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ITCR. Marín. Preparación de reportes escritos informativos.
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MATERIALES DIELÉCTRICOS
Diego Martín Rincón [email protected]
Carlos Alonso Barrios 20091007073 [email protected]
Jonatan David Vanegas 20092007015 [email protected]
RESUMEN: Se muestran los efectos que tienen
los materiales dieléctricos ante factores externos, como reaccionan éstos, se analizan los tipos de dieléctricos que hay, y su empleo en equipos eléctricos.
PALABRAS CLAVE: Equipos eléctricos, Materiales
dieléctricos.
1 INTRODUCCIÓN
La tecnología de los aisladores está
evolucionando, ya que éstos son una parte
fundamental del sistema, si los aisladores
fallan, puede fallar todo el sistema, como se
necesita un sistema confiable y seguro, se
requiere que los aisladores operen de la mejor
forma.
2 FORMATO
2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES
Los equipos eléctricos se ven sometidos
constantemente a sobretensiones que son
originadas principalmente a sobretensiones.
Las sobretensiones se dividen principalmente
en tres tipos.
Sobretensiones temporales
Sobretensiones por maniobras
Sobretensiones por descargas
atmosféricas
Las sobretensiones temporales se deben
principalmente a fallas a tierra, pérdidas de
carga y resonancias de diferentes tipos, cuando
ocurre este tipo de sobretensiones, se puede
elevar la tensión nominal hasta 1.5 veces.
Las tensiones por maniobra son originas por
apertura y cierre de interruptores, por
ferroresonancia, entre otros, cuando ocurre esta
sobretensión, el nivel de tensión se ve elevado
hasta 4 veces.
Las sobretensiones por descargas atmosféricas
se deben a la descarga atmosférica directa a la
línea.
Figura 1. Tipos de sobretensiones.
Los dos primeros tipos de sobretensiones son
de origen interno, mientras que las
sobretensiones por descargas atmosféricas, es
de origen externo.
En la figura observamos que las sobretensiones
de origen interno son de menor magnitud en
sobretensión, pero duran más, en comparación
con la sobretensión por descarga atmosférica,
se evidencia que la magnitud de la
sobretensión es muy grande y su duración es
breve.
Debido a estos fenómenos que ocurren en los
sistemas eléctricos, los materiales dieléctricos
toman un papel muy importante en cuanto a la
confiabilidad y seguridad, que se debe tener en
el sistema eléctrico.
Como se ha venido mostrando con el pasar del
tiempo la carga instalada se ha aumentado
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considerablemente, con esto los sistemas
eléctricos se tienen que hacer más robustos,
para así satisfacer la demanda que se tiene, en
donde los aisladores son parte fundamental.
Para que las pérdidas en el sistema eléctrico
sean menores, la tensión nominal se eleva,
debido a esto se realizan muchos estudios en
cuanto a los materiales dieléctricos, para que
funcionen adecuadamente a altas tensiones.
Varios factores influyen en la vida útil de los
materiales dieléctricos, por ejemplo en el
aceite de un transformador se ve influenciado
el deterioro del mismo, debido a la temperatura
y a la humedad, cuando el equipo opera a una
temperatura de 60 ºC, se estima que la vida útil
del equipo sea de 20 años, pero cuando sufre
una elevación de temperatura, hasta el punto
de llegar a 110 ºC, la vida útil del equipo se ve
reducida enormemente, llegando a tener tan
solo 7 meses de vida útil con esas condiciones,
con esto vemos que algunos materiales cuando
están sometidos a factores externo, sus
capacidades eléctricas cambian.
3 TIPOS DE MATERIALES EN EQUIPOS
Transformador
- Aceite Mineral
- Aisladores de Porcela-Polimeros
- Papel KRAFT
Datos técnicos
Media anual Potencia
de temperatura considerada
ambiente: (% según Pnom)
-10 °C 116 %
0 °C 110 %
10 °C 104 %
20 °C 100 %
25 °C 97 %
30 °C 94 %
35 °C 90 %
- CABLES DE POTENCIA XLPE PVC
Blindaje en polietileno reticulado
semiconductor
Aislamiento polietileno reticulado XLPE
Pantalla metálica en cinta de cobre con
aplicación helicoidal
Chaqueta en PVC retardante a la llama,
resistente a la abrasión, al calor y la humedad.
