Validacion de Aisladores de Alta Tension

x10

PROYECTO FIN DE CARRERA

Validación de Aisladores de Alta Tensión, 1,8kV, como Soportes Estructurales y

Conductores Térmicos Compatibles con el Entorno Espacial

AUTOR: Ramón Arroyo de la Fuente

MADRID, Julio 2008

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL

Autorizada la entrega del proyecto del alumno/a:

Ramón Arroyo de la Fuente

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Fernando Pérez Gracia

Fdo.: Fecha:

Vº Bº del Coordinador de Proyectos

José Ignacio Linares Hurtado

Fdo.: Fecha:

Agradecimientos

En primer lugar agradecer a mi familia y en particular a mi hermana,

Raquel, su gran colaboración en forma de apoyo y ánimo a lo largo del

desarrollo del proyecto, y en especial en el tramo final del mismo.

Agradecer también a la Fundación Rafael Escolá por la oportunidad

brindada de realizar un proyecto con la colaboración de la Empresa de

Electrónica Española y por los medios ofrecidos, aunque no siempre

aprovechados.

Abstract

I

Autor: Ramón Arroyo de la Fuente

Director: Fernando Pérez Gracia

Entidades colaboradoras: Fundación Rafael Escolá

Empresa de Electrónica Española

Abstract

El presente proyecto tiene como objetivo la validación de unos

aisladores comerciales de alta tensión fabricados por Ceramic Seals S.L.

para su aplicación en el entorno espacial. Concretamente, su aplicación se

encuentra dentro del equipo que está siendo desarrollado por la Empresa de

Electrónica Española para el nuevo sistema de propulsión eléctrica que La

Agencia Espacial Europea está desarrollando. El equipo de la Empresa de

Electrónica Española es la unidad de control y alimentación de los motores

de propulsión iónica. Estos motores necesitan para desarrollar el empuje ser

alimentados con alta tensión, 1.8kV.

Los aisladores, por lo tanto, estarán sometidos a una tensión de

funcionamiento de 1,8kV, pero además deberán trabajar como soportes

estructurales y deberán ser buenos conductores térmicos.

La necesidad surge porque no existe en el mercado un componente

diseñado para que reúna dichas características. Por lo que se ha tenido que

seleccionar un aislador comercial de alta tensión que, por los materiales y la

Abstract

II

tecnología utilizada en su fabricación, parece el mejor candidato para

desempeñar tales tareas.

El problema aparece porque no están diseñados con el objetivo de

ser soportes estructurales ni conductores térmicos, por lo que resulta

necesario validar su utilización en dicho proyecto realizando una serie de

estudios y ensayos.

La función de soporte estructural surge de la solución de diseño

adoptada por la empresa para trabajar con alta tensión. Se decidió construir

un módulo de alta tensión del resto de los circuitos y componentes

electrónicos. Dicho módulo debe estar anclado y aislado a la estructura del

equipo. Esta son pues dos tareas que deben desempeñar los aisladores:

soportar y aislar el módulo de alta tensión de la estructura.

La función de conductor térmico se debe a que la única manera de

poder disipar el calor generado por los componentes es por conducción

térmica. Al estar el módulo de alta tensión conectado a la estructura exterior

únicamente a través de los aisladores, deben ser éstos los encargados de

conducir al exterior la potencia calorífica generada en el interior de dicho

módulo.

Para poder llevar a cabo la validación, se ha realizado una primera

fase de documentación en busca de información sobre los fundamentos de

los materiales aisladores, para conocer cuales son las propiedades más

importantes, sus aplicaciones, los fenómenos que pueden darse, etc. Se han

Abstract

III

consultado diferentes manuales de diseño de aislamiento de alta tensión en

espacio, así como artículos publicados, para conocer cuales son los límites

de diseño con los que se trabajan en el sector, los materiales más usados,

etc. Se ha consultado también diversas bibliografías para poder recopilar

información sobre los tipos de test a los que deben ser sometidos los

componentes utilizados para el espacio. Información sobre duración,

secuencia, criterios de aceptación, etc., necesarios para confeccionar el plan

de validación.

En una segunda fase, se han realizado simulaciones de campo

eléctrico, térmicas y mecánicas con programas de elementos finitos, para

comprobar los valores que se pueden alcanzar y verificar que podrán ser

soportados por el aislador.

Finalmente, se ha confeccionado una campaña de pruebas para su

validación.

Abstract

IV

Abstract

This project aims to validate some commercial high voltage insulators

manufactured by Ceramic Seals SL for application in the space environment.

Specifically, its implementation is within the equipment being developed by

the Electronics Corporation Spanish for the new electric propulsion system

that the European Space Agency is developing. The equipment from the

Spanish Electronics Company is the power supply and control unit of ion

propulsion engines. These engines need to develop the thrust being fed with

high voltage, 1,8kV. The insulators, therefore, shall be subjected to an

operating voltage of 1, 8 kV, but also must work as structural supports and

should be good heat conductor.

The need arises because it does not exist a component designed to

meet those characteristics. That’s the reason why they had selected a

commercial high voltage insulator that, for materials and technology used in

its manufacture, it seems to be the best candidate to perform such tasks.

The problem appears because they are not designed with the goal of

being structural support or heat conductors, making it necessary to validate

its use in this project, making a series of studies and tests.

The role of support stems from the structural design solution adopted

by the company for working with high voltage. It was decided to build a high-

voltage module from the rest of the circuits and electronic components. This

Abstract

V

module must be isolated and anchored to the structure of the team. This is

because two tasks to be played insulators: handle and isolate the form of

high voltage of the structure.

