarse asumiendo que el flujo de aceite impide la entrada de impurezas en la abertura o que el movimiento del aceite retarda el establecimiento de partículas puente entre los electrodos. El cambio de la rigidez dieléctrica fue significativo con una velocidad del aceite de 3 cm/s, aunque a mayor velocidad es normalmente necesario tener tal efecto. Para complicación adicional a la situación, excesivo incremento en la velocidad del aceite ocasiona turbulencia en el flujo, donde pueden crearse burbujas de gas lo cual conduce a una reducción de la rigidez dieléctrica. Envejecimiento Cuando un aislante líquido ha permanecido a elevadas temperaturas y bajo estrés eléctrico y expuesto a oxígeno, se degradan sus propiedades. Aumenta el contenido de humedad y el nivel de acidez, mientras que la resistividad y la rigidez dieléctrica decae. La oxidación del aislante líquido es acelerada a altas temperaturas, con más oxígeno presente y en la presencia de un catalizador como lo es el cobre. A baja viscosidad, los aceites muy puros tienen mayor tendencia a disolver aire y oxígeno, comienzan a oxidarse más rápido que los aceites de menor grado y mayor viscosidad. Mientras el aislante líquido está en servicio o almacenado en contacto con oxígeno, algunas partículas impuras inevitablemente estarán presentes. Así las partículas aumentarán en tamaño. Silenciosas descargas de tipo corona y corrientes de fuga concentradas ayuda a la formación de agua, resinas ácidos y con esto aparición de hidrógeno. Descargas disruptivas tales como arcos o intenso calentamiento localizado del aislante líquido y sólido produce partículas de carbón, y gases como el monóxido de carbono, dióxido de carbono y acetileno. A menudo se forma cera por polimerización de aceite en las paredes de burbujas de gas cuando las burbujas comienzan a ionizarse. Los agresivos ácidos producto de la oxidación y descarga atacan el aislamiento sólido, hierro y cobre inmersos en el líquido. Para mantener las cualidades de un aislante líquido en servicio, sus importantes propiedades físicas, químicas y eléctricas tienen que ser regularmente revisadas. Antes que las cualidades del aislamiento líquido
cambien más allá de los niveles permitidos, se deben tomar medidas especiales para recuperar el líquido. Aditivos Para prolongar la vida de los líquidos aislantes en servicio se pueden tomar dos acciones. La primera se debe inhibir el proceso de oxidación. El segundo es tratar la oxidación para minimizar sus efectos que deterioran las propiedades de los líquidos. Para empezar, para minimizar el nivel de oxidación la cantidad de oxigeno disuelta en el o que este en contacto debe ser disminuida. Esto se logra disolviendo inhibidores de oxidación en el liquido. Estos inhibidores reaccionan con los productos de la oxidación y por lo tanto los detienen. Existen también pasivadores que reaccionan con sales metálicas que de otra manera actuarían como catalizadores para la oxidación. La cantidad de sal añadida al liquido esta en el orden de 0.1% aunque la cantidad exacta para resultados óptimos depende de la sal y la composición del liquido. Los inhibidores reaccionan con los radicales libres y peróxidos producidos por la oxidación y detienen su reacción en cadena. Reaccionando con los peróxidos de los radicales los pasivadores pueden prevenir la formación naftenatos de cobre y hierro los cuales son catalizadores de la oxidación.
