aislamiento 5 150306 v2

09/03/2015

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Preparado por:

Prof. Ing. Herbert Enrique Rojas M.Sc. Ph.D(c)

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Ciclo 2015-I … Bogotá D.C.

Curso de Aislamiento Eléctrico

Prof. Herbert Enrique Rojas Cubides – Aislamiento Eléctrico – Descarga en líquidos y sólidos (2015) 2

1. Descarga en líquidos

2. Líquidos puros y con impurezas

3. Descarga en sólidos

4. Tangente delta


• En general son mejores dieléctricos que losgases por su movilidad (viscosidad y densidad)

• Llenan todos los espacios y se adaptan muchomejor al volumen

• Apagan descargas que se produzcan en ellos(reducción de arcos eléctricos)

• Disipan y absorben el calor del sistema(REFRIGERANTEY DIELECTRICO)

• Se pueden combinar con sólidos para mejorarsus propiedades aislantes


Más usados: Aceites minerales, aceites derivados del petróleo y

aceites siliconados

• Son autoregenerables

• Absorben energía durante la descarga

• Se debe tener precaución � después decierta temperatura se vuelven combustibles

• Su calentamiento produce gases tóxicos quepuede modificar los sólidos en contacto

• Pueden ser reutilizados después de procesosfisico-químicos

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� Materiales con capacidades dieléctricas más estables que algunos gases

� No se encuentra una sola teoría sobre descarga en líquidos

Como una extensión del modelo de descarga en gases

(proceso de avalancha por colisión de e-)Solo aplica para líquidos de alta pureza

Ruptura o descarga electrónica

Como un proceso de descarga debido a la presencia de impurezas

Descarga por partículas suspendidas

(burbuja o partículas sólidas)


Líquidos homogéneos de extrema pureza

Cátodo emite electrones

Zonas de conducción

Con E bajos (<1kV/cm) la conducción es iónica y se incrementa linealmente con

su intensidad

Z1: E Bajos� corrientes por disociación de iones

Z2: E intermedios� corrientes de saturación

Z3: E intensos � corrientes debido a avalanchas de electrones

(pseudo mecanismo Townsend)

Z1Z2

Z3

DISRUPCION


Líquidos homogéneos de extrema pureza

• Contienen impurezas en proporción 1: 10^9• Son químicamente simples• Bajas temperaturas de operación• Costos mayores

Z1Z2

Z3

La disrupción depende de:

• Campo eléctrico soportable

• Distancia entre electrodos

• Material y temperatura del cátodo

• Viscosidad del líquido

• Temperatura

• Densidad

• Estructura molecular


Descarga electrónica

E

e-

CATODO (-)

ANODO (+)

disrupción

La avalancha se forma de moléculas ionizadas por las colisiones con electrones

acelerados

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Líquidos con impurezas

� Líquidos comerciales� Químicamente no son puros

� Presencia de agua, impurezas y burbujas de gas

B. Mecanismo de partículas suspendidas

C. Mecanismo de estrés sobre volúmenes de aceite

Viscosidad del líquido

Temperatura

Densidad

Estructura molecular

Características de las impurezas

A. Mecanismo de cavidades o burbujas


Residuos de gas provocados por la colisión de electrones y moléculas

Vaporización del líquido por descargas parciales (puntas, bordes o irregularidades)

Bolsas de gas en las superficies de los electrodos

Descarga por partículas suspendidas (burbujas de gas)

E

CATODO (-)

ANODO (+)

disrupción

bubble´s radius (r)

�

Liquido dieléctrico ��


Descarga por partículas suspendidas (burbujas de gas)

E

CATODO (-)

ANODO (+)

disrupción

bubble´s radius (r)

�


�� 1��

2�� 2��

�4

��2��

1� �⁄

�: �� !"#�""�$��#��: #�� !#��ó��"!&��&�'!()!� *��+��: !,��"é �� !�� !#�"!&��&�'!

� . ��Fuerza dirigida hacia zonas de bajo estrés

�� 3�� 2


Depende de partículas de mayor o menor permitividad (polarizables)

Con la intensidad de E las partículas forman un puente entre electrodos

Las impurezas Influyen en la intensidad de la descarga

Descarga por partículas suspendidas (fibras o partículas sólidas)

E

CATODO (-)

ANODO (+)

disrupción

particle´s radius (r)

�


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Descarga por partículas suspendidas (fibras o partículas sólidas)

E

CATODO (-)

ANODO (+)

disrupción

particle´s radius (r)