The role of thermal driver is because the only way to dissipate the

heat generated by components is by thermal conduction. Being the form of

high tension connected to the exterior structure only through insulators, they

must be responsible for driving to the external the heat generated in the

inside of the module.

In order to carry out validation, it was made an initial stage of

documentation for information on the basis of materials insulators, to know

what are the most important properties, their applications, phenomena’s that

may occur, and so on. It has been consulted various manuals of insulation

design of high voltage in space, as well as articles published, to know what

are the limits of design, materials, etc., being used in the sector. It was also

consulted various bibliographies in order to gather information on different

types of tests to be performed to the component that is going to be used in

space. Reports on time, sequence, acceptance criteria and so on. Needed to

make the plan validation.

In a second phase, simulations have been performed for electric field,

thermal and mechanical study. It was used a finite element program to check

the values that are achievable and verify that may be stood by the insulator.

Abstract

VI

Finally, a campaign of tests had been developed for the validation of

the component.

Tabla de Contenidos

1

Tabla de Contenidos

1. Introducción........................................................................................... 14

1.1 Posición del Proyecto..................................................................... 16

1.2 Importancia Industrial ..................................................................... 18

1.3 Objetivo del Proyecto ..................................................................... 27

1.4 Marco de Realización..................................................................... 29

1.5 Contenido del Proyecto .................................................................. 29

2. Análisis de la Tecnología ...................................................................... 31

2.1 Fundamentos de los Aisladores ..................................................... 33

2.1.1 Gases de Aislamiento ............................................................. 34

2.1.1.1 Teoría de la Ruptura del Gas ...............................................35

2.1.1.1.1 Ley de Paschen ............................................................37

2.1.1.2 Efecto Penning .....................................................................39

2.1.1.3 Gases Presurizados .............................................................40

2.1.2 Líquidos Dieléctricos ............................................................... 41

2.1.2.1 Efectos .................................................................................42

2.1.2.1.1 Efectos de la Temperatura ...........................................42

2.1.2.1.2 Efecto de la Humedad ..................................................43

2.1.2.1.3 Gas Disuelto .................................................................44

2.1.2.2 Aplicaciones .........................................................................44

2.1.3 Aisladores Sólidos................................................................... 45

2.1.3.1 Propiedades de los materiales .............................................46

2.1.3.1.1 Resistencia ...................................................................47

2.1.3.2 Información para la Selección del Material...........................48

2.1.3.2.1 Rigidez Dieléctrica ........................................................48

2.1.3.2.2 Vida del Aislamiento .....................................................52

2.1.3.3 Flashover Superficial ............................................................55

2.1.3.3.1 Influencia de la temperatura .........................................56

2.1.3.3.2 Influencia de la frecuencia ............................................57

Tabla de Contenidos

2

2.2 Criterios de Diseño en Alta Tensión............................................... 59

2.2.1 Defectos comunes .................................................................. 59

2.2.2 Recomendaciones .................................................................. 61

2.2.3 Criterios de Diseño.................................................................. 62

2.2.4 Comentarios............................................................................ 63

2.3 Tests .............................................................................................. 64

2.3.1 Tests de Alta Tensión ............................................................. 65

2.3.1.1 PD Testing............................................................................65

2.3.1.1.1 Equipo ..........................................................................66

2.3.1.1.2 Esquema Setup ............................................................68

2.3.1.1.3 Interpretación de las PD ...............................................69

2.3.1.1.4 Algunos diagnósticos de PD.........................................69

2.3.1.2 Dielectric Withstand Voltage Test (DWV).............................76

3. Requerimientos ..................................................................................... 77

3.1 Condiciones del Espacio ................................................................ 79

3.1.1 Fenómenos ............................................................................. 79

3.1.1.1 Corona .................................................................................79

3.1.1.2 Rayos Cósmicos y Efectos de la Radiación .........................81

3.1.1.3 Plasma del Espacio..............................................................82

3.2 Normativa....................................................................................... 84

3.2.1 Tests de Inspección ................................................................ 85

3.2.2 Pruebas de Descarga Parcial (nivel de módulo o equipo) ...... 87

3.2.3 Prueba de Evaluación a Nivel de Componente o Módulo ....... 89

3.3 Condiciones Negociadas en Oferta................................................ 92

3.3.1 Componentes.......................................................................... 92

3.3.2 Restricciones a las pruebas requeridas en el [Ref. 23] (excepto

la potted modules HV)........................................................................... 94

