Resumen de Alto Voltaje

POLARIZACION DE LOS MATERIALES AISLANTES

La inducción no se limita a los conductores, cuando acercamos una barra cargada a un aislante no hay electrones libres que puedan desplazarse por el material aislante.

Ocurre es un reordenamiento de las posiciones de las cargas dentro de los propios átomos y moléculas.

Molécula polar es cuando el centro del sistema de electrones (carga negativa) no coincide con el de núcleos positivos.

Molécula no polar el centro del sistema de electrones coincide con el de los núcleos positivos, el dieléctrico es eléctricamente neutro

Polarización electrónica

Tiene lugar en los átomos, iones o moléculas; bajo la influencia de un

campo eléctrico aplicado, se produce un desplazamiento de la nube electrónica de cada átomo, de modo que el centro de gravedad de las cargas negativas se desplaza una distancia d del núcleo positivo, esto produce dipolos inducidos y la polarización de del átomo.

Polarización iónica o atómica

Se presenta en sustancias iónicas con moléculas polares o no polares. Como consecuencia del carácter (iónico o covalente) de la unión, tienen átomos con excesos de cargas positivas o negativas (iones) que se desplazan solicitados por el campo exterior.

Polarización por orientación

Se produce solamente en las sustancias cuyas moléculas son polares, es decir que contienen dipolos aún sin la presencia de campo eléctrico exterior.

Tipos de aislantes

T (Thermoplastic) Material termoplástico

H (Heat resitant) Resistente al calor (heat).

W (Weather-resistant) Resistente a la humedad.

A (Asbestos) Asbesto. Este material está prohibido en la actualidad

M (Mineral oil) Resistente a los aceites.

N (Nylon) Cubertura exterior de nylon.

NM (Non-Metalic) Cubertura exterior de nylon (no metálica).

R (Rubber) Goma.

Dieléctrico:

Se le llama así al material mal conductor de electricidad, por lo que puede ser utilizado como aislante eléctrico, y además si es sometido a un campo eléctrico externo. En relación la rapidez de las ondas electromagnéticas en un dieléctrico es; donde c es la velocidad de la luz en el vacío y v es la velocidad de la luz en el medio.

Capacitor con Dieléctrico

Capacidad Eléctrica

La inserción de un dieléctrico entre las placas de un capacitor, ocasiona una polarización del dieléctrico que da como resultado una reducción del campo eléctrico y como consecuencia una caída en la diferencia de potencial, produciendo un incremento en la capacitancia.

La intensidad del campo eléctrico E se obtiene como:

E = Eo - ED Constante Dieléctrica La constante dieléctrica es una medida de la relativa Permisividad estática de un material. Se define como la estática Permisividad dividido por la constante eléctrica.

Matemáticamente;

La capacitancia C de un capacitor con un dieléctrico entre sus placas esta dado por la fórmula:

MEDICION DE LA CONSTANTE DIELECTRICA DE LOS MATERIALES

Primero medimos la capacidad de un condensador de prueba en el vacío (o en aire si aceptamos un pequeño error), luego usando el mismo condensador y la misma distancia entre sus placas se mide la capacidad con el dieléctrico.

FACTORES DE DISIPACION Y PERDIDAS DIELECTRICAS

Cuando aplicamos una corriente alterna a un dieléctrico perfecto, la corriente adelantará al voltaje en 90°, sin embargo debido a las pérdidas, la corriente adelanta el voltaje en solo 90°-δ, siendo δ el ángulo de pérdida dieléctrica.

Tangente Delta

Nos permite evaluar distintos cambios que van teniendo lugar en el aislamiento de cualquier equipo debido a su

envejecimiento o a cualquier tipo de falla que se presente.

Ángulos de pérdidas y tangente delta

La corriente

Producida por la polarización electrónica y por la polarización iónica no tienen componente activa y a la resultante de ellas se le denomina corriente de desplazamiento (Ides). La corriente producida por los demás tipos de polarizaciones que producen pérdidas se denomina corriente de absorción (Iabs ) y tiene una componente activa (Iabs,a) y una componente reactiva .

PRECAUCIÓN

Con la interpretación del ángulo pues él depende tanto de las componentes activas como de las reactivas de la corriente proceso.