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- AISLADORES
Porcelana Vidrio Polímero
Figura 2. Datos Técnicos Aislador Polímero 4
- RECONECTADORES E INTERRUPTORES
Vacío Nitrógeno Aire SF6
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Figura 3. Datos Técnicos Reconectador Vacío 5 Material Resistividad Ω*m Constante Dieléctrica ԑr Rigidez Dieléctrica (kV/mm)
Gas SF6 7.93 - 8.9
Aire 3
Aceite de transformador 1*10^16 2 -2.24 15 -200
Madera 4.1*10^10 - 1*10^11 2.4 - 4
Mica 2.1*10^17 - 1*10^11 2.5 - 8.7 10 - 200
Neopreno 1*10^10 4.1 - 8 20 - 25
Nylon 1*10^16 3.4 - 5 25
Papel 1*10^7 3.7 - 7 15 - 200
Polietileno 1*10^16 2.2 - 2.3 30 - 42
Polímeros 50 - 900
Porcelana 7*10^12 - 1*10^20 5.0 - 7.0 5.7 - 38
PVC 1*10^13 1.1 - 8 15 - 40
Teflón 1*10^13 2 - 2.1 30 - 60
Vidrio 5.1*10^14 4.0 - 16 10.0 - 48
Polietileno Reticulado (XLPE) 1*10^14 2.5 - 3 15 Tabla 1. Propiedades eléctricas materiales
diélectricos
4 MATERIALES DIELÉCTRICOS, SÓLIDOS, LÍQUIDOS, GASEOSOS.
Debido a su configuración atómicos, densidad
molecular, dependiendo de cada uno tiene una
capacidad dieléctrica diferente.
- Sólidos.
Alta resistencia dieléctrica
Alta resistencia mecánica
Alta resistencia a la intemperie
Resistencia a los álcalis
Resistencia a los ácidos
Cuando supera un límite térmico, el material se
comienza a envejecer.
- Líquidos
Se regeneran cuando ocurre una falla
Se deterioran por la oxidación y presencia de
humedad.
Son muy sensibles a la temperatura.
El aceite, sirve como dieléctrico y refrigerante.
Buena viscosidad, para que el líquido fluya,
por medio de la convección y así generar una
buena transferencia de calor
- Gases
La tensión de ruptura aumenta con la densidad
que tenga el gas, al igual que con la presión, se
tiene el límite debido a la licuefacción que
tiene el gas.
Se regenera al presentarse una falla.
El oxígeno y el flúor, atrapan los electrones,
que son lo que hacen que se genere la ruptura
dieléctrica.
Se polariza a altas frecuencias.
5 COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES ANTE FENÓMINOS EXTERNOS.
CAMPO ELÉCTRICO.
Cuando se somete un material dieléctrico a
fuertes campos eléctricos, a pesar de que el
material se encuentre en estado neutro, puede
provocar que se genere un movimiento de
electrones, llamado polarización
Figura 4. Efectos del campo eléctrico
Humedad.
Cuando se encuentran partículas de humedad
en un material dieléctrico, hace que se
concentren el campo en dicho punto.
En los aceites de transformador es crítico que
se encuentren dichas partículas, debe ser
menos a 18 ppm.
Temperatura.
En los aisladores se genera un proceso químico
cuando la temperatura no es a la que se
encuentra diseñado, con lo cual genera un
envejecimiento en el aislamiento.
En el aceite es crítico, de la temperatura a que
se encuentre, radica la vida útil del
transformador, por eso muchas veces se ven
ventilación forzada, para que el aceite, se
mantenga a una temperatura estable.
Frecuencia.
Cuando hay una frecuencia alta, se genera una
fricción entre dipolos, con esto se crean
pérdidas de energía.
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6 PRUEBAS EN MATERIALES DIELÉCTRICOS.
- TANGENTA DELTA. Esta prueba da un análisis global de todo el
sistema, puede analizar varios aspectos, como
puede ser humedad, contaminación.
El aparato, compara y muestre las corriente
que circula por donde se está realizando la
prueba y por un condensador estándar que
tiene el aparato.
Hay aparatos que automáticamente arrojan los
datos de una vez, hay otros en donde se tiene
que hacer un Puente de
Schering.
Con esta prueba se puede encontrar, la
capacitancia, la tangente delta, el ángulo de
desfase, el factor de potencia.
Se puede usar un MEGGER para realizar esta
prueba.
7 SIMULACIONES DE CAMPO
ELECTRICO UTILIZANDO COMSOL 1. Configuraciones normas ASTM
Líquidos
La norma que seleccionamos como
referencia para la prueba de rigidez
dieléctrica en líquidos es la D1816, la
cual especifica el método para medir la
tensión disruptiva en aceites
dieléctricos derivados del petróleo
utilizando electrodos tipo VDE. A su
vez, la prueba de tangente delta se
encuentra consignada en la norma
D924 y la prueba para hallar la
resistividad está en la norma D1169.
Estos aceites son usados en
aplicaciones como cables de potencia,
transformadores, interruptores en aceite
y aparatos similares usados como
aisladores, y como medio de
enfriamiento.