4. Descripción del Aislador Estudiado ....................................................... 97

4.1 Descripción del aislador ............................................................... 102

4.1.1 Materiales ............................................................................. 105

Tabla de Contenidos

3

4.1.1.1 Alúmina 97.6% ...................................................................105

4.1.1.2 Copper Oxigen Free High Conductivity (Cu OFHC) ...........123

4.1.2 Tipo de Unión........................................................................ 132

5. Simulaciones ....................................................................................... 138

5.1 Software de Simulación................................................................ 140

5.2 Modelo de Simulación.................................................................. 143

5.3 Campo Eléctrico........................................................................... 146

5.3.1 Configuración........................................................................ 146

5.3.1.1 Modelo de Trabajo .............................................................146

5.3.1.2 Parámetros de Estudio.......................................................147

5.3.1.3 Mallado...............................................................................148

5.3.1.4 Condiciones de Contorno...................................................151

5.3.2 Resultados ............................................................................ 152

5.4 Térmico ........................................................................................ 158

5.4.1 Configuración........................................................................ 159



5.4.1.3 Mallado...............................................................................161


5.4.2 Resultados ............................................................................ 166

5.4.2.1 Térmicos.............................................................................166

5.4.2.2 Estático...............................................................................177

5.5 Mecánico...................................................................................... 185

5.5.1 Configuración........................................................................ 186



5.5.1.3 Mallado...............................................................................188


5.5.2 Resultados ............................................................................ 192

6. Plan de Pruebas.................................................................................. 198

Tabla de Contenidos

4

6.1 Preparación y Manipulación de las Muestras............................... 201

6.1.1 Limpieza................................................................................ 201

6.1.2 Manipulación......................................................................... 203

6.1.3 Serialización.......................................................................... 203

6.2 Pruebas........................................................................................ 207

6.2.1 Pruebas Eléctricas ................................................................ 209

6.2.1.1 Resistencia Eléctrica ..........................................................210

6.2.1.2 Descargas Parciales ..........................................................211

6.2.1.3 Ruptura del Dieléctrico .......................................................212

6.2.2 Térmicas ............................................................................... 213

6.2.3 Mecánicas............................................................................. 216

6.2.3.1 Dureza................................................................................216

6.2.3.2 Tracción..............................................................................222

6.2.3.3 Flexión................................................................................229

6.2.4 Ensayo de Vida..................................................................... 231

7. Conclusiones....................................................................................... 233

7.1.1 Campo Eléctrico.................................................................... 235

7.1.2 Térmico ................................................................................. 244

7.1.3 Mecánico............................................................................... 245

8. Presupuesto ........................................................................................ 246

8.1 Presupuesto General ................................................................... 248

8.2 Presupuesto Detallado................................................................. 251

Bibliografía ................................................................................................. 259

Lista de Ilustraciones

5


Figura 1. Ejemplos de motores de propulsión iónica. [Ref. 30] ....................20

Figura 2. Esquema de motor iónico basado en el efecto Hall. [Ref. 30] .......21

Figura 3. Esquema de un gridded ion thruster [Ref. 1] .................................21

Figura 4. QinetiQ T6 Ion Thruster. [Ref. 1] ...................................................23

Figura 5. XFCU (Xenon Flow Control Unit). [Ref. 1] .....................................23

Figura 6. Diagrama de bloques de la PSCU. [Ref. 1] ...................................24

Figura 7. Configuración del sistema de propulsión de AlphaBus [R1] ..........25

Figura 8. Representación de orientación del montaje de los aisladores.......28

Figura 9. Representación de orientación del montaje de los aisladores.......28

Figura 10. Curva Tensión-Intensidad de ionización y ruptura de un gas

con campo eléctrico uniforme. [Ref. 17] ..................................36

Figura 11. Tensión de ruptura de gases puros en función de la presión

y el espacio. [Ref. 17]..............................................................39

Figura 12. Influencia de la Tª sobre la conductividad del dieléctrico.

[Ref. 7].....................................................................................43

Figura 13. Influencia de la temperatura sobre la rigidez dieléctrica..............50

Figura 14. Influencia de la HR sobre la rigidez dieléctrica............................51

Figura 15. Influencia del espesor sobre la rigidez dieléctrica. ......................51

Figura 16. Influencia del área activa del dieléctrico......................................52

Figura 17. Influencia de la temperatura en la vida del aislamiento...............53

Figura 18. Definición de creepage. [Ref. 17] ................................................56


6

Figura 19. Efecto de la frecuencia sobre la resistencia a “flashovers”..........57

Figura 20. Setup genérico del ensayo de PD. ..............................................68

Figura 21. Ejemplo de la señal en forma de elipse. [Ref. 4] .........................69

Figura 22. Descarga básica de corona. [Ref. 5] ...........................................80

Figura 23. Efecto bipolar provocado por la radiación. [Ref. 5]......................81

Figura 24. Variación de la tensión de ruptura del plasma con la

densidad. [Ref. 5] ....................................................................83

Figura 25. Tabla de requisitos del ensayo PD de la normativa [Ref. 19] ......88

Figura 26. Sello de certificación. [Ref. 39] ..................................................102

Figura 27. Recorrido de que dificulta la avalancha de e-. [Ref. 39] ............103

Figura 28. Ilustración del aislador. [Ref. 39] ...............................................103

Figura 29. Boceto del aislador. [Ref. 39] ....................................................104

Figura 30. Muestra de corindón..................................................................106

Figura 31. Proceso de obtención de alúmina. [Ref. 42]..............................115

Figura 32. Cadena de producción de alúmina de la empresa Aluar.

[Ref. 42].................................................................................119

Figura 33. Conductividad eléctrica del Cu OFC. ........................................127

Figura 34. Distribución del contenido en oxígeno.......................................127

Figura 35. Ensayo de tracción. ...................................................................128

Figura 36. Comparación ductilidad del cobre. ............................................128

Figura 37. Soldadura TIG en ambiente húmedo. .......................................129

Figura 38. Maqueta de la isolation box inicial para pruebas de

vibraciones. ...........................................................................143

Figura 39. Vista dimétrica del modelo explosionado y sin explosionar.......144


7

Figura 40. Vista frontal del modelo explosionado y sin explosionar. ..........145

Figura 41. Vista isométrica del modelo de trabajo......................................146

Figura 42. Vista frontal del modelo para la simulación de campo

eléctrico. ................................................................................147

Figura 43. Parámetros de estudio del modelo............................................147

Figura 44. Modelo completo mallado..........................................................150

Figura 45. Mallado del Aislador de Alta Tensión. .......................................150

Figura 46. Mallado del Aire.........................................................................151

Figura 47. Condiciones de Contorno. .........................................................151

Figura 48. Distribución del campo eléctrico en el aislador..........................152

Figura 49. Distribución de campo eléctrico en la sección central del

aislador..................................................................................153

Figura 50. Representación de la distribución del potencial eléctrico. .........153

Figura 51. Distribución de campo eléctrico en la sección media del

modelo completo. ..................................................................154

