ALTA TENSIÓN I
ALTA TENSIÓN
CAPITULO 1
Descargas y perforaciones
en aislamientos gaseosos,
líquidos y sólidos
CONTENIDO
• Tipos de aislamientos y sus características
• Comportamiento de aislantes sólidos,
• líquidos y gaseosos
• Rigidez dieléctrica
• Técnicas Disruptivas
• Efecto Corona
• Efecto Aislador
CAMPOS ELÉCTRICOS, MAGNÉTICOS Y
ELECTROMAGNÉTICOS
• Campo eléctrico. - Es una cantidad que es función del
espacio, siendo una descripción cuantitativa de la
atracción o repulsión de una carga eléctrica, siendo la
carga eléctrica la intensidad el campo eléctrico.
• Campo magnético.- Es una porción de espacio cercana
a un cuerpo magnético que porta corriente en el cual
están presentes fuerzas del cuerpo magnético, siendo
una región alrededor de un imán el cual posee una fuerza
magnética.
• Campo electromagnético.- Esta compuesto de campos
eléctricos y magnéticos, están relacionado teóricamente
que se los puede expresa mediante las ecuaciones de
Maxwell´s en las condiciones limites dadas.
ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS :
Ondas transversales en donde los vectores intensidad
de campo eléctrico 𝐸 y magnético 𝐵 varían en forma
periódica siendo las de las direcciones de propagación
perpendicular al plano formado por ambos.
Velocidad de propagación
en el vacío:
𝐹 𝑁
𝑉
𝐸= ,
=
𝑞 𝐶
𝑚
Permitividad.
2
𝑚
𝜀0 = 4𝜋 ∙ 9𝑥109 𝑁 ∙ 2
𝐶
CAMPOS ELECTROESTÁTICOS Y MAGNÉTICOS.
CARGA – PROPIEDAD MATERIA
Carga:
En reposo = Iteración eléctrica.
En movimiento = Iteración electromagnética.
Campo electromagnético: Se puede propagar en
el espacio.
1𝑒 − = 1.6 ∙ 10−19 𝐶𝑜𝑙𝑢𝑚𝑏𝑖𝑜 [𝐶
Dos cuerpos con carga q y 𝑞, se atraen o repelen
dependiendo de sus signos con una fuerza.
Donde
Vector unitario
que une las
cargas.
Permitividad en el vacío.
2
𝑚
𝜀0 = 4𝜋 ∙ 9𝑥109 𝑁 ∙ 2
𝐶
Constante que
depende
del
medio.
(Permitividad)
INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO
Líneas de fuerza
Un campo eléctrico se presencia cuando al
colocarse una carga eléctrica dentro de una
región aparece una fuerza sobre ella.
El campo eléctrico se presenta por medio de líneas
de fuerza.
Las flechas representan el
sentido de las fuerzas del
campo.
LA INTENSIDAD DE CAMPO ELÉCTRICO SE
DEFINE:
𝐹 𝑁
𝑉
𝐸= ,
=
𝑞 𝐶
𝑚
Si 𝑬 es producido por una carga
puntual
1 𝑞 𝑥 𝑞,
1 𝑞
4𝜋𝜀0 𝑟 2
𝐸=
𝑢𝑟 =
𝑢𝑟
,
2
𝑞
4𝜋𝜀0 𝑟
El flujo Φ del vector campo eléctrico 𝑬 a través de una
superficie 𝑺
Φ = 𝐸 ∙ 𝑆 = 𝐸 ∙ 𝑆 ∙ cos 𝜃
𝜃∢ 𝐹𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟: 𝐸𝑦𝑆
𝑺 = El valor del área de la superficie.
Su dirección es perpendicular a la superficie y su sentido
es saliente a la superficie.
• Si la carga q es la que crea el
campo y si corresponde a una
esfera.
∴𝚽=𝑬∙𝑺
𝚽=
𝒒
𝟒𝝅𝛆𝒓𝟐
∙
𝟒𝝅𝒓𝟐
𝒄𝒐𝒏 𝜽 = 𝟎
=
𝒒
𝜺
• El flujo del campo eléctrico a
través de la superficie esférica
de radio r es igual al valor de la
carga encerrada en la esfera.
TEOREMA DE GAUSS
El flujo del campo eléctrico a través de cualquier superficie
cerrada es igual a la carga que encierra esa superficie
dividida por la permisividad.
CONSECUENCIAS:
I.
II.
En el exterior de una esfera cargada, el campo eléctrico
se comporta como si toda la carga estuviese en el centro
de la misma.
En el interior de una esfera hueca cargada
𝐸 = 0.
POTENCIAL ELÉCTRICO.
Sea un campo electrostático cerrado por una carga puntual
+ 𝑞 en un medio de constante dieléctrica ε.
 El trabajo w para desplazar una carga (negativa) situada en el punto A hasta
el punto B.
1
𝑑𝑤 = 𝐹 𝑑𝑟 = −
𝑥 𝑞𝑥 𝑞𝑜𝑢𝑟 𝑢𝑟 𝑑𝑟
4𝜋ε𝑟 2
1
=
𝑞𝑞𝑜𝑑𝑟
4𝜋ε𝑟 2
 Entonces el trabajo se va a desplazar
de A – B.
𝑞𝑞𝑜 𝑑𝑟
𝑞𝑞𝑜 𝐵 𝑑𝑟
𝑊=−
=−
4𝜋ε𝑟 2 𝑟 2
4𝜋ε𝑟 2 𝐴 𝑟 2
𝑞𝑞𝑜
=
4𝜋ε
1 𝑟𝐵
𝑟 𝑟𝐴
𝑞𝑞𝑜 1
1
=
−
4𝜋𝜀 𝑟𝐵 𝑟𝐴
Se llama 𝑉 = Al potencial eléctrico.
𝑉=
𝑞
4𝜋εr
∴ El trabajo para trasladar la unidad
de carga negativa desde un punto A
al B es la diferencia de potencial
∆𝑉 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐴 Existente.
Sirve ambos puntos 𝑉 = Trabajo
por unidad de carga.
Si una región del espacio se tiene un campo eléctrico
uniforme:
El trabajo de llevar q desde A hasta B
𝑊𝐴𝐵 = ∆v ∙ q Pero 𝑊𝐴𝐵 = 𝐹 ∙ 𝑑
Como 𝐸 =
𝐹
𝑞
𝐹 = 𝐸∙𝑞
∴ ∆v ∙ q = 𝐹 ∙ 𝑑 = 𝐸 ∙ 𝑞 ∙ 𝑑
∆𝑣
𝑉
∴ 𝐸=
=
𝑑
𝑚
CAMPO MAGNÉTICO
electrones giran alrededor del núcleo
atómico produciendo corrientes eléctricas a nivel
microscópico que en determinadas ocasiones
puede dar lugar a un campo magnético.
• Los
𝐵[𝑇𝑒𝑠𝑙𝑎 [𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠
1 𝑇𝑒𝑠𝑙𝑎 = 104 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠
Campo magnético creado por un
conductor rectilíneo
Ley Biot-Savart
• Si por un conductor rectilíneo circula una
corriente I, el campo magnético a una
distancia B viene dado por:
𝑢∗𝐼
𝐵=
2∗𝜋∗𝑑
𝑢 → 𝑃𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑
𝑢0 = 4𝜋10−7 𝑁/𝐴2
•𝐵
es tangencial al plano perpendicular al
conductor y su sentido el indicado por los dedos
de la mano derecha.
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
• Un campo magnético también puede generar
corrientes magnéticas.
• Si se mueve un imán a una bobina se detecta
una corriente eléctrica que desaparece cuando
cesa el movimiento del imán.
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜
𝜙𝐵
𝑀𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜
𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎
𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎 , 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜, 𝑠𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎 𝑢𝑛𝑎
𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑎 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑒𝑧
𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜
Si una espira de radio r se encuentra dentro de un
campo magnético B el flujo 𝜙𝐵 del vector 𝐵 a
través de la espira es:
𝜙𝐵 = 𝐵. 𝑆
Como la corriente se genera si en los extremos
hay una 𝑓𝑒𝑚 o 𝜀 inducida; se tendrá
𝑑 𝜙𝐵
𝑑
𝜀 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎 =
=−
(𝐵𝑆. cos 𝜃)
𝑑𝑡
𝑑𝑡
𝜃 → ∡ 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝐵 𝑦 𝑆
𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑚𝑜𝑡𝑟𝑖𝑧
𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑜 − 𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒 𝑢𝑛𝑎 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑎𝑙 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑜𝑝𝑜𝑛𝑒
𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜
INTRODUCCIÓN A LA AISLACIÓN
DE EQUIPO DE ALTA TENSIÓN
Puede ser externo o interno
• A. Externo  Separaciones en aire a lo largo de la
superficie de los aisladores situados en contacto
directo con el ½ ambiente. Depende de cambios de
presión, temperatura y humedad. Ese Aislamiento
puede ser situado en exteriores o interiores.
• A. Interno  Es cualquier tipo de material aislante:
solido, líquido o gaseoso que no está expuesto a las
condiciones atmosféricas.
• A. Externo  Debe soportar esfuerzos eléctricos,
mecánicos, derivados del medio ambiente. Sin que
presente fallas.
• Características del aislamiento externo:
• Uno de los problemas que más importa en el desarrollo
de los sistemas eléctricos es el de garantizar un
aislamiento apropiado a las líneas y subestaciones, pues
de ello depende en gran medida la confiabilidad del
sistema, responsabilidad que recae sobre los aisladores
que conforman el mismo.