Figura 5. Lineas de Campo.
Grafica 1. Campo vs Distancia.
Gases
Las norma que determina los parámetros para
caracterizar es la norma D-2477.
La muestra de gas se obtiene de un cilindro de
gas o de un equipo lleno del gas a través de
una válvula reguladora reductora de presión de
tal manera que el ujo hacia la celda pueda ser
controlado. La muestra y la celda deben estar a
la temperatura del cuarto de prueba antes de
que el gas sea introducido a la celda. La celda
se lava con jabón o detergente. Los electrodos
se limpian con lija y nafta. La celda que
contendrá el gas consiste en un cilindro de
vidrio de boro silicato sujeto por terminales
que dan terminación a las placas, los cuales
sellan la celda y le dan soporte a los electrodos.
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El electrodo plano debe estar fijo. El electrodo
esférico, sujeto por un imán, debe ser ajustable
por medio de un tornillo micrométrico
montado adecuadamente a través de la placa
superior. El tornillo micrométrico debe ser
adecuado para configurar los electrodos dentro
de la tolerancia especificada. La placa inferior
tendrá un puerto con válvula para la
evacuación y admisión de la muestra.
Este método utiliza electrodos planos y
electrodos esféricos que proveen un campo
cercanamente uniforme en el área de la
descarga eléctrica.
Lineas campo de según la configuración de los
electrodos:
Figura 6. Lineas de Campo
Campo en función de la distancia
Grafica 2. Campo vs Distancia
Solidos
En cuanto a los solidos, la norma seleccionada
es la D 69 que está bajo la jurisdicción del
comité D-9 en Materiales Aislantes Eléctricos
y Electrónico. Esta norma cubre los
procedimientos de prueba para cintas de
fricción, entre los cuales está el procedimiento
para hallar el Voltaje Disruptivo. El método de
prueba sugerido para determinar la tensión
disruptiva está conforme al método de prueba
de tiempo corto, descrito en la norma D149.
Los requerimientos de las muestras para
condiciones atmosféricas se relacionan con la
temperatura y la humedad relativa del medio
en el que se va a realizar la prueba. Cuando los
datos son obtenidos para propósitos de
comparación a una temperatura específica, se
selecciona la temperatura de prueba y su
tolerancia asociada a partir de la tabla
presentada en la norma. En relación a la
humedad relativa, cuando la tolerancia para la
temperatura es más o menos 2 grados
centígrados la tolerancia para la humedad
relativa es más o menos 10 %. Asimismo,
cuando la tolerancia para la temperatura es más
o menos 1 grado Centígrado la tolerancia para
la humedad relativa es más
o menos 5 %.
La configuración de los electrodos es de placas
planas, correspondiente a los electrodos tipo 4
del método de prueba D149; es decir, placas
planas de 6,4 mm (2.25in) de ancho y 108 mm
(4.25in) de largo con bordes cuadrados y
extremos redondeados de un radio de 3,2 mm
(o.125in)
Líneas de campo según la configuracion de los
electrodos:
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Figura 7. Lineas de Campo
Campo en función de la distancia:
Grafica 3. Campo vs Distancia
2. Configuraciones Punta-Punta y Punta placa. 2. punta placa 0.5mm Líneas de campo
Figura 8. Lineas de Campo
Campo eléctrico en función de la distancia:
Grafica 4. Campo vs Distancia
Punta-punta 0.5mm Líneas de campo:
Figura 9. Lineas de Campo
Campo eléctrico en función de la distancia
Grafica 5. Campo vs Distancia
Punta placa 2mm
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Líneas de campo
Figura 10. Lineas de Campo
Campo eléctrico en función de la distancia
Grafica 6. Campo vs Distancia Punta-punta 2mm Líneas de campo
Figura11. Lineas de Campo
Campo eléctrico en función de la distancia:
Grafica 7. Campo vs Distancia
Punta placa 5mm Líneas de campo:
Figura 11. Lineas de Campo
Campo eléctrico en función de la distancia
Grafica 8. Campo vs Distancia
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Punta-punta 5mm Líneas de campo:
Figura 12. Lineas de Campo
Campo eléctrico:
Grafica 9. Campo vs Distancia
Punta punta 10 mm Lineas de campo:
Figura 13. Lineas de Campo
Campo eléctrico:
Grafica 10. Campo vs Distancia
Punta placa 50 mm Líneas de campo:
Figura 14. Lineas de Campo
Campo eléctrico:
Grafica 11. Campo vs Distancia
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Punta punta 50 mm Líneas de campo:
Figura 15. Lineas de Campo Campo eléctrico:
Grafica 12. Campo vs Distancia
Análisis de resultados:
Podemos ver que con las puntas más agudas la
tensión que se requiere para llegar al nivel de
campo es menor.
Según la configuración punta - punta se
requiere más tensión que para el de punta -
placa ya que la geometría que recibe el campo
es menor y está un poco más distante que en la
configuración con placa.
Se puede ver en las configuraciones punta
placa que con cada aumento de radio el campo
que se observaba en la mitad de la trayectoria
cada vez mayor.
Podemos observar también que para la
configuración en punta placa debido a que su
geometría así lo permite el campo se comporta
de manera más homogénea que en una
configuración punta placa, esto se puede ver al
observar la líneas de campo en las diferentes
configuraciones.
3. Cable de Potencia Monopolar. Cable sin pantalla metálica conectada a tierra
Grafica 13. Campo vs Distancia
En la figura se puede observar que la el
material puede entrar más rápido en falla
debido a que en este caso el campo disruptivo
es mayor de lo que se espera cuando se tiene la
pantalla.
Figura 16. Lineas de Campo Cable con pantalla metalica conectado a tierra:
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Grafica 14. Campo vs Distancia
En la gráfica podemos observar que debido al efecto de la pantalla metalica el campo eléctrico generado es mucho menor que cuando no se tiene la pantalla, esta prueba fue realizada con voltaje de 35Kv.
Figura 17. Lineas de Campo
4. Cable de potencia media tension 34,5 Kv Lineas de campo:
Figura 18. Lineas de campo Campo elctrico concentrado en la burbuja de aire:
Figura 19. Lineas de campo de la burbuja.
Grafica 15. Campo vs Distancia Podemos ver una alta concentración de líneas
de campo en las fronteras de la burbuja, y para
evaluar el comportamiento del voltaje máximo
alcanzado en la burbuja se operó con un voltaje
nominal de 34.5/Kv. El resultado obtenido fue
un campo de 4kV /cm lo que nos permite
deducir por lo tanto que para el caso de Bogotá
el material dieléctrico no entrara en falla pues
el E disruptivo es aproximadamente de 24kV /
cm.
8. CONCLUSIONES
Las normas nos brindan parámetros muy
importantes a tener en cuenta a la de
poder caracterizar un material dieléctrico, y
de esta forma tener bases sólidas para
hacer diseños de materiales dieléctricos de
buena calidad.
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En el caso de las configuraciones, para
evitar mayores concentraciones en un
punto específico de un material lo más
recomendable es evitar que este sea de
forma en punta , pues las líneas de campo
tienden a concentrarse de forma más
intensa en ese punto.
Para el diseño e implementación de un
cable de potencia es muy importante tener
en cuenta, que el material dieléctrico este
totalmente libre de impurezas internas
como pequeñas burbujas donde con el
tiempo la alta concentración de campo
eléctrico en estas, haga que se produzcan
pequeñas descargas parciales en el
aislamiento deteriorándolo de forma
continua y finalmente que este entre en
falla.
Para los cables de potencia es muy
importante la conexión de la pantalla
semiconductora a tierra puesta nos va
permitir tener una distribución radial y
simétrica del campo dentro del cable lo
que es muy bueno para evitar
concentraciones de campo en un solo
punto.
Un material dielectrico puede ser diseñado
de manera óptima cumpliendo con todos
los requerimientos, siempre y cuando se
tengan en cuenta, todos los parámetros
que con el tiempo permitan que este tenga
un buen funcionamiento.
En el caso del objeto extraño en el cable
potencia del punto cuarto se logra concluir
que el origen de la descarga parcial se da
apartir que se supera la permeabilidad
relativa del aire que es menor a la del
material del aislamiento que en este caso
es polietileno, razón por la cual es aire
empieza a perder sus características
dieléctricas lo que puede puede verse
claramente en la frontera de la burbuja,
ocasionando un posterior deterioro en el
aislamiento del conductor.
9. REFERENCIAS [1] Saguay Tacurri Milton Favian, Tesis “Análisis de
comportamiento de medios dieléctricos ante las altas tensiones eléctricas”. 2011
[2] Ruiz Diana Carolina, Lozano Diego Hernando Tesis ”Coordinación de aislamiento”, 2007
[3] Cables para media tensión [En línea]. Disponible en: http://www.diprelsa.com/catalogos/CablesParaMediaTensionCENTELSA.pdf [4] Aislador polímero - Corona [En línea]. Disponible en: http://www.corona.com.co/gammasite/AdministratorPanel/pdf_files/217_cat_pol_final.pdf [5] Datos técnico reconectador ABB [En línea]. Disponible
en: http://www05.abb.com/global/scot/scot235.nsf/veritydisplay/34bdf961f37d1c4fc1257b1300573c11/$file/OVR%20Recloser%20Brochure%2015-38%20kV%20Spanish%20Rev%20A.pdf