Figura 52. Distribución potencial en la sección media frontal del

modelo...................................................................................155

Figura 53. Líneas de campo eléctrico.........................................................155

Figura 54. Líneas de campo eléctrico en el centro de la alúmina...............156

Figura 55. Líneas de campo eléctrico en la zona “b”..................................156

Figura 56. Líneas de campo eléctrico en la zona “a”..................................157

Figura 57. Vista isométrica y frontal del modelo mallado. ..........................162

Figura 58. Vista isométrica y frontal del mallado del aislador mallado. ......163


8

Figura 59. Vista isométrica e inferior del soporte superior de aluminio

mallado..................................................................................163

Figura 60. Vista isométrica y superior del soporte inferior de aluminio

mallado..................................................................................164

Figura 61. Condiciones del estudio térmico................................................165

Figura 62. Condiciones del estudio de solicitaciones térmicas...................165

Figura 63. Flujo de calor resultado de la simulación...................................166

Figura 64. Detalle del flujo de calor por las esquinas del modelo y

cambio de material. ...............................................................167

Figura 65. Variación de temperatura en los extremos del aislador con la

potencia calorífica. ................................................................168

Figura 66. Distribución de temperaturas en el modelo. ..............................168

Figura 67. Esquema de conducción térmica. .............................................170

Figura 68. Esquema simplificación de resistencias térmicas......................171

Figura 69. Comparativa de ∆T....................................................................177

Figura 70. Distribución de tensiones por gradiente térmico........................177

Figura 71. Tensión en función de la potencia calorífica..............................179

Figura 72. Distribución de desplazamientos del modelo. ...........................184

Figura 73. Deformación del modelo............................................................184

Figura 74. Modelo mallado de COSMOS. ..................................................186

Figura 75. Modelo del aislador. ..................................................................187

Figura 76. Control de mallado. ...................................................................188

Figura 77. Mallado del modela del aislador. ...............................................189

Figura 78. Restricciones de desplazamiento..............................................190


9

Figura 79. Condiciones de carga................................................................191

Figura 80. Distribución de tensiones en el modelo de COSMOS. ..............192

Figura 81. Vista en detalle de la zona con máximas tensiones. .................192

Figura 82. Distribución de desplazamientos en el modelo de COSMOS....194

Figura 83. Estado de tensiones del caso 1.................................................196



Figura 86. Desplazamientos del modelo ....................................................197

Figura 87. Maqueta ensayos de módulo. ...................................................204

Figura 88. Serialización de bolsa contenedora...........................................205

Figura 89. Croquis de preparación de la muestra a ensayar......................210

Figura 90. Croquis del setup de pruebas térmicas. ....................................214

Figura 91. Durómetro .................................................................................217

Figura 92. Indentador piramidal Vickers .....................................................220

Figura 93. Impronta piramidal de dureza Vickers .......................................220

Figura 94. Sobre el ensayo de Vicerks (tomado del estándar ASTM E-

92) .........................................................................................221

Figura 95. Curva tensión-deformación. ......................................................224

Figura 96. Boceto del ensayo de tracción ..................................................227

Figura 97. Croquis del setup del ensayo de tracción..................................228

Figura 98. Croquis ensayo de flexión. ........................................................229

Figura 99. Croquis montaje de la muestra..................................................230

Figura 100. Tensión de Ruptura del Aire en función de la distancia de

electrodos (cm)......................................................................239


10

Figura 101. Gráfico de las curvas de tensión simuladas. ...........................240

Figura 102. Gráfica con superposición de curvas de simulación y

tensión de ruptura. ................................................................241

Lista de Tablas

11

Lista de Tablas

Tabla 1. Aplicaciones de los Líquidos Dieléctricos. [Ref. 20] .......................44

Tabla 2. Propiedades de interés para materiales aislantes. [Ref. 17] ..........46

Tabla 3. Valores máximos de tres materiales de encapsulado ....................53

Tabla 4. Ventajas y desventajas del estado del dieléctrico. .........................58

Tabla 5. Límites de diseño. ..........................................................................63

Tabla 6. Tabla de características de algunos equipos de detección de

PD ...........................................................................................67

Tabla 7. Diagnósticos de PD tests. [Ref. 9] ..................................................75

Tabla 8. Tabla de propiedades de la alúmina 97.6%. [Ref. 39] .................120

Tabla 9.Propiedades del Cobre OFHC.......................................................131

Tabla 10. Valoración de los procesos de soldadura. ..................................134

Tabla 11. Características del software de cálculo. .....................................141

Tabla 12. Compatibilidad del software con los programas de diseño

CAD.......................................................................................141

Tabla 13. Detalles del mallado del estudio eléctrico...................................148

Tabla 14. Detalles de los controles de malla del estudio eléctrico. ............149

Tabla 15. Casos de simulación térmica......................................................160

Tabla 16. Segunda tanda de simulaciones térmicas. .................................161

Tabla 17. Detalles del mallado del estudio térmico. ...................................161

Tabla 18. Detalles de los controles de malla del estudio térmico. ..............162

Tabla 19. Diferencia de temperatura en el aislador. ...................................167

Tabla 20. Materiales que componen el modelo. .........................................170

Lista de Tablas

12

Tabla 21. Datos para los cálculos térmicos. ...............................................173

Tabla 22. Resultados de las resistencias térmicas.....................................174

Tabla 23. Resultados de la resistencia térmica total. .................................175

Tabla 24. Resultados de temperatura y resistencia térmica.......................176

Tabla 25. Tensiones en los puntos críticos. ...............................................178

Tabla 26. Tabla con las propiedades mecánicas de los materiales. ..........183

Tabla 27. Detalles del mallado del estudio mecánico.................................188