• Características del aislamiento externo:
• Los aisladores que conforman el aislamiento externo de
los sistemas de transmisión y de distribución deben ser
capaces de soportar la tensión normal de trabajo del
sistema, así como las sobretensiones que se produzcan,
tanto por rayos como por problemas internos del sistema.
• Es decir, los aisladores deben cumplir los parámetros
de aislamiento establecidos para el sistema de que se
trate y deben mantener en todo momento la corriente de
filtración a través de ellos en valores bajos, aún bajo
condiciones de alta humedad, a fin de evitar descargas
superficiales y pérdidas de energía
• Características del aislamiento externo:
• Las partes aislantes de los aisladores para exteriores
deben ser capaces de soportar la acción del medio
ambiente sobre ellos sin que se altere su composición ni
se dañe su superficie, es decir, deben ser capaces de
soportar el efecto térmico de las descargas, la acción de
las radiaciones solares, los cambios bruscos de
temperatura debido a las lluvias, etc., sin que se alteren
sus características aislantes en forma apreciable.
• Además sus partes metálicas deben ser capaces de
soportar la acción corrosiva del medio ambiente y de la
corriente de filtración por efecto electrolítico, sin que se
produzca debilitamiento mecánico alguno que pueda
poner en peligro su operación
• Características del aislamiento externo:
• En el caso de las sobretensiones el esfuerzo a que está
sometido el aislamiento es cambiante, ya que la magnitud
de las sobretensiones varía dentro de límites muy
amplios, por lo que para determinar la probabilidad de
que el aislamiento falle ante una condición de
sobretensión dada es necesario recurrir a pruebas de
laboratorio para determinar la distribución del esfuerzo
(E) y su comportamiento ante la rigidez del aislamiento
(R).
• Si se cumple que E > R el aislamiento fallará.
• Características del aislamiento externo:
• Los fenómenos que pueden hacer que se presenten
descargas disruptivas en el aislamiento externo son las
descargas superficiales debido a la contaminación y las
sobretensiones, correspondiendo al primero la primacía a
la hora de seleccionar la forma y longitud de la línea de
fuga del aislamiento.
• Pero una vez determinados estos parámetros, teniendo
en consideración este fenómeno, es necesario determinar
su comportamiento ante las sobretensiones a fin de
determinar si la distancia disruptiva en aire de los
mismos es la adecuada.
2 Tipos de esfuerzos eléctricos
Esfuerzos de corta duración y gran intensidad._
Por sobretensiones internas y externas. Provocan la
brusca ruptura del aislamiento asociado en ocasiones
a fallas del sistema.
En sistemas hasta de 275 KV. La más importante es la
producida por los rayos. Sobre esta tensión se
consideran sobre tensiones internas.
La magnitud de la sobre tensión depende del nivel de
tensión de la instalación.
Esfuerzos
de larga
conducción
y poca
intensidad._ Asociado a conducciones normales de
exploración; por desviaciones en la tensión, por
contaminación ambiental, o la fuerza de uniformidad
en la distribución de tensión a lo largo de los aislantes.
Se deben al envejecimiento de los
combinaciones entre ellos y materiales.
aislantes,
El material de los aislantes es fundamental y su
estado (existencia, cavidades o desperfecto) para
prevenir el envejecimiento.
El medio repercute por la contaminación y su
acción físico-química con el aislamiento o la
corrosión con metales.
Incremento de corriente de fuga; el ozono
producido en las descargas, la corrosión.
Los esfuerzos mecánicos dependen de las
condiciones de la instalación, viento; a veces
estos esfuerzos se traducen en esfuerzos
constantes de tensión y compresión.
COMPORTAMIENTO
DE
LOS
AISLANTES SOLIDOS LÍQUIDOS Y
GASEOSOS.
𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠
𝐸𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑡𝑒𝑐𝑛𝑖𝑐𝑜𝑠
𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠
𝑆𝑒𝑚𝑖𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠
𝐴𝑖𝑠𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
𝑀𝑎𝑔𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑜𝑠
Conductividad eléctrica  Indica cual es el
comportamiento de los tres primeros frente a un campo
eléctrico.
• Desde un punto de vista más práctico puede clasificarlos
en función de su resistividad volumétrica:
𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠
→ 10−12 − 10−6 Ω − 𝑐𝑚
𝑆𝑒𝑚𝑖𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 → 10−6 − 1010 Ω − 𝑐𝑚
𝐴𝑖𝑠𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
→ 1010 − 1020 Ω − 𝑐𝑚
• La diferencia entre los tres grupos de materiales están
dadas por la cantidad de energía que se requiere que los
portadores pasen.
𝐵𝑎𝑛𝑑𝑎
𝐵𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒
→
𝑃𝑟𝑜ℎ𝑖𝑏𝑖𝑑𝑎 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛
Material
Aislante
B.P.
Conductividad
Recrecimiento
Energético
Muy
grande
No hay
conductividad de
electrones
Mucha energía para
saltar
Puede haber
conductividad
Pequeñas acciones
energéticas
externas
Semiconductor Estrecha
Conductores
No existe Fácil conductividad
Mínimo
Aislantes  Usados para aislar eléctricamente la corriente de
dispositivos eléctricos.
𝑆𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠
𝐶𝑙𝑎𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜𝑠
𝐺𝑎𝑠𝑒𝑜𝑠𝑜𝑠
𝐹í𝑠𝑖𝑐𝑎
“𝐸𝑛𝑑𝑢𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠” → 𝐸𝑠𝑚𝑎𝑙𝑡𝑒𝑠 𝑜 𝐵𝑎𝑟𝑛𝑖𝑐𝑒𝑠
𝑂𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑜𝑠 → 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜𝑠 𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜;
(𝑜𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜, 𝑎𝑙ó𝑔𝑒𝑛𝑜𝑠)
𝐶𝑙𝑎𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝐼𝑛𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑜𝑠 → 𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐𝑖𝑜, 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜, 𝑜𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜
𝑄𝑢í𝑚𝑖𝑐𝑎
𝑆𝑒𝑚𝑖𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑜𝑠 → 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑜𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠
(𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐𝑖𝑜, 𝑣𝑖𝑑𝑟𝑖𝑜, 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑙𝑎𝑛𝑎, 𝑚𝑖𝑐𝑎)
Bajo la acción de un campo eléctrico se presentan
una serie de fenómenos comunes:
• Polarización
• Conducción
• Generación de calor debido a las pérdidas de
energía en el interior
• Ruptura de los campos eléctricos superiores de
critico (se requiere un análisis particular según el
tipo de aislante)
+ Temperatura de Trabajo
CARACTERÍSTICAS ATÓMICAS MATERIALES AISLANTES
• Las sustancias aislantes se distinguen entre sí por la
distribución espacial de las partículas cargadas. Que componen
sus moléculas, de esa forma se dividen en:
1. Materiales aislantes polares
2. Materiales aislantes no polares
1. Materiales aislantes polares
Sus centros no coinciden espacialmente y la molécula
se puede considerar como un dipolo eléctrico.
Ejemplo: Agua (𝐻2 𝑂)
u=𝑞∗𝑙
u= Momento eléctrico
q= Carga eléctrica
𝑙 = Brazo del dipolo eléctrico
2. Materiales Aislantes no polares
Los centros de
espacialmente.
las
cargas
+
y
Ejemplo: 𝐶𝑂2
Como 𝑙 = 0
u= 0
–
coinciden
POLARIZACIÓN DE LOS MATERIALES
AISLANTES
• Cuando los materiales aislantes (polares o no
polares) están bajo la influencia de un campo
eléctrico externo las cargas eléctricas ligadas al
dieléctrico se desplazan en la dirección de las
fuerzas que actúan sobre ellos y este
desplazamiento es proporcional a la intensidad
de campo eléctrico.
LOS AISLANTES DIPOLARES
• La acción del 𝐸 provoca la orientación de
los dipolos en la dirección de 𝐸.
• Al quitar quita 𝐸 los dipolos se desorienta.
• El movimiento no es instantáneo y va
acompañado de disipación de energía o
calor.
• Generalmente en las sustancias aislantes
se tiene un desplazamiento eléctrico que
es en función de 𝐸.
Las sustancias ferro eléctricas son dieléctricos que
al cambiar la intensidad de campo eléctrico, el
desplazamiento no es lineal y se presenta
saturación cuando 𝐸 tiene un valor determinado.
En las sustancias no polares, al aplicar un 𝐸 las
cargas se desplazan en dirección en dirección de
las fuerzas que intervienen en forma instantáneas
sin desprendimiento de calor.
PERMITIVIDAD
está determinada por la tendencia de un material a
polarizarse ante la aplicación de un campo eléctrico y de
esa forma anular parcialmente el campo interno del
material.
La fuerza que actúa en las dos cargas puntuales
(ley coulomb).
𝐹=
𝑞1 𝑞2
𝜀𝜀𝑜 4𝜋𝑟 2
𝑟𝑜 (Newton)
𝑟𝑜 → Vector unitario dirigido según la recta que siga
las cargas.
𝜀 = Permitividad relativa
• 𝜀𝑜 = 6.859 ×
𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑
−12
10
𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
→ Constante dieléctrica
• 𝜀𝜀𝑜 → Permitividad absoluta.
• 𝜀 > 1 Cualquier sustancia
• 𝜀 = 1 El vacío
Sustancia
Permitividad
Estado
Aire
1,00059
Gas
Hidrogeno
1,00027
Gas
Oxigeno
1,00055
Gas
Nitrógeno
1,00060
Gas
Tetracloruro de
carbono
2,24
Líquido
Benceno
2,28
Líquido
Tolueno
2,39
Líquido
Aceite de
transformador
2,25
Líquido
Porcelana
6 - 8.
