Aislamiento 5 150306 v2
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09/03/2015
1
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
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• 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
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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)
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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
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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
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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
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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 ����
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Descarga por partículas suspendidas (burbujas de gas)
E
CATODO (-)
ANODO (+)
disrupción
bubble´s radius (r)
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Liquido dieléctrico ����
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��2���
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� . ����Fuerza dirigida hacia zonas de bajo estrés
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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)
�
Liquido dieléctrico ����
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Descarga por partículas suspendidas (fibras o partículas sólidas)
E
CATODO (-)
ANODO (+)
disrupción
particle´s radius (r)
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Liquido dieléctrico ����0123 � �4 � ����
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14 78 � �����
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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
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Características dieléctricas para diferentes líquidos
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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
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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 electrónica
Descarga de avalancha o streamer
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Descarga electrónica
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)
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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
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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%
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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
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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
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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
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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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