Tabla 28. Resultado de reacciones. ...........................................................193

Tabla 29. Cargas de aplicación ..................................................................194

Tabla 30. Relación entre ejes de los modelos............................................195

Tabla 31. Casos de carga para la 2ª Etapa................................................195

Tabla 32. Tensiones máximas....................................................................196

Tabla 33. Listado de piezas para el setup del ensayo de PD.....................210

Tabla 34. Listado de piezas para el setup de tracción................................228

Tabla 35. Listado de piezas para el setup de flexión..................................230

Tabla 36. Valores de campo en las zonas críticas a 1,8kV. .......................236

Tabla 37. Valores de campo en las zonas críticas a 3,6kV. .......................237

Capítulo 1 Introducción

14

1. Introducción


15

A lo largo de todo este capítulo se pretende exponer tanto el marco

industrial en el que se encuentra el proyecto objeto de estudio como la

importancia industrial del mismo dentro del sector aeroespacial. Para ello se

realizará una breve y general introducción de la evolución histórica de las

exigencias, consumos y demás aspectos de los sistemas eléctricos y

electrónicos utilizados en los aviones y en los vehículos espaciales.

Una vez situados se definirá el objetivo que se pretende alcanzar, así

como el marco de realización del proyecto y el contenido general del mismo.


16

1.1 Posición del Proyecto

Los sistemas eléctricos y electrónicos de los aviones han sido y

continúan siendo una cuestión controvertida desde el punto de vista del

funcionamiento y la fiabilidad desde los inicios de los desarrollos en los años

30 y 40. Durante la Segunda Guerra Mundial, los sistemas de alta tensión de

los aviones se limitaron a los radares, transmisores y a los sistemas de

generación y transformación de potencia. Para mantener el volumen y el

peso de los equipos eléctricos y electrónicos en niveles bajos y para evitar

excesivos ratios de fallos, se limitó el voltaje y la potencia en 10kV y 2.5kW.

Por ejemplo, uno de los factores más significativos de los equipos de aquella

época era el uso de contenedores presurizados o rellenos con aceite, con

valores de campo eléctrico muy conservadores, raramente sobrepasando los

800V/mm para conseguir prolongados periodos de vida. Basados en estos

márgenes, se fabricaban equipos simples, grandes y pesados con

razonables tiempos de vida. Como los vuelos tenían un periodo de duración

corto, se mantenía a un gran número de personas cualificadas reparando y

reemplazando aquellos equipos que no estaban operativos a medida que

iban fallando para ajustarse a las especificaciones. Esto suponía un alto

coste de mantenimiento.

Después de la Segunda Guerra Mundial, la tendencia de los

diseñadores de sistemas electrónicos fue la de añadir más electrónica para

mejorar las comunicaciones, navegación y control de los aviones a medida


17

que las velocidades y la maniobrabilidad comenzaban a ser críticas para la

seguridad y la vulnerabilidad de los aviones.

Desde el final de la Segunda Guerra Mundial hasta los años 70 se

consiguieron significativos avances en la industria de la electrónica. Gran

parte de los pesados diseños de tubos de vacío fueron reemplazados por

PCBs (Printed Circuit Boards – Tarjetas de Circuitos Impresos) y otros

sistemas. Asimismo, se realizaron importantes avances en materiales

aisladores y procesos con los que conseguir incrementar las solicitaciones

eléctricas a 2kV/mm para misiones de alta duración como los satélites, y

mayores de 8kV/mm con un pico de tensión mayor de 40kV/mm para unos

pocos vuelos con una duración corta de la misión [Ref. 5].

En las últimas décadas, la aplicación de alta tensión en aviones y

satélites está experimentando un considerable avance. Los requerimientos

eléctricos y electrónicos están aumentando casi con el mismo ratio con el

que están disminuyendo los ratios de masa y volumen exigidos.

Esto hace que los requerimientos de diseño para sistemas eléctricos y

electrónicos destinados al uso aeroespacial necesiten de un mayor énfasis

en la selección y aplicación de adecuados materiales aislantes. A la hora de

realizar el análisis y evaluación del aislamiento eléctrico, se debe prestar

especial atención a los efectos generados por los ciclos de temperatura, la

alta concentración de componentes para la reducción del volumen de los

equipos, la larga duración de las misiones y la utilización de alta tensión.


18

Para diversos vehículos espaciales se ha investigado el aislamiento

eléctrico y sus aplicaciones en equipos de alta tensión. Estas aplicaciones

incluyen sistemas de comunicación y sistemas experimentales para

vehículos espaciales tripulados y no tripulados, orbitales, y vehículos de

reentrada; y en sistemas eléctricos y electrónicos de los modernos aviones

comerciales.

1.2 Importancia Industrial

En la industria aeroespacial existe un requisito fundamental en todos

los proyectos que se llevan a cabo: la minimización del peso y volumen de

los equipos. El exceso de peso se traduce en la necesidad de una mayor

fuerza de empuje en el lanzamiento aumentando con ello el consumo de

combustible, los que conlleva a disponer de unos mayores depósitos. Esto

se traduce al final en un incremento de los costes de lanzamiento y de la

misión, por lo que fuertes inversiones en I+D+i son requeridas para

desarrollar las tecnologías existentes que ayuden a mejorar dichos aspectos,

entre otros.

Uno de los campos en los que se ha realizado una fuerte inversión es

en el de la propulsión de los satélites. Uno de los resultados obtenidos son

los motores de propulsión eléctrica, con los que se ha conseguido reducir

notablemente el tamaño y peso de los motores, así como la cantidad

necesaria de combustible (gas noble Xenón) gracias a su alto rendimiento.