Sólido
Poliestireno
2,6
Sólido
Baquelita
4,8
Sólido
Teflón
2,1
Sólido
• Un capacitor cuya capacidad en vacío es 𝐶𝑜
𝐶 = 𝜀 ∙ 𝐶𝑜
𝜀=
𝐶
𝐶𝑂
∴ Si se mide la capacidad en el vacío y luego con
𝐶 se calcula 𝜀.
VARIACIÓN DE LA PERMITIVIDAD CON LA FRECUENCIA
Y LA TEMPERATURA.
La Permitividad cuantifica la propiedad de los
dieléctricos de polarizarse.
• Para los dieléctricos no polares la Permitividad es
independiente de los cambios de frecuencia
del campo eléctrico aplicada.
• Para los dieléctricos polares la polarización
solo puede tener efecto en campos de hasta
determinada frecuencia, si la 𝑓 aumenta
la polarización disminuye y también l
a permitividad.
𝑓𝑜 → Frecuencia crítica
0 − 𝑓𝑜 → 𝜀 ≈ Constante
> 𝑓𝑜 → 𝜀 ↓→
Hasta un
valor constante
𝑘𝑇
𝑓𝑜 =
8𝜋𝜂𝑟 3
k→ Constante
𝑇 → Temperatura absoluta
𝑟 → Radio molécula
𝜂 → Viscosidad dinámica
La permitividad depende de la temperatura excepto
en los dieléctricos no polares.
En los dieléctricos polares a bajas temperaturas se
baja la permitividad pues las fuerzas de interacción
son fuertes y evitan que los dipolos se orienten.
Si aumenta la temperatura las fuerzas disminuyen
permitiendo una mayor orientación de los dipolos.
Esto se mantiene hasta que la energía térmica sea
tan alta que dificulte su giro, a partir de esa
temperatura la permitividad comienza a disminuir.
CONDUCTIVIDAD EN LOS DIELÉCTRICOS
La corriente que circula a través de los
dieléctricos se denomina corriente de fuga y su
magnitud depende de la magnitud de la
corriente de conducción propia a la tensión de
que se trate.
La conductividad de los dieléctricos en C.A.
Se puede entender analizando a un capacitor de
placas paralelas
𝐴
𝐶𝑜 = 𝜀𝑜
𝑑
𝐶𝑜 → Capacitancia en el vacío
𝑉 =𝑍∗𝐼
1
𝑍=𝑗
𝑤𝑐
• Despejando la corriente se tiene:
𝐼 = 𝑗𝑤𝑐(𝑉)
𝐼 = 𝑗𝑤𝜀𝑟 𝐶𝑜 𝑉
• La corriente (Alterna) que circula está dado por:
𝐼 = 𝑗𝑤𝜀𝑟 𝐶𝑜 𝑉
• Corriente Alterna
𝜀𝑟 = 𝜀 ′ − 𝑗𝜀“
∴ 𝐼 = 𝑗𝑤(𝜀 ′ − 𝑗𝜀")𝐶𝑜 𝑉
𝐸=
𝑉
𝑑
→ Campo eléctrico
𝑉 =𝐸∙𝑑
𝐼 = 𝑗𝑤(𝜀 ′ − 𝑗𝜀")𝐶𝑜 𝑉
Como
𝐽=
𝐼
𝐴
→ Densidad de corriente
𝑗𝑤(𝜀 ′ − 𝑗𝜀")𝐶𝑜 𝑉
𝐽=
𝐴
Reemplazando el valor de
Tenemos:
𝐴
𝐶𝑜 = 𝜀𝑜
𝑑
𝑗𝑤(𝜀 ′ − 𝑗𝜀") 𝜀𝑜 𝐴
𝐽=
∙
∙𝑉
𝐴
𝑑
𝑉
𝐽 = 𝑗𝑤(𝜀 − 𝑗𝜀") ∙ 𝜀𝑜 ∙
𝑑
′
𝐽 = 𝑗𝑤(𝜀 − 𝑗𝜀") ∙ 𝜀𝑜 ∙ 𝐸
𝐽
= 𝑗𝑤(𝜀 ′ − 𝑗𝜀") ∙ 𝜀𝑜
𝐸
′
Entonces la conductividad total de un dieléctrico es:
𝐽
𝐸
= 𝑤𝜀𝑜 𝜀" − 𝑗𝑤𝜀𝑜 𝜀 ′
CONDUCCION DE LOS GASES
Es el flujo de corriente a través de un medio
gaseoso. Se requiere 2 condiciones para que
circule una corriente en un gas:
1. Ionización del medio (partículas)
2. Que exista un 𝐸 que ponga en movimiento
dichas partículas.
TIPOS DE CONDUCCIÓN
1. Descarga de Townsend o descarga oscura
I<1 ∗ 10−6 A en condiciones normales.
2. Descarga luminosa o magnitud de la corriente
varía I=10−6 a 10−1 A.
3. Descarga por Arco I> 1 – 10−1 A.
DESCARGA DE TOWNSED:
Corriente pequeña no visible puesto que la cantidad
de átomos excitados capaces de emitir luz es muy
pequeña.
Requiere de una fuente externa aparte de 𝐸 para
producir electrones recorridos para iniciar la
conducción.
Sea el siguiente circuito:
 Se tiene dos electrodos a los que
se aplica tensión.
 Uno de los electrodos (cátodo) es
irradiado con luz ultravioleta.
 El cátodo emite electrones.
 La emisión depende de la
intensidad de la luz.
 Si se mantiene un nivel de
irradiación fijo y se varía la
tensión se tiene.
CARACTERIZACION GENERAL DE LA CORRIENTE CONTRA LA
TENSION PARA UN AISLANTE GASEOSO
I) ZONA
𝐼 = 𝑛0 𝑞 (𝑉+ + 𝑉− )
𝑛0
𝑞
𝑉+
Porciones de carga
Carga electrón
Velocidad resultante de portadora (+) Por acción de 𝐸
Velocidad resultante de las portadoras negativos (𝑒 − ) por
acción de 𝐸
𝑉−
I. ZONA DE SATURACIÓN
En el aire:
𝐼𝑜 = 10−15 𝐴/𝑚2
𝐼𝑜
corriente saturacion
Por lo tanto el aire es un dieléctrico muy bueno.
A medida que se acumula la tensión se tiene una energía
cinética de los electrones.
∈ 𝒌 = 𝑬 ∗ 𝒒 ∗ 𝛌𝐦
Donde:
∈ 𝑘, Energía cinética
𝐸,
Intensidad de campo eléctrico
𝑞,
Electrón
λm, Distancia media del recorrido de
electrones.
Esto provoca que en el límite de II - III que las
moléculas neutras se ionicen
 Ionización por CHOQUE
 Ionización primaria
 Ionización por choques
Este fenómeno se cuantifica en base al primer
coeficiente de ionización (𝛼) o coeficiente de ionización
de Townsend.
III-IV Aumenta la tensión se produce la emisión
secundaria, estos fenómenos se cuantifican con el
segundo coeficiente de ionización de Townsend.
PRIMER COEFICIENTE
TOWNSED
DE
IONIZACION
DE
Que un electrón que viaja a través de un gas pueda ionizarlo.
E𝑞 λ ≥ q 𝑈𝑖
E𝑞
Energía del electrón
𝑞 𝑈𝑖
Energía de ionización del gas
𝑈𝑖
Tensión de ionización del gas
El electrón debe recorrer entre choque y choque.
𝝀𝒎𝒊𝒏
𝑼𝒊
≥ 𝛌<=
𝑬
Si
𝑛0
Número de electrones en el haz.
𝑛
Número de electrones que es capaz de
recorrer
λ𝑗
𝑈𝑖
𝑛 = 𝑛0 exp
= 𝑛0 exp
λ𝑚
λ𝑚 𝐸
λ𝑚
Distancia medida recorrida.
La ionización dependerá del choque entre electrones
en movimiento y las moléculas o átomos del gas
dependen de la:
1. Energía del electrón
2. Características del gas
3. Reducción del área probable del choque, con la
energía del gas y de los electrones.
4. Polarización
CON LOS FACTORES ANTERIORES SE
DETERMINA:
PRIMER COEFICIENTE DE TOWNSEND
PRIMER COEFICIENTE DE TOWNSEND:
Define para cada gas el número de electrones
producidos por un electrón cuando recorre una
distancia de 1 cm en dirección preferencial que le
impone el 𝐸 en el interior del gas.
Como la energía que puede alcanzar un electrón
moviéndose en el interior del gas depende de:
• Campo eléctrico (E)
• Presión del gas (P)
PRIMER COEFICIENTE DE TOWNSEND:
Se tiene:
𝛼
𝐸
= 𝑓𝑖
𝑃
𝑃
𝑆𝑖 𝑃 ↑ 𝑒𝑙 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑜𝑞𝑢𝑒𝑠 ↑
∴ ↑ 𝑃𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑖𝑜𝑛𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛
∴ 𝛼 ↑ 𝑠𝑖 𝑃 ↑
𝛼 ↓ 𝑠𝑖 𝑃 ↓
EN LA REGION I Y III
El incremento del número de electrones debido a la
ionización por choques cuando el haz de electrones
recorre una distancia dx:
𝑑𝑛 = 𝛼 ∗ 𝑛 ∗ 𝑑𝑥
𝑑𝑛
= 𝛼 ∗ 𝑑𝑥
𝑛
𝑑𝑛
=
𝑛
𝛼 ∗ 𝑑𝑥
𝒍𝒏 𝒏 = 𝜶𝒙 + 𝒄
PRIMER COEFICIENTE DE TOWNSEND:
𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑥 = 0
ln 𝑛0 = 𝑐
∴ ln 𝑛 = 𝑐𝑥 + ln 𝑛0
Despejando “n”
𝑛 = 𝑛0 ∗ 𝑒 𝛼𝑥
En función de la corriente:
𝐼 = 𝐼0 ∗ 𝑒 𝛼𝑑
𝐼0 → 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑐á𝑡𝑜𝑑𝑜
d → es la separación de los electrodos
SEGUNDO COEFICIENTE DE IONIZACION
DE TOWNSEND:
El número de electrones emitidos en el cátodo es también
consecuencia de la ionización por choques. Estos
electrones son acelerados por 𝐸.
𝑦𝑖 → El coeficiente de emisión secundaria, refleja este
fenómeno en el gas.
En el fenómeno de fotoionización se producen cuando los
fotones (producidos por electrones excitados que retornan
al estado de equilibrio) chocan con moléculas de gas y lo
ionizan.
𝑦𝑝 → 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛
SEGUNDO COEFICIENTE DE IONIZACION DE TOWNSEND
El fenómeno ionización por moléculas metaestables han adquirido energía que no les permitió
ionizarse pero que al chocar con otra molécula
pueden provocar su ionización.
𝑦𝑚
El efecto total de:
𝑦𝑖 , 𝑦𝑝 , 𝑦𝑚
SEGUNDO COEFICIENTE DE IONIZACION DE
TOWNSEND
Se describe por segundo coeficiente de TOWNSEND.
𝑬
𝒚 = 𝒇𝒊 ∗
𝑷
Si:
𝒏𝟏 𝒆𝒔: número de electrones emitidos por el cátodo.
𝒏𝟎 𝒆𝒔: número de electrones emitido por el cátodo, debido
a una fuente de energía externa.
𝒏𝟐 𝒆𝒔: número de electrones emitido por el cátodo, debido
a la emisión secundaria.
∴ 𝑛1 = 𝑛0 + 𝑛2
SEGUNDO COEFICIENTE DE IONIZACION DE
TOWNSEND:
El número de electrones e iones formadas en una capa dx
del gas está dado por:
𝛼 ∗ 𝑛 𝑥 𝑑𝑥
El número de iones que al chocar con el cátodo serán
capaces de desprender electrones vendrán dados por:
𝑦 ∗ 𝛼 ∗ 𝑛𝑥 𝑑𝑥
Entonces el número de electrones producido por choques
en el gas debido a todos los electrones emitidos.
𝑛 𝑥 = 𝑛1 ∗ 𝑒 𝛼𝑥
SEGUNDO COEFICIENTE DE IONIZACION DE
TOWNSEND:
Si
𝑛 𝑥 = 𝑛1 ∗ 𝑒 𝛼𝑥
• Se reemplaza en
𝑦 ∗ 𝛼 ∗ 𝑛(𝑥)𝑑𝑥
• Queda:
𝑦 ∗ 𝛼 ∗ 𝑛1 ∗ 𝑒 𝛼𝑥 ∗dx
SEGUNDO COEFICIENTE DE IONIZACION
DE TOWNSEND:
Entonces debido a la emisión secundaria, el
número de electrones emitidos será:
𝑑
𝑛2 =
0
𝑦 ∗ 𝛼 ∗ 𝑛1 ∗ 𝑒 𝛼𝑥 𝑑𝑥
∴ 𝑛2 = 𝑦 ∗ 𝑛1 ∗ 𝑒 𝛼𝑥 − 1
𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑛1 = 𝑛0 + 𝑛2 = 𝑛0 + 𝑦 ∗ 𝑛1 ∗ 𝑒 𝛼𝑥 − 1
∴
𝑛0
𝑛1 =
1 − 𝑦 𝑒 𝛼𝑥 − 1
SEGUNDO COEFICIENTE DE IONIZACION
DE TOWNSEND:
En función de la corriente:
𝐼0 ∗ 𝑒 𝛼𝑑
𝐼=
1 − 𝑦 𝑒 𝛼𝑥 − 1
Para que en un gas se presente ruptura:
𝑦 𝑒 𝛼𝑥 − 1 ≥ 1
LEY DE PASCHEN:
Para la ruptura en un campo eléctrico uniforme
está dado por:
𝑦 𝑒 𝛼𝑑 − 1 = 1
Como:
𝛼
𝐸
𝐸
= 𝑓1 ∗
𝑦 = 𝑓2 ∗
𝑃
𝑃
𝑃
𝑈
Para un campo eléctrico uniforme 𝐸 =
𝑑
𝑈
𝑈
𝑃∗𝑑∗𝑓1
𝑑𝑃 − 1 = 1
𝑓2
∗ 𝑒
𝑑𝑃
LEY DE PASCHEN:
𝑈
𝑈
𝑃∗𝑑∗𝑓1 𝑑𝑃
𝑓2
∗ 𝑒
−1 =1
𝑑𝑃
𝑈
𝑈
𝑃∗𝑑∗𝑓1
𝑑𝑃
𝑓2
∗ 𝑒
=1
𝑑𝑃
∴ 𝑈 = 𝑓 𝑃𝑑
LEY DE PASCHEN:
Tensión ruptura: disminuye hasta Pdmin:
𝑃𝑑 < 𝑃𝑑𝑚𝑖𝑛
El resto se produce por:
𝜆𝑚 ≫ 𝜆𝑖
𝜆𝑚 Es la distancia media libre de recorrido de electrones.
Luego Pd > Pdmin con 𝜆𝑚 < 𝜆𝑖 por lo tanto los electrones
no tendrán energía suficiente para ionizar el gas, esto se
logra:
↑ 𝐸 𝑐𝑜𝑛 ↑ 𝑈
Esta ley sirve para 𝐸 constante y para separaciones
pequeñas de electrodos.
Valores de tensión mínima para algunos
gases:
GAS
Aire
Umin
(v)
327
Pd
( Hg*cm)
0.567
A
137
0.9
H2
273
1.15
He
156
4.0
CO2
420
0.51
N2
251
0.67
O2
450
0.7
MECANISMOS DE RUPTURA EN LOS AISLANTES
GASEOSOS SOMETIDOS A UN 𝐸 UNIFORME:
2 tipos de ruptura:
i.
Por avalanchas sucesivas.
ii.
Ruptura por EFLUVIOS: dependen del tipo de
gas, presión, temperatura.
I.
RUPTURA POR AVALANCHAS
SUCESIVAS:
En los aislantes gaseosos circula siempre,
una pequeña corriente que se debe a la
ionización natural, si se incrementa
bruscamente la tensión, se puede producir
ionización por choques.
La ionización provocara una avalancha de electrones
y se tendrá un incremento de la tensión en forma de
pulsos:
I(-): corriente por electrones.
I(+): corriente por iones.
Si se produce emisión secundaria:
Avalanchas sucesivas provocadas por la emisión de electrones por el
cátodo debido al bombardeo de iones.
Si aumenta la amplitud de la avalancha:
𝑦 𝑒 𝛼𝑑 − 1 ≥ 1
Si las avalanchas fueran iguales:
𝑦 𝑒 𝛼𝑑 − 1 = 1 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒.
Pero si van disminuyendo en amplitud:
𝑦 𝑒 𝛼𝑑 − 1 < 1 𝑛𝑜 𝑠𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑔𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑟𝑢𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎.
𝑦 𝑒𝛼𝑑 − 1 ≥ 1
𝑦 𝑒𝛼𝑑 − 1 = 1
𝑦 𝑒𝛼𝑑 − 1 < 1
II.
RUPTURA DE EFLUVIOS.
Son rupturas con tiempos formativos de demora tan
pequeños, se presentan para valores de:
 𝑃𝑑 > 𝑃𝑑𝑚𝑖𝑛 de la ley de PASCHEN.
 Para presión cercana a la atmosfera.
Se desarrolla a partir de descargas de la primera
avalancha. La avalancha provoca que la carga
espacial se trasforme en un paso de alta
conductividad.
Se asume que la nube de electrones en la cabeza
de la avalancha tiene una forma esférica, y su radio
esta determinado por la difusión de electrones.
DESARROLLO DE AVALANCHA PRINCIPAL.
𝐸 Entre la cabeza de la
avalancha formada por la
nube de electrones y el
ánodo
se
incrementa,
mientras que detrás de ella
entre la nube de electrones
y de iones el campo es
opuesto.
DESCARGA DE AVALANCHA SECUNDARIA.
Luego
este
proceso
provoca un incremento de
𝐸
CAMINO ALATAMENTE IONIZADO.
Descarga de EFLUVIOS.
EFECTO CORONA.
Sea un camino eléctrico no uniforme que se
presenta entre dos electrodos cilíndricos:
𝐸𝑥 =
𝑉
𝑅
𝑥 𝑙𝑛
𝑟
𝐸𝑥
Intensidad del campo eléctrico a una
distancia
“x” del centro.
𝑉
Tensión aplicada entre los electrodos.
𝑅
Radio del cilindro exterior.
𝑟
Radio del cilindro interior.
Si 𝑥 = 𝑟 se tiene la máxima 𝐸𝑥
Si 𝑉 ↑ en la superficie del cilindro interior se
alcanzara la intensidad de campo para el
comienzo de la ionización por choque, creándose
alrededor de este cilindro una capa de gas
ionizada de espesor ∆𝑥.
EL EFECTO CORONA.
Es la ionización creada alrededor del cilindro y
forma un arco luminoso con manifestaciones
audibles.
CATODO CORONA.
Figura. Electrodo plano y electrodo punta.