�

Liquido dieléctrico ��0123 � �4 � ��

� 2�� ∙ #�#6

14 78 � ��

� �� 2��

7: ��9�"�:,!� � 1,3806 ? 10@�4 A/C8: ��,��!��!!&��"��!(°K+

� F �� F es dirigida hacia zonas de alto estrés

� . �� F es dirigida hacia zonas de bajo estrés


Características dieléctricas para diferentes líquidos


Descarga en solidos

Desplazamiento de iones y electrones

• Procesos lentos de polarización • Polarización de orientación

• Movimientos en los dipolos

Intrínseca, Electromecánica

Avalancha

Térmica

Erosión, Electroquímica

Descarga en sólidos es dependiente de la tensión

pero también del tiempo


Descarga intrínseca (materiales homogéneos y puros)

Conseguidas al aplicar tensiones grandes por

cortos tiempos 10@G�Vencen altas fuerzas

dieléctricas

Conseguidas bajo condiciones controladas

Desplazamiento de electrones en el dieléctrico (fuerzas grandes)Imperfecciones e impurezas


Descarga de avalancha o streamer

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Descarga de avalancha

En presencia de grandes densidades de e- libres

Ocurren colisiones electrón-moléculas

Desplazan electrones de la banda de valencia a la de

conducción

Generada por ionización acumulativa

Electrones libres generan colisiones y avalancha

Puente de avalancha entre electrodos

Descarga aparece con varias avalanchas (tamaño critico)


Descarga electromecánica

E intensos

�: ��ó�!�"� !#! �#: ��&!'��ó� , #�: �� !" , H: ,�#�"�#�H��I JK

L∙MN

Falla dielectrica debido a fuerzas de compresión electrostática

fuerzas de compresión electrostática

fuerzas de compresión mecánica

F


Inestabilidad mecánica ocurre cuando # #� � 0.6⁄ � #� # � 1.67⁄

Tensión de inestabilidad �� #� 2H��3 "� #�

#

Máximo campo eléctricoantes de la descarga �L2Q � �

#�R 0.6 H

��3��

Descarga electromecánica

La reducción del espesor del material no puede ser mayor al 40%


Descarga por erosión

� . �MS��TDepende de A

Se produce debido a cavidades o defectos

Dentro del material

Fronteras del material y los electrodos

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�U � �U� �

�21 1

�3#� 1

�

Campo máximo soportable en la cavidad

�U � 3�3��U 2�3

Campo en una cavidad de forma esférica


Cada vez que se aplica un campo eléctrico a un DK existen perdidas q están relacionadas los procesos de conducción y polarización

Las perdidas se cuantifican mediante el cálculo de la componente resistiva y

capacitiva del dieléctrico

C: capacitancia del DKRp: resistencia en paralelo del DKC2: capacitancia parásitaR: resistencia de absorción del DK

Rs: resistencia equivalente serieL: inductancia serie


P1 P2

V1 V2

V � W�W3�

X V ∙ #�Y

� Z [\\#\ � ]

�� Z � ∙ #"^�

^�A_`_ � ��

Con frecuencia 0 Hz:

"

a � ]� � ∮ V ∙ #�Y

c � ∙ #"^�^�

[F]

a � ]� � W�W3 ∮ � ∙ #�Y

c � ∙ #"^�^�

[F] d � e� � � ∮ � ∙ #�Y

c � ∙ #"^�^�

[mho]

d � e� � ∮ A ∙ #�Y

c � ∙ #"^�^�

� ∮ �� ∙ #�Yc � ∙ #"^�^�

[mho]

da � �

W�W3Prof. Herbert Enrique Rojas Cubides – Aislamiento Eléctrico – Descarga en líquidos y sólidos (2015) 24

d � a �W�W3 f � 1

d

P1 P2

V1 V2

V � W�W3�

" f � Z #"�g

^�

^�

a � ]� � ∮ V ∙ #�Y

c � ∙ #"^�^�

[F]

[Ohm]

f1a V0 � tank � elem � �/f1

�/nm� 1

of1a

• Factor de disipación: refleja las perdidas en el aislamientoelem

e

• Factor de potencia: refleja las perdidas de energía

0) � �� p � ele � �/f1

�/qr�� qr�

f1

Modelo de pérdidas por conducción

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V0 � tan k � �l�m � efY

enm� fY

nm� ofYa

• Factor de disipación

]m � 1tank

• Factor de calidad

• Factor de potencia

0) � �� p � �l� � efY

eqr�� fY

qr�

)s � ��nm

V0• Perdidas de potencia

Modelo de pérdidas por polarización


0

5000

10000

15000

20000

25000

10 100 1000 10000 100000

frecuencia (Hz)

Factor de disipación arreglo en

paralelo

0,0E+00

3,0E-06

6,0E-06

9,0E-06

1,2E-05

1,5E-05

1,8E-05

10 100 1000 10000 100000

frecuencia (Hz)

Factor de disipación arreglo en serie

V0 � tan k � ofYaV0 � tan k � 1of1a

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