Aunque de momento estos motores no van a sustituir a los motores de


19

combustión en las fases de lanzamiento, serán de gran utilidad en aquellas

misiones de larga duración y de largos recorridos gracias a sus ventajosas

características de rendimiento, peso, volumen, potencia,… Ejemplo de estos

motores son el NSTAR (NASA’s Solar Electric Propulsión Technology

Application Readiness), ahora evolucionado a NEXT (NASA’s Evolutionary

Xenon Thruster), o el proyecto europeo HPEPS (High Power Electric

Propulsión System) [Ref. 1] [Ref. 3].

Los principios de los propulsores de iones se remontan a los

conceptos desarrollados por el físico alemán/austriaco Hermann Oberth,

quien publicó en 1929 su famosa obra “Ways to Spaceflight” (Wege zur

Raumschiffahrt). En ella dedica todo un capítulo a la energía y propulsión

eléctrica, donde expuso sus ideas sobre el ahorro másico con la utilización

de dicha tecnología, previó su utilización en vehículos espaciales y de

control de estabilidad, y abogó por la aceleración electrostática de gases

ionizados.

El primer trabajo realizado sobre propulsores de iones fue llevado a

cabo por Harold R. Kaufman en el año 1959, en las instalaciones de la

NASA Glenn. Era muy similar al diseño general del motor de propulsión

iónica alimentado con mercurio. Durante los años 60 se realizaron pruebas

suborbitales y en el año 1964, el motor fue enviado en un vuelo suborbital en

el SERT 1 (Space Electric Rocket Test 1). Funcionó correctamente durante

los 31 minutos previstos antes de terminar cayendo sobre la Tierra.


20

Figura 1. Ejemplos de motores de propulsión iónica. [Ref. 30]

El estudio del propulsor basado en el efecto Hall fue desarrollado de

forma independiente por los EE.UU. y la URSS en la década de 50 y 60. Sin

embargo, sólo la antigua Unión Soviética desarrolló eficazmente un motor

basado en este efecto (ver Figura 2), mientras que los científicos de los

EE.UU. se centraron en el desarrollo de los gridded ion thrusters (ver Figura

3).

• Los motores basados en el efecto Hall llevan operativos desde

1972 en los satélites soviéticos. Hasta los 90 sólo se utilizaban

para la estabilización de los satélites en las direcciones Norte-Sur y

Este-Oeste. Alrededor de 100-200 motores completaron

exitosamente sus misiones sobre satélites soviéticos y rusos hasta

finales de los 90.

• El propulsor soviético fue introducido en Occidente en el año 1992,

después de que un grupo de especialistas en propulsión eléctrica,


21

bajo el soporte de la Organización de Defensa de Misiles

Balísticos, visitara las instalaciones soviéticas.

Figura 2. Esquema de motor iónico basado en el efecto Hall. [Ref. 30]

Figura 3. Esquema de un gridded ion thruster [Ref. 1]

En satélites geoestacionarios de telecomunicaciones, la tecnología de

propulsión iónica de alto impulso específico (SI) puede reducir

significativamente la masa de combustible requerida para North South


22

Station Keeping (NSSK), así como maniobras de elevación de órbita y

abandono de órbita al final de la vida del satélite. El ahorro en masa de

combustible resultante, que puede llegar a cientos de kilos, podría permitir

alargar la vida de la misión, reducir los costes del lanzamiento, alojar cargas

útiles mayores, o una combinación de estos beneficios.

Actualmente, la NASA está desarrollando un avanzado sistema de

propulsión iónica, proyecto conocido con el nombre de NEXT (NASA’s

Evolutionary Xenon Thruster) evolución del NSTAR (NASA’s Solar Electric

Propulsion Technology Application Readiness), para futuras misiones de

exploración del sistema solar. En paralelo está la Agencia Espacial Europea

(ESA – European Space Agency), que, en un esfuerzo por no perder la

posición dentro del mercado espacial, ha comenzado los predesarrollos del

HPEPS (High-Power Electric Propulsion System) para preparar la gama alta

de satélites avanzados, basados en AlphaBus, lo que será la nueva gran

plataforma europea para satélites de comunicaciones.

HPEPS, el sistema de propulsión eléctrica seleccionado por la ESA

como la mejor solución técnica para Alphabus, está constituido

principalmente por los tres siguientes equipos:


23

• Motor de propulsión iónica desarrollado por QinetiQ (UK)

Figura 4. QinetiQ T6 Ion Thruster. [Ref. 1]

• Unidad de alimentación de combustible Xenón desarrollado por

Marotta (UK).

Figura 5. XFCU (Xenon Flow Control Unit). [Ref. 1]


24

• Unidad de control y alimentación de potencia desarrollado por la

Empresa de Electrónica Española (E);

Figura 6. Diagrama de bloques de la PSCU. [Ref. 1]

El esquema del sistema de propulsión que llevarán estos satélites es

el que se puede ver en la Figura 7, donde se aprecia el número total de los

equipos mencionados que lo integran.


25

Figura 7. Configuración del sistema de propulsión de AlphaBus [R1]

Cabe destacar la participación de la Empresa de Electrónica Española

con su equipo PSCU (Power Supply and Control Unit) encargado de

proporcionar la alimentación así como de controlar tanto al motor QinetiQ T6

Ion Thruster como el XFCU. Para el T6 Ion Thruster, la PSCU incluye tanto

la alimentación de alta y baja tensión como las corrientes asociadas y las

tensiones de alimentación de la telemetría. Para el XFCU incluye el

aislamiento, la medida de temperatura y el control preciso del flujo de xenón

para la propulsión. Asimismo, comprende la alimentación de alta tensión

(1800V) para la eyección de los rayos de iones.