Si se aplica una tensión y esta comienza aumentar
lentamente, se alcanzara una corriente de 10−14 𝐴.
10−14 𝐴 .
Corriente de saturación debido a la
ionización natural.
Si la 𝑉 ↑ sube también la I ↑ sube.
Este incremento se presenta en forma de pulsos
repetitivos o pulsos Trichel.
Si la V ↑ más, los pulsos TRICHEL mantienen la
misma magnitud pero f ↑ e I ↑ hasta que se
alcanza una tensión tal que la descarga pasa a
ser autosostenida (carga incandescente tipo
“glow”).
Si continuamos aumentando
produce la ruptura.
la
tensión
se
Figura. Efecto de la variación de la tensión sobre la frecuencia
de los pulsos Tichel.
Efecto de la variación de la tensión sobre la
frecuencia de los pulsos y sobre el incremento de
la corriente.
ANODO CORONA.
En este caso el electrodo en punta es positivo
Si la distancia y la presión entre los electrodos se
mantiene constante y la tensión se incrementa se
obtiene la característica.
- Región I
Tensión sube y la corriente sube produce una
corriente de saturación.
- Región II
La tensión sube la corriente sube y se llega a
ionizar el GAS.
- Región III
La tensión sube la corriente sube se generan
AVALANCHAS.
- Región IV
Se aumenta la corriente por EFLUVIOS.
EFECTO CORONA EN CORRIENTE
ALTERNA.
Puesto que hay frecuencia de potencia alterna.
𝐸 = 𝐸𝑐 cos 𝑤𝑡
Si:
𝐾+
𝑣
=
𝐸
Donde:
𝑣
Velocidad de movimiento de los iones
positivos.
𝐾+
𝑑𝑥
=
𝐸 𝑑𝑡
𝑑𝑥 = 𝐾 + 𝐸 𝑑𝑡
𝒅𝒙 = 𝐾 + 𝐸𝑐 cos 𝑤𝑡 𝒅𝒕
Si el efecto corona aparece:
𝑦 𝐸𝑐𝑚𝑎𝑥 ; esta entre 𝑤𝑡 = 0
𝝅/𝟐
𝐾 + 𝐸𝑐 cos 𝑤𝑡 𝒅𝒕
𝒅𝒎𝒂𝒙 =
𝟎
𝑤𝑡=
𝜋
2
𝒅𝒎𝒂𝒙
𝑲 + 𝑬𝒄
=
𝟐𝝅𝒇
𝝅/𝟐
𝐾 + 𝐸𝑐 cos 𝑤𝑡 𝒅𝒕
𝒅𝒎𝒂𝒙 =
𝟎
Y es la máxima distancia que la nube ionica
puede recorrer antes que la polaridad de E
cambie.
Para el caso del aire es de 1.2 metros.
Si la distancia entre los electrodos es > 𝑑𝑚𝑎𝑥 la nube
iónica no podrá ser totalmente neutralizada en los
electrodos, por lo que al invertirse la polaridad aun existirá
parte de ella que invertirá su sentido de movimiento.
- Esta nube alterara la ionización del 𝐸
electrodos.
entre los
𝑑 ≤ 𝑑𝑚𝑎𝑥 ……… el fenómeno que se desarrolla en cada
semiciclo es exactamente igual al que tiene lugar en
corriente directa para la polaridad que se trate.
𝑑 ≥ 𝑑𝑚𝑎𝑥 ………... como en las líneas de transmisión de
alta tensión. La carga espacial que se crea, alrededor
de un conductor afecta la distribución espacial del
campo eléctrico, por lo que la intensidad del campo
para el cual aparecen las primeras manifestaciones de
efecto corona no dependerán del núcleo de
conducción del conductor, sino de la distribución de la
carga espacial.
PROPIEDADES DE LOS AISLANTES
LÍQUIDOS
Los fluidos o líquidos dieléctricos cumplen la doble función de aislar los bobinados en los
transformadores y disipar el calor al interior de estos equipos. El líquido dieléctrico más
empleado es el aceite mineral. El problema es que es altamente inflamable. Fluidos
dieléctricos sintéticos, (hidrocarburos) con alto punto de inflamación.
Estos líquidos aislantes, en su mayoría de origen mineral son obtenidos por la destilación del
petróleo, los líquidos aislantes no solo se obtienen por destilación de petróleo, en estos solo
quedan los aceites minerales y los fluidos de hidrocarburos menos inflamables (R-Temp y Beta
fluid), estos presentan a diferencia de los aceites aislantes, una viscosidad mas elevada.
Al igual que seria de estos compuestos si no existieran los fluidos sintéticos, en este apartado se
centraran los típicamente conocidos como silicones o fluidos siliconados, los cuales no son mas
que fluidos compuestos de cualquier grupo de polímeros de organosiloxano, basados en una
estructura que consiste de átomos de oxigeno y silicio alternados, con varios radicales orgánicos
unidos a los átomos de silicio.
Los líquidos aislante mencionados son solo los más
conocidos de una amplia gama de líquidos aislantes
empleados en Interruptores, Capacitores y Transformadores
entre otros usos en la industria eléctrica.
• COMPORTAMIENTO DE LOS AISLANTES SOLIDOS.- Se debe a la
barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y
conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de
conducir la electricidad a través del material, el aislante es el que posee
más de 4 electrones en su última capa de valencia, ejm es el cartón
prensado.
• COMPORTAMIENTO DE LOS AISLANTES LÍQUIDOS.- Cumplen la
doble función de aislar los bobinados en los transformadores y disipar el
calor al interior de estos equipos, ejm aceite mineral. Estos aislantes
líquidos, en su mayoría de origen mineral son obtenidos por la destilación
del petróleo, también quedan los aceites minerales y los fluidos de
hidrocarburos menos inflamables, estos presentan a diferencia de los
aceites aislantes, una viscosidad más elevada.
• COMPORTAMIENTO DE LOS AISLANTES GASEOSOS. – Los
aislantes más utilizados en los transformadores son el aire y el nitrógeno,
este último a presiones de 1 atmósfera. El aire y otros gases tienen
elevadísima resistividad y están prácticamente exentos de pérdidas
dieléctricas. Tienen sus electrones de valencia relativamente fijos
formando enlaces no conductores eléctricos, un ejemplo claro de estos
aislantes son: El Oxígeno, Azufre, SF6, etc.
DIELÉCTRICOS LÍQUIDOS
• Desde el punto de vista de la disposición molecular, un
líquido puede describirse como "Gas altamente
comprimido" en el que las moléculas están muy
cercanas.
• Esto es conocido como modelo cinético de la estructura
líquida. Un líquido se caracteriza por la libre circulación
de las moléculas constituyentes entre sí, pero sin la
tendencia a separarse.
• Sin embargo, el movimiento de partículas cargadas, sus
corrientes microscópicas y las condiciones de la interfaz
con otros materiales provocan una distorsión en la
estructura molecular de los líquidos, que de otro modo no
se vería afectada.
Aislantes Líquidos
• Se usan en transformadores, cables, capacitores,
bushings, etc.
• A mas de aislantes sirven como refrigerantes
(transformadores o cables aislados).
• En los interruptores sirven además como medio
de extinción de arcos eléctricos o como
lubricantes .
Tipos
• Aceites Vegetales (Siglo IX)
• Aceites Minerales (1910)
• Aceites Sintéticos (1960)
DIELÉCTRICOS LÍQUIDOS
• La terminología que describe los mecanismos de
descomposición en dieléctricos gaseosos, como:
• la ionización por impacto,
• la trayectoria libre media,
• la deriva de electrones, etc.,
son, por lo tanto, también aplicables para
líquido dieléctricos.
DIELÉCTRICOS LÍQUIDOS
• Los dieléctricos líquidos se clasifican en consecuencia
entre dos estados, es decir, materiales aislantes
gaseosos y sólidos.
• Los dieléctricos líquidos realizan una serie de funciones
simultáneamente, a saber:
• Aislamiento entre las partes que transportan voltaje y
el contenedor con conexión a tierra, como en los
transformadores
• Llenado de los huecos para formar una parte integral
eléctricamente más fuerte de un compuesto dieléctrico
Las propiedades del aceite dieléctrico son:
• Rigidez dieléctrica alta para resistir el incremento de
demanda que se presenten en el servicio.
• Viscosidad adecuada para asegurar la circulación por
convección y facilitar la transferencia de calor.
• Punto de escurrimiento bajo, que asegure la fluidez del
aceite a bajas temperaturas.
• Buena estabilidad a la oxidación, que asegure una vida
útil(entre 20 – 30 años).
Características Generales
• Tienen una estructura atómica que permiten que tengan
un volumen definido, pero requieren un recipiente que los
contenga
Frente a los gases
Frente a los sólidos
Tienen mayor densidad
Cubren el espacio a aislar
con mayor facilidad
• Al igual que los gases luego de una descarga se
restituyen sus características de aislante. A demás sirven
como extintores del arco eléctrico.
CLASIFICACIÓN DE LOS
DIELECTRICOS LIQUIDOS
• Los materiales dieléctricos se pueden dividir en dos
clasificaciones amplias: orgánica e inorgánica.
Aceites Sintéticos
• Se obtienen a partir de los hidrocarburos aromáticos a los
cuales se sustituye algunas unidades de hidrógeno por
elementos de diferentes características como por
ejemplo: Flúor, cloro
Hidrogeno
Hidrocarburo
Clorado
Sustituido por
Flúor, Cloro
Hidrocarburo
Fluorado
Hidrocarburos
Aromáticos
PCB´s
Son Contaminantes
• Poseen propiedades contaminantes, no son inflamables,
no se oxidan con facilidad; por lo que su envejecimiento
es lento con mayor PERMITIVIDAD que los aceites
minerales.
2.2
5.3
Aceites
Minerales
Aceites
Sinteticos
CLASIFICACIÓN DE LOS
DIELECTRICOS LIQUIDOS
• Los dieléctricos orgánicos
Son compuestos químicos que contienen carbono.
Anteriormente, bajo la química orgánica, solo se
consideraron los que se derivaban de organismos
vegetales o animales.
Los dieléctricos líquidos orgánicos más importantes y
ampliamente utilizados para los equipos de energía
eléctrica son los aceites minerales.
Los otros materiales aislantes orgánicos naturales son
asfalto, aceites vegetales, cera, resinas naturales, madera
y plantas de fibras.
También se produce una gran cantidad de materiales
aislantes orgánicos sintéticos.
CLASIFICACIÓN DE LOS
DIELECTRICOS LIQUIDOS
• Dieléctricos líquidos inorgánicos
Como el agua altamente purificada, el nitrógeno
líquido, el oxígeno, el argón, el sulfuro hexafluoruro, el
helio, etc. se han investigado para su posible uso como
dieléctricos.
Los gases licuados, que tienen una alta resistencia
eléctrica, se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones
criogénicas (enfriar un material).
CLASIFICACIÓN DE LOS
DIELECTRICOS LIQUIDOS
• Dieléctricos líquidos minerales
• Muy utilizados en los equipos de potencia.
• Son las mezclas adecuadamente refinadas de
diferentes hidrocarburos obtenidos por destilación
fraccionada de petróleo natural.
• Las propiedades de los aceites individuales dependen
fuertemente de sus composiciones químicas.
• Estos aceites consisten principalmente en hidrocarburos
saturados de estructuras paratíficas y nafticas (CnH2n),
además de tener hidrocarburos aromáticos insaturados
(CnH2n-6) en diferentes proporciones.
Dieléctricos líquidos minerales
• Obtenidos por destilación fraccionada y refinado del
•
•
•
•
•
•
petróleo
Tienen buena rigidez dieléctrica.
Buenos agentes de enfriamiento o evacuadores de calor
(transformadores de potencia)
Ayudan a extinguir el arco.
Baratos.
Tienen pocas pérdidas.
No son tóxicos y son fáciles de regenerar.
Dieléctricos líquidos minerales
Por otro lado son:
• Son combustibles
• Se oxidan con facilidad
• Alterados con altas temperaturas
• Se envejecen con el uso
• No se puede aumentar la permeabilidad
• Cuando un aislante líquido es sometido a un 𝐸 se:
Polariza.
2. Conduce una pequeña corriente.
3. Se producen pérdidas en su interior.
1.
4.
Si ↑ 𝐸, se produce una ruptura.
• Pero la conducción y ruptura reúnen características
propias que los diferencian de los aislantes líquidos y
gaseosos.
La Conducción Volumétrica
• Depende del grado de purificación del líquido.
• Un líquido altamente purificado es utilizado para estudios
la conducción.
PERO
• En la práctica tiene muy poca estabilidad por la presencia
de contaminantes que se presentan en la operación de
un SEP
Conducción de lo Aislantes Líquidos
• Existen 2 tipos:
Conducción Intrínseca
2. Conductividad debida a impurezas
1.
• Para determinar la conducción intrínseca se requiere que
el aislante líquido este puro; en este caso:
Variación de la corriente I con respecto a V en un
aislante puro
• Como el líquido es puro (no hay impurezas)
• La conducción se debe a los iones, debidos al campo
eléctrico 𝐸
• En un líquido las moléculas tienen la característica, de
estar disociadas, [el proceso en el cual las moléculas se
separan en moléculas mas pequeñas en forma reversible]
• La disociación depende del aislante líquido.
• Las moléculas polares tienen un grado de disociación
menor que las no polares.
• Los
aislantes con baja permitividad tienen una
conductividad intrínseca menor que los que tiene alta
permitividad.
En la Zona I
• Se debe considerar la recombinación:
Un ión se encuentre con otro de signo contrario
y se forma una molécula estable
Esto se altera con la presencia de un 𝐸
• La recombinación limita el número de portadores de
carga que pueden llegar a los electrones
• En la zona I, al aumentar V, aumenta el 𝐸 mismo que se
estabiliza en la zona II (La disociación se estabiliza).
Zona II (Saturación)
• Cuando ↑ 𝑉 y ↑ 𝐸 y se alcanza una magnitud 𝐸 = 1
𝐾𝑉
,
𝑐𝑚
la
disociación crece y la corriente también hasta el límite de
la zona III.
• En este caso los iones alcanzan la energía necesaria
para bombardear al cátodo, y este desprende electrones.
• Los iones al moverse en el líquido chocan con las
moléculas que ganan energía y aumentan la vibración y
pueden romper el enlace atómico; provocando nuevos
iones que hacen que I aumente.
• Si esto se incrementa llevará al líquido a la ruptura.
La conductividad en el líquido bajo las
condiciones señaladas están dadas por:
𝜎 = 𝑛 𝑒 (𝜇+ + 𝜇− )
Donde:
n = número de Iones
e = carga del electrón
𝜇+ = Factor de movilidad de iones positivos
𝜇− = Factor de movilidad de iones negativos
• La conductividad se incrementa rápidamente con el
incremento de la temperatura debido a:
1. Incremento de la disociación molecular.
2. Disminución de la viscosidad que incrementa el factor
de movilidad.
• Los aislantes comerciales tienen mayor conductividad
que los aislantes puros.
• En los dos casos la curva I vs V tienen la misma forma
pero en los aislantes comerciales se desplaza (aumenta).
• ∴ Que las impurezas aumentan la conductividad y por lo
Siemens/metro
tanto disminuye la tensión de ruptura.
Variación de la conductividad del aceite del transformador
con el grado de pureza.
Comparación entre las características de
conducción de un líquido comercial y uno puro
Ruptura en Aislantes Líquidos
• Se presentan tres mecanismos de ruptura:
1. Ruptura Electrónica o Intrínseca
2. Ruptura por Burbujas de Gas
3. Ruptura debido a partículas suspendidas
La ruptura dieléctrica en los líquidos se ve afectada
por:
• Impurezas electrolíticas.
• Por el contenido de agua y oxígeno
• Partículas macroscópicas que pueden formar un puente
entre los electrodos y favorecer la rotura de aislamiento.
• Área y el espesor de la muestra, debido al incremento de la
incidencia de los ensayos sobre grandes volúmenes.
• Incremento ligero de la viscosidad.
Ruptura Electrónica
• Si la intensidad de campo tiene una magnitud que
permite que algún electrón emitido por el cátodo en su
recorrido hasta el ánodo, alcance la energía para ionizar
las moléculas del líquido prolongando una avalancha que
produzca la ruptura.
Ruptura por burbujas de gas
• En los electrodos se concentra un campo eléctrico e
intensidad. Por ello se alcanza temperaturas de ebullición
formándose una burbuja de gas.
Formación de una burbuja
• También en un líquido se pueden presentar burbujas de
gas producidas por oxidación, manipulación inadecuada
en el momento del llenado del líquido, cortocircuitos,
sobretensiones, contracciones y distensiones por las
variaciones periódicas de la carga.
• La burbuja se alarga en la dirección del campo, creando
un camino de menor rigidez dieléctrica dentro del líquido.
Además se descompone el líquido contribuyendo a
alargar la burbuja.
• Para evitar esto se debe des-gasificar el líquido. Hay
equipos a los que se debe llevar al vacío para evitar
burbujas de aire.
𝜀 → Permitividad
𝐸≈𝑓
1
𝜀𝐿𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
∴ 𝜀↑ 𝐸↓
Como
𝜀𝑙𝑖𝑞 > 𝜀𝑔𝑎𝑠
El 𝐸 en un gas, para que se produzca ionización será
menor en un líquido.
Ruptura debido a partículas suspendidas
• Si se tiene una partícula fibrosa con permitividad mayor al
líquido, al aplicarse un campo 𝐸; se producirá una fuerza.
• Debido a esta fuerza las partículas se moverán hacia las
regiones de mas alto 𝐸. Cuando alcanzan a un electrodo,
pasaran a ser una prolongación de este. Las partículas
puede formar una cadena que provocan cortocircuito.
Efecto del campo eléctrico sobre una particular de fibra
Una gota de agua puede llegar a alargarse a tal punto que puede causar un
cto. cto.
Envejecimiento de los Aislantes
• Los líquidos están sometidos a un proceso de
envejecimiento.
• Si hay oxigeno y se somete a un aumento de ↑
temperatura o un 𝐸
𝑂𝑋𝐼𝐷𝐴𝐶𝐼𝑂𝑁 ∴ ↑ 𝐴𝐶𝐼𝐷𝐸𝑍
• Producida por:
1. Formación de ácidos orgánicos .
2. Contenido de humedad.
3. Sedimentos sólidos.
• El efecto corona que ocurra en un líquido permite la
formación de:
• Agua
• Resinas
• Ceras
• Ácidos
• Gasificación del líquido
• La presencia de un 𝐸 provoca la creación de ceras. La
aparición de óxidos y descargas atacan al:
• Aislamiento sólido
• Hierro Cobre
• Barnices
• Para prolongar la vida del aislante se debe evitar que se
ponga en contacto con el oxigeno, añadiendo sustancias
antioxidantes y limpiadoras.
Rigidez dieléctrica
Valores de tensión de ruptura en materiales dieléctricos
Rigidez
• Se ve afectado por impurezas como
1. Agua
2. Partículas de carbón
3. Gases (Descarga y Oxidación)
4. Fibra
• Disminuye la rigidez, disminuye la tensión de ruptura en
un aceite de transformador; con la humedad.
Variación de la tensión de ruptura en un aceite de transformador
con la humedad
Pérdida dieléctrica
Las pérdidas dieléctricas se dan cuando se aplica una tensión
alterna a un dieléctrico, presentándose los siguientes
fenómenos:
a) Circulará una corriente que cumplirá la ley de Ohm. El
valor de esta corriente dependerá de la resistividad del
aislante en las condiciones de trabajo. Su paso producirá
calentamiento por efecto Joule.
b) Se presentará también una corriente de desplazamiento.
La magnitud de esta corriente dependerá de la constante
dieléctrica del material. Esta corriente no calentará el
dieléctrico por ser de desplazamiento.
Pérdida dieléctrica
c) Las masas polares vibrarán siguiendo la excitación a
la que están
sometidas.
Este
fenómeno
producirá un calentamiento en el material que
reflejará el proceso energético que ocurre en su
interior.
La medición de este fenómeno no es distinguible del que
ocurre en el apartado a), salvo que aquel se presenta
siempre y éste sólo cuando se trata de excitación
alterna.
Factor de pérdidas dieléctricas
La resistividad eléctrica del material y la constante dieléctrica
(permitividad relativa) están relacionadas por el factor de pérdidas
dieléctricas (tan𝛿), el cual permite determinar la pérdida de potencia en
un dieléctrico, la cual generalmente se presenta en forma de calor,
además están en función de la frecuencia y de la naturaleza del
dieléctrico
La corriente de fuga 𝑖𝑅 del dieléctrico está en fase con la tensión V,
esta forma un ángulo 𝛿 con la corriente reactiva 𝑖𝐶 desfasadas 90° de
la tensión V, correspondiente a un condensador ideal sin pérdidas.
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐴𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎
𝑢. 𝑖𝑖𝑛𝑠 . cos 𝜙 𝑖𝑅
tan 𝛿 =
=
=
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑢. 𝑖𝑖𝑛𝑠 . sin 𝜙 𝑖𝐶
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
La tangente de pérdida dieléctrica,
"tan 𝛿" se define como el cociente
de corriente activa a pérdida de
potencia reactiva en un
condensador o en un volumen de
dieléctrico.
Factor de pérdidas dieléctricas
• Además de las corrientes de carga capacitivas, las corrientes reales o activas
también están presentes en los dieléctricos. Estas corrientes son causadas
debido a los diferentes tipos de conductividades y polarizaciones. Estas
corrientes no solo dependen de la frecuencia y la magnitud del voltaje
aplicado sino también de las condiciones térmicas del dieléctrico.
Variación en los valores medidos de
tan 𝛿 y 𝜀𝑟 con el aumento de la
temperatura para el líquido aislante
sintético, "Clophen A 50" a una tensión
constante de 50 Hz CA.
Factor de pérdidas dieléctricas
Tangente de pérdida (tan δ) del aceite
del transformador medida con el
aumento de la intensidad de voltaje /
campo de 50 Hz a diferentes
temperaturas constantes y contenido de
humedad en el aceite,
Factor de pérdidas dieléctricas
Valores de factor de pérdidas o tan(𝛿) para material dieléctrico
Recuperación de Aceites Minerales
• Se mejoran sus características por el uso y cuando están
mucho tiempo almacenados.
• La mejora depende de la característica que se ha
degradado
Por pérdidas
• Rigidez Dieléctrica
Por
• Acidez
Filtrado
Calentamiento al vacío
Centrifugado
Desgasificación
Reparación
Química
• Filtrado:
El aceite pasa por un filtro de papel
características especiales. Se limpia las impurezas
solidas y de agua.
• Calentamiento: Se incrementa la temperatura del aceite
al vacío para extraerle el agua
• Centrifugado: Separación de partículas mas densas por
acción del centrifugado.
Aislantes Sólidos
Por su origen.
Muy diversos
Por sus propiedades.
Fabricados:
• Materiales orgánicos de origen vegetal (tela; papel)
• Síntesis Química (polietileno; policloruro de vinilo)
• Sustancias Inorgánicas (vidrio; porcelana)
• Unión de sustancias orgánicas e inorgánicas
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES AISLANTES
SÓLIDOS.
Por sus composiciones químicas:
• Materiales aislantes inorgánicos: cerámica, vidrio,
fibra de vidrio, esmalte, mica y amianto, vidrio, fibra de
vidrio, esmalte, mica y amianto, poseen capacidad
única para soportar altas temperaturas además de ser
altamente resistente a productos químicos.
• Materiales aislantes de cerámica; son aquellas
producidas a partir de arcilla que contienen óxido de
aluminio y otros materiales inorgánicos. Ampliamente
utilizada para aisladores y bujes en el sistema de
potencia debido a su alta resistencia mecánica y a su
facilidad de darles formas, en el proceso de
fabricación.
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES AISLANTES
SÓLIDOS.
Material
Resistividad
por volumen
[Ω*m]
Rigidez
dielectrica
V/mll
Rigidez
dielectrica
KV/mll
Constante
Constante
dielectrica , dielectrica ,
k
k
60 [Hz]
10 [GHz]
Factor de
perdidas
60 [Hz]
Factor de
perdidas
10 [GHz]
Electrica
porcelana
aislantes
Aislantes de
esteatita
𝟏𝟎𝟏𝟏 − 𝟏𝟎𝟏𝟑
55-300
2-12
6
-----
0.06
> 𝟏𝟎𝟏𝟐
145-280
6-11
6
6
0.008-0.090
0.007-0.025
Aislantes de
tosterita
> 𝟏𝟎𝟏𝟐
250
9.8
------
6
----
0.001-0.002
Aislantes de
alumina
> 𝟏𝟎𝟏𝟐
250
9.8
-----
9
----
0.008-0.009
Vidrios
soda-calcico
Silice
fundida
------
------
----
-----
7.2
----
0.009
-----
8
----
-----
3.8
-----
0.00004
Tipo de materiales cerámicos
Materiales Cerámicos
Tradicionales
Materiales Cerámicos
Especiales
Arcilla
Óxido de Aluminio
Sílice
Carburo de Silicio
Feldespato
Nitruro de Silicio
Circona
• Tienen una alta cohesión molecular (volumen y forma
definida). Se presentan dos tipos de conducción
• Volumétrica
• Superficial
• Corriente de conducción volumétrica
• Corriente volumétrica de Polarización
• Vidrio como material aislante.- El componente principal del
vidrio es dióxido de silicio, disponible en la naturaleza en forma de
cuarzo. Es utilizado para producir fibra de vidrio El "vidrio de fibra"
se usa para reforzar materiales plásticos para obtener alta
resistencia mecánica.
• Materiales orgánicos poliméricos.- Los materiales orgánicos
sólidos utilizados en ingeniería eléctrica son papel, madera, cera,
cuero, así como una serie de resinas naturales y sintéticas,
cauchos y plásticos, también conocido como polímeros.
• Polímeros termoplásticos.- Se ablandan y se vuelven flexible al
calentar y "solidificar" de nuevo al enfriar. Los materiales
poliméricos sintéticos termoplásticos para fines de aislamiento son
de polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), polipropileno (PP) y
poliamida (PA). Tienen relativamente baja resistencia térmica y
sus propiedades se deterioran rápidamente a mayores
temperaturas.
• Otros:
• Polímeros termoestables.• Sistema de aislamiento compuesto.• Papel impregnado como un sistema de aislamiento
compuesto impregnado el papel.- es una de las primeras
Conducción Volumétrica
• Al aplicar un 𝐸 sobre el aislante sólido se produce la
corriente de conducción volumétrica y la corriente
volumétrica de polarización
1. Corriente volumétrica de polarización se rige por la
polarización del material
2. La corriente de conducción volumétrica propia del
material no considera la polarización. Puede ser: Iónica;
Electrónica; o Combinada
• Las impurezas juegan un papel importante pues al estar
débilmente unidas a la estructura molecular del material
pueden ser arrancadas con mas facilidad por la acción de
𝐸 y de la agitación térmica
• La conductividad propia del material:
𝜎 = 𝜂0 𝑞 𝜇 + + 𝜇 −
Donde:
𝜂0 - Numero de iones por 𝑐𝑚3
𝑞 - Carga de ion
𝜇− - Movilidad de los iones negativos.
𝜇+ - Movilidad de los iones positivos.
Factores que influyen en la conductividad
Volumétrica
Temperatura
Contenido de humedad
Conducción superficial
Factores que influyen en la conductividad Volumétrica
A) Temperatura:
la agitación térmica y ↑ el número de
iones debido a las impurezas e imperfecciones que se
liberan.
• Si sigue ↑ 𝑇 se pueden activar iones de la red atómica
con lo que puede llegar a ser portadores libres.
• Si ↑ 𝑇 aumenta
 AUMENTO DE LA CONDUCTIVIDAD
Factores que influyen en la conductividad Volumétrica
• La conductividad esta dada por:
𝑎
𝜎 = 𝐴 exp −
𝑇
𝑛𝑞 2 𝜆2 𝑓
𝐴=
6𝐾𝑇
𝑎=
𝑊
𝐾
𝑛 – Número de iones por 𝑐𝑚3 .
𝜆 – Distancia entre moléculas.
𝐾 – Constante del Boltzman.
𝑊 – Energía de disociación de los iones.
El aumento de la conductividad se debe al aumento de los iones libres.
Factores que influyen en la conductividad Volumétrica
B) Campo eléctrico (𝑬)
• A campos de baja intensidad, la conductividad se
puede considerar independiente de 𝐸.
• Si 𝐸 es muy alto la conductividad (aumentan los
iones por 𝑐𝑚3 ). El campo necesario a suministrar a
los iones esta dado por:
𝑠𝑜𝑑𝑖𝑜 → 0,85 𝑒𝑣
𝐶𝑙𝑜𝑟𝑜 → 2,55 𝑒𝑣
Y se relaciona por:
𝜎 = 𝜎𝑜 ∗ 𝑒 𝛼∗ 𝐸
𝜎 → 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐸
𝜎𝑜 → 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐸
𝛼 → 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑟𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟𝑖𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎
Factores que influyen en la conductividad Volumétrica
C) Contenido de humedad
• Su presencia en los poros del dieléctrico ocasiona un
descenso brusco de sus propiedades tanto en lo
referente a su resistividad volumétrica como superficial.
• Una de las peores condiciones de absorción de
humedad, se presenta cuando esta llega a formar hilos o
películas en el espesor del dieléctrico capaces de
atravesar el espacio entre los electrodos o una parte
importante de el. Lo que puede provocar la ruptura.
• Si el agua contiene impurezas puede actuar como
disolvente, alterando las propiedades eléctricas del
material.
• Si sube la temperatura de un material o contiene humedad
su resistividad inicialmente disminuye al aumentar la
capacidad de disociación de las impurezas que tiene al
agua como disolvente al aumentar la temperatura.
• Si baja la temperatura por evaporización la resistividad
comienza a aumentar.
• Si sube la temperatura se llega a un punto en el que la
resistividad comienza a disminuir.
Zona 1: Disminución de la resistividad
debido al aumento del poder disolvente
del agua con la temperatura.
Zona 2: Aumento de la resistividad por la
eliminación de agua.
Zona 3: Disminución de la resistividad
por efecto de la temperatura
Variación de la resistividad con la temperatura
en un material con humedad
Conducción superficial
• En un material dieléctrico depende de las
condiciones ambientales (humedad,
contaminación.)
• Los materiales aislantes con una superficie limpia y
seca tienen una resistencia superficial del orden de
107 − 1020 Ω.
• Si se somete a humedad (100%):
1. Sustancias hidrofóbicas.- La resistencia disminuye
de 2 a 4 ordenes de 10.
2. Sustancias hidrofísicas.- La resistividad disminuye
de cinco a siete veces.
*Hidrofobia: No puede combinarse con el agua
*Hidrofísicas: Puede combinarse temporalmente con el agua.
• Sea:
𝐶 → 𝐿𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑢𝑛𝑎 𝑝𝑒𝑙í𝑐𝑢𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑢𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖𝑑𝑎.
𝑊 𝑔
𝐶=
ℎ 𝑐𝑚3
𝑊 → 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑏𝑙𝑒 (g)
h → 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 (𝑐𝑚3)
• La
conductividad superficial esta dada por:
𝜎𝑠 = 𝜎 ∗ ℎ
𝜎𝑠 → 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑆
𝜎 → 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 (𝑆/𝑐𝑚)  (Siemens / metros)
ℎ → 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑐𝑚
𝑊
ℎ=
𝐶
La conductividad 𝜎𝑠 depende de h, hasta un valor límite.
𝑊
ℎ𝑜 =
𝐶0
𝐶 → 𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒
0
𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎
• La conductividad especifica esta dada por:
𝐴𝑜 ∗ 𝐶
𝜎=
𝐺
𝐴𝑜 → 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑆𝑜𝑙𝑢𝑏𝑙𝑒
𝐺 → 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑏𝑙𝑒
𝐴𝑜 ∗ 𝐶
𝑊
𝜎=
𝐶𝑜𝑚𝑜 C =
𝐺
ℎ
𝐴𝑜 𝑊
𝜎=
∗
𝐺 ℎ
𝜎=
𝐴𝑜 ∗ 𝐶
𝑊
𝐶𝑜𝑚𝑜 C =
𝐺
ℎ
𝐴𝑜 𝑊
𝜎=
∗
𝐺 ℎ
La máxima conductividad posible a una temperatura dada:
𝜎𝑠(𝑚𝑎𝑥) =
𝜎𝑠(𝑚𝑎𝑥)
𝐴𝑜 𝑊
∗
∗ℎ
𝐺 ℎ
𝐴𝑜 ∗ 𝑊
=
𝐺
𝑊 → 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑏𝑙𝑒
𝐴𝑜 → 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑆𝑜𝑙𝑢𝑏𝑙𝑒
𝐺 → 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑏𝑙𝑒
Materiales Cerámicos, Vidrio, Polímeros
Materiales Aislantes de Cerámica.- son aquellas producidas a partir de arcilla, que
contienen óxido de aluminio y otros materiales inorgánicos, y luego se hornea a una
temperatura alta (aproximadamente 1400° C) para proporcionar una estructura final
sólida, inelástica.
Es ampliamente utilizada para aisladores y bujes en el sistema de potencia debido a
su alta resistencia mecánica. Las cerámicas constituyen 40 a 50% de arcilla, 30 a
20% de óxido de aluminio y 30% de feldespato. Las cerámicas con mayor resistencia
mecánica y menores pérdidas dieléctricas también contienen esteatitas (piedra
jabón) y talco.
Variación de la resistencia de aislamiento específica con la
temperatura de materiales aislantes sólidos.
Variación de la tangente de pérdida "tan δ" con la temperatura
de los dieléctricos sólidos a 50 Hz de tensión alterna.
La resistencia a la rotura de la porcelana en comparación con otros
materiales aislantes sólidos es baja, pero no se ve afectada por la
temperatura en un amplio rango, se reúnen los valores estándar de
algunas propiedades eléctricas de la cerámica a frecuencia de
potencia y temperatura normal. La naturaleza densa de la cerámica
hace que los cuerpos de porcelana sean muy pesados.
El gran tamaño y el gran peso de los productos de porcelana los
hacen difíciles de manejar, lo que a menudo requiere grúas y
soportes estructurales caros y grandes. Aunque la estabilidad
química de la porcelana resiste el envejecimiento, permite que la
superficie se moje fácilmente debajo de la capa de contaminación.
Dicha condición puede provocar un aumento de voltaje a voltajes
bastante bajos y causar daños graves.
Permitividad
Relativa
Materiales y su clasificación
Cerámica
Porcelana
Esteatita
Vidrio
No alcalinos
Vidrio tipo E
Polímeros Policloruro de
vinil(PVC)
Termoplásticos
(Compuesto de
aislamiento de
cables)
Polímeros
Bisfenol A
termoestables Caucho de silicona
Resina Epoxi
Dieléctricos Aceite impregnado
compuestos
Papel de cable
𝜺𝒓
(50Hz, 20°C)
5 – 6.5
Tangente de
pérdida
𝒕𝒂𝒏 𝜹
50Hz, 20°C
1013
Resistencia
térmica
específica
𝝈
°C cm/W
70 – 125
40 – 50
85 – 135
30- 100 ∗ 10−3
1016
600 – 700
0.1 − 0.2 ∗ 10−3
5.5 ∗ 10−3
33 ∗ 10−3
5 − 10 ∗ 10−3
(2.6 − 3)10−3
1017
>>1017
1013 − 1015
1015
350
500
550
3.8 – 10
20 ∗ 103
2 ∗ 103
< 1 ∗ 10−3
5 – 5.3
2.3
Puro 3.5
Con relleno 5.8
2.8 – 6
3.5 – 3.9
Resistencia de
aislamiento
específica
𝝆
Ω. 𝒄𝒎 (𝟐𝟎°𝑪)
1011 − 1012
Vidrio como Material Aislante.- Brindan la posibilidad de producir más de 500 tipos
de vidrio. Sin embargo, para el uso en ingeniería eléctrica, solo son adecuados los
"vidrios no alcalinos", o los vidrios con un contenido alcalino de menos del 0,8%. La
conductividad, por lo tanto, las pérdidas en dicho vidrio son bajas.
Materiales Orgánicos Polímeros.- Aislantes orgánicos poliméricos utilizados en
ingeniería eléctrica tienen un peso molecular muy alto y consisten en dos o más
compuestos poliméricos de varias unidades estructurales normalmente unidos por
enlaces covalentes. Las unidades estructurales individuales pueden consistir en
átomos individuales o pueden ser de naturaleza molecular, que se repiten en un
orden regular. La densidad de los materiales poliméricos es mucho menor que la de
las cerámicas. Por lo tanto, los productos de polímero son significativamente más
ligeros y más fáciles de manejar e instalar. El peso reducido también permite el uso
de estructuras más ligeras y menos costosas. Los materiales poliméricos resisten a
la humectación, siendo inherentemente hidrofóbicos
Hay varias formas de clasificar los polímeros. Uno de ellos es por su respuesta al
calor. Por consiguiente, los polímeros se dividen en dos grupos de materiales de la
siguiente manera:
• Polímeros termoplásticos
• Polímeros termoestables
• Compuesto de polímero
• Policloruro de vinil (PVC)
BIBLIOGRAFÍA
• Juan Almirall Mesa.
TEXTO DE CONSULTA PARA LA FORMACION DE
INGENIEROS ELECTRICISTAS Y DE LOS SPECIALISTAS EN ALTA TENSION Y
MATERIALES ELECTROTECNICOS. INSTITUTO SUPERIOR POLITECNICO JOSE
ANTONIO ECHEVERRIA FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA CIPEL.
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA, LA HABANA CUBA, 2000.