La expresión matemática que define a la

tan es la siguiente:

DIAGRAMA FASORIAL DE LAS CORRIENTES

Medición de tangente delta

Cuando aplicamos una corriente alterna a un dieléctrico perfecto, la corriente adelantará al voltaje en 90°, sin embargo debido a las pérdidas, la corriente adelanta el voltaje en solo 90°-δ, siendo δ el ángulo de pérdida dieléctrica.

El factor de disipación está dado por

FD =Tan δ y el factor de pérdida dieléctrica es

FP = K Tan δ

K Tan δ.

RELACIÓN DE CORRIENTES

La relación de la corriente resistiva con la corriente capacitiva es un índice de que tantas pérdidas dieléctricas tienen. A esta relación se le conoce como factor de pérdidas o tangente delta siendo la delta un Angulo complementario del Angulo de potencia entre la corriente y el voltaje. Los valores usuales de tan delta para un buen aislante son del orden de 0.001.

VARIACIÓN DE LA TAN CON LA FRECUENCIA Y LA TEMPERATURA

Pérdidas de energía en los dieléctricos

Se producen en forma de calor. Si el campo eléctrico es de corriente directa, transcurrido unos segundos ya la corriente de polarización ha desaparecido, manteniéndose circulando por el dieléctrico solamente la corriente de conducción, comportándose por tanto este dieléctrico como un elemento resistivo

puro, por lo que las pérdidas de energía en él están dadas por:

• La Tangente Delta

Es un parámetro del material dieléctrico, el cual representa las pérdidas totales en el volumen de este material. Comprende el resultado neto de varios fenómenos que ocurren en la estructura del Sistema de Aislación.

• Polarización del dieléctrico

El principio básico del modelo físico para estos procesos, se sustenta en que pueden representarse por resistencias y capacidades en serie. Estos parámetros concentrados circuitales involucran los procesos físicos de pérdidas, magnitud de la polarización y tiempo de relajación (depende de la estructura molecular, estado del material y temperatura)

• Conducción superficial y volumétrica

Se debe al movimiento continuo de portadores de carga a través del sistema de aislación, ya que la resistividad del material dieléctrico es finita.

Depende de la temperatura, humedad, contaminación, nivel de la tensión aplicada, calidad y estado de la aislación.

• Ionización

Comprende al proceso físico de las actividades de descargas parciales (DP), ya sean superficiales o internas. Las DP consumen energía, por lo cual provocan un aumento de las pérdidas dieléctricas; este proceso se puede modelar a través de una resistencia.

La tan depende de los fenómenos de polarización y estos a su vez dependen de la frecuencia del campo eléctrico aplicado y también de la temperatura del material aislante.

Factores que influyen en la variación de la tangente delta

Tensión y Corriente

Sin la existencia de las descargas parciales, la tangente delta debería ser constante hasta muy altos niveles de la tensión.

La corriente superficial que genera calor en la superficie del dieléctrico no contribuye prácticamente al calentamiento del dieléctrico.

Temperatura

Cuando se eleva la temperatura interna del dieléctrico se tiene una mayor vibración de sus iones alrededor de sus puntos de equilibrio.

A bajas temperaturas la corriente de conducción propia del dieléctrico es pequeña y por lo tanto las pérdidas debido a ella también lo serán.

A medida que aumenta la temperatura, la corriente de conducción propia aumenta establemente con ella.

Al aumentar la temperatura se debilitan las fuerzas de cohesión molecular con lo que se facilita la polarización aumentando con ello las pérdidas pero aumenta la agitación térmica que se opone a la orientación de los dipolos.

Curva de la tangente delta con la temperatura

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN DIELÉCTRICO

La corriente que circula por un dieléctrico tiene una componente activa y una reactiva, tal como ocurre en un

circuito que contenga una resistencia y un capacitor ideal.

I

U

Cp

Rp

U

Representación de un dieléctrico mediante un circuito paralelo.

Ir

Ia IT

p

aR

UI pr CUI

U

I

Cs Rs

U

Representación de un dieléctrico mediante un circuito serie.

Ur

Ua

pp RC

1tan

La relación entre los parámetros del circuito serie y paralelo son:

2ps tan1CC

2

p

s

tan

11

RR

Las pérdidas se pueden calcular por la expresión:

2

sa

tan1

tanCP