26

Estas funciones, junto con otras que llevan asociadas, aparecen

recogidas en el equipo que está siendo desarrollado por la Empresa de

Electrónica Española , basándose en la experiencia adquirida en el diseño,

desarrollo, fabricación y calificación de la IPCU (Ion Propulsion Control Unit),

unidad que está desarrollada para el satélite GOCE.

El equipo ha sido diseñado teniendo en cuenta, entre otras, la primera

de las premisas mencionadas al principio: minimizar el peso y el volumen.

No es difícil adivinar los problemas de aislamiento que surgen al situar

circuitos de alta tensión muy próximos a los de baja tensión. A ellos, hay que

añadir los correspondientes a la disipación de calor en las condiciones de

funcionamiento del equipo debido al calentamiento de los componentes. De

ahí la necesidad de realizar una correcta evaluación y selección de los

materiales aisladores que deberán cumplir también la función de soportes

estructurales y de conductores térmicos.


27

1.3 Objetivo del Proyecto

Este proyecto tiene como objetivo principal el establecer un método

de validación de los aisladores comerciales de alta tensión desarrollados por

la empresa del Reino Unido Ceramic Seals, para ser utilizados en la unidad

de control y alimentación. Su función dentro de la unidad será la de

mantener aislado el módulo de alta tensión de la PSCU con respecto al resto

de los módulos electrónicos, así como la de soporte estructural y conductor

térmico para lo que en principio no está específicamente diseñado.

Para ello, se plantea realizar una valoración computacional del

aislador en las condiciones de trabajo a través de programas de cálculos por

elementos finitos, para más tarde elaborar un plan de pruebas a las que se

tendrá que someter el aislador con el fin de poder validar su aplicación.

El criterio utilizado por la empresa para la distribución de los circuitos

ha sido el de mantener separados los de alta tensión de los de baja tensión.

En la Figura 6 se puede apreciar el diagrama de bloques de la PSCU

mostrado en páginas anteriores.

El sistema de aislamiento del módulo de alta tensión consiste en una

doble jaula de Faraday:

• La primera de ellas contiene el módulo de alta tensión, que estará a

1800V;


28

• La segunda de ellas contiene a la primera. Está anclada al chasis

del equipo y referida a tierra 0 V.

La interfaz mecánica utilizada para anclar la primera jaula a la

segunda son precisamente los aisladores de alta tensión. En la Figura 8 se

muestra una configuración representativa del montaje de las jaulas de

aislamiento y los aisladores.

Figura 8. Representación de orientación del montaje de los aisladores

Figura 9. Representación de orientación del montaje de los aisladores


29

1.4 Marco de Realización

El proyecto tiene su marco de realización dentro de otro proyecto de

mayor envergadura que está siendo desarrollado por la Empresa de

Electrónica Española , consistente en el diseño, desarrollo, fabricación y

validación de la unidad electrónica de control y alimentación del sistema

HPEPS, la PSCU (Power Supply and Control Unit).

1.5 Contenido del Proyecto

Este proyecto pretende realizar un estudio de los aisladores de alta

tensión utilizados en el equipo que está siendo desarrollado por la Empresa

de Electrónica Española , la PSCU, para el sistema de propulsión eléctrica

HPEPS, con el objeto de validar la utilización del componente comercial para

espacio.

En primer lugar, se dará un repaso general al estado de la tecnología

en este campo, realizando un estudio general de los fundamentos de los

materiales aisladores, desde los gaseosos hasta los sólidos, con el objeto de

poder evaluar la correcta selección de los materiales seleccionados. Dentro

de este punto también se hablará de los diferentes criterios de diseño

encontrados en la bibliografía, desde los utilizados en los aisladores de alta

tensión de las redes eléctricas hasta los empleados en el aislamiento de alta

tensión en equipos electrónicos espaciales. Por último, se comentarán los


30

tests que se deben realizar para garantizar la selección del material y el

desarrollo del aislamiento.

En segundo lugar, se realizarán los análisis correspondientes a los

requerimientos de la misión establecidos por el cliente para determinar

cuales serán los márgenes de funcionamiento tanto térmico como

estructural.

Una vez realizado el trabajo anterior, se dispondrá de la información

necesaria para poder realizar los análisis y llevar a cabo la evaluación de los

resultados. Por lo tanto, en la siguiente fase se realizarán las simulaciones

de campo eléctrico, térmico y estructural pertinentes, utilizando como

limitaciones los requerimientos del la misión. Se analizarán los resultados

obtenidos y se evaluará el diseño desarrollado.

Por último, se redactará un posible plan de pruebas para la validación

de los aisladores de alta tensión, que irán desde la caracterización del

material hasta las pruebas de alta tensión con el objeto de comprobar la

tensión máxima que soporta el material, tests de descargas parciales para la

detección de microporosidades, etc.

Capítulo 2 Análisis de la Tecnología

31

2. Análisis de la Tecnología


32

En este capítulo se analizará el estado del arte, profundizando en los

temas de tipos de materiales de aislamiento, criterios de diseño y tests a

realizar para la evaluación del mismo.


33

2.1 Fundamentos de los Aisladores

Se denomina aislante eléctrico al material con escasa conductividad

eléctrica, no existiendo cuerpos absolutamente aislantes o conductores, sino

mejores o peores conductores. Son materiales muy utilizados para evitar

cortocircuitos, forrando con ellos los conductores eléctricos para mantener

alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos. Los

materiales utilizados más frecuentemente son los plásticos y las cerámicas.

El comportamiento de los aislantes 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.

Un material aislante tiene una resistencia teóricamente infinita.

Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas

condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, aislante a temperatura

ambiente y bajo condiciones de frecuencia de la señal y potencia

relativamente bajas, puede convertirse en conductor. Por tanto, se aprecia

como las condiciones de funcionamiento afectan a las propiedades del

dieléctrico.

El dieléctrico se verá afectado por las condiciones ambiente, como la

temperatura o presión, que modificarán las propiedades del material, y por

las condiciones de funcionamiento y fabricación, como el campo eléctrico

aplicado o la superficie de los electrodos con los que están en contacto.


34

Estos factores influyen fuertemente en la tensión de ruptura del material. Por

ello resulta necesario conocer y comprender las principales características

del los materiales aislantes así como los posibles fenómenos que pueden

darse y su comportamiento frente a los mismos.

En este apartado se repasarán, de forma muy general los

fundamentos de las diferentes formas de aislamiento que se pueden utilizar

así como los fenómenos que pueden sufrir cada uno de ellos. El estudio se

centra en los gases de aislamiento (definiendo la Teoría de la Ruptura del

Gas, el Efecto Penning y los Gases Presurizantes), los líquidos dieléctricos

(identificando sus efectos y aplicaciones principales) y los aisladores sólidos

(analizando sus propiedades, la información para la selección del material y

el Flashover Superficial).

2.1.1 Gases de Aislamiento

Existe mucha literatura escrita sobre la teoría de la ruptura del gas,

así como información muy útil obtenida a través de ensayos y estudios

analíticos. No obstante, se procede a analizar los estudios sobre gases de

aislamiento que se consideran de mayor relevancia a la hora de realizar el

estudio, como son la Teoría de la Ruptura del Gas, el Efecto Penning y los

Gases Presurizados.


35

2.1.1.1 Teoría de la Ruptura del Gas

Cuando se aplica un potencial eléctrico a un gas se puede medir una

pequeña corriente de prerruptura. Esto se debe a los electrones libres y a los

iones generados por la radiación del entorno de materiales radiactivos o

rayos cósmicos. Con potenciales bajos los electrones e iones viajan a través

del gas y colisionan con las moléculas neutras del mismo cuando están

sometidos a un campo eléctrico. Si aumenta el potencial, aumenta la energía

que los electrones e iones ganan al colisionarse. Esta energía es compartida

por los iones con las moléculas del gas con las que colisionan, mientras que

los electrones la van acumulando, ganando energía suficiente como para

llegar a excitar a los iones e ionizar las moléculas neutras del gas,

resultando en nuevos pares de iones. Estos nuevos electrones libres son

acelerados y vuelven a colisionarse, ionizando más moléculas del gas y

generando más electrones con un ratio exponencial función de la tensión

aplicada. Este proceso se conoce con el nombre de “ruptura del gas”.

En la figura Figura 10 se muestra la típica curva tensión-corriente.


36

Figura 10. Curva Tensión-Intensidad de ionización y ruptura de un gas con campo

eléctrico uniforme. [Ref. 17]

En caso de no existir ningún electrón iniciador, el número de

electrones (N) que alcanzan el ánodo para un campo eléctrico uniforme

(placas paralelas) con una separación “d” entre electrodos es:

deNN ⋅⋅= α0

Donde α es el primer coeficiente Townsend de ionización, definido como el

número de ionizaciones por centímetro de longitud en la dirección del campo

eléctrico.

Los gases electronegativos tienen moléculas con otros niveles de energía

(rings) donde faltan uno o dos electrones para completar, siendo capaces de

capturar electrones libres y de formar iones negativos. Estos gases tienen


37

alta rigidez dieléctrica debido a su capacidad de unir electrones y de

eliminarlos del proceso de ruptura.

Gases con átomos de oxígeno y de halógeno son electronegativos y

por lo tanto buenos aisladores, todo lo contrario que los hidrocarburos y los

gases nobles. Algunos gases electronegativos son el hexafluoruro de sulfuro

(SF6), R-12 o Freon 12 (CCl2F2), el perfluoropropano (C4F10), el nitrógeno, el

Freon 14 o R-14 (CF4). [Ref. 20].

2.1.1.1.1 Ley de Paschen

La tensión de ruptura de un gas sometido a un campo eléctrico puede

ser representada para establecer la relación existente entre la tensión y el

producto de la presión y la separación entre los electrodos. Esta relación se

conoce con el nombre de Ley de Paschen (Paschen’s Law). La forma

general de expresar esta ley es:

( )dfv ⋅= ρ

Donde:

• ρ ≡ es la densidad del gas;

• d ≡ es la distancia entre los electrodos.

La Ley de Paschen establece:

“Al igual que la densidad se incrementa con respecto a una

temperatura y presión estándar, la tensión de ruptura también se


38

incrementará porque a altas densidades las moléculas están más próximas

entre sí, necesitándose un campo eléctrico mayor para poder acelerar los

electrones hasta alcanzar la energía de ionización dentro del espacio libre

que queda.

A medida que la presión va disminuyendo hasta valores por debajo

del mínimo de la Ley de Paschen, la tensión de ruptura se incrementa

bruscamente, ya que el espacio entre moléculas es tan grande que, aunque

cada colisión de un electrón produce una ionización, resulta difícil encadenar

las necesarias como para mantener la reacción. Finalmente, la presión es

tan baja que la probabilidad de que un electrón colisione en su trayecto entre

electrodos es casi nula. Esta es la razón por la que la tensión mínima de

ruptura depende tanto de la densidad como del espacio entre electrodos. En

la Figura 11 se recogen una serie de curvas de diferentes gases.


39

Figura 11. Tensión de ruptura de gases puros en función de la presión y el espacio.

[Ref. 17]

Cuando la presión se incrementa hasta alcanzar valores superiores a

dos atmósferas, o cuando el campo eléctrico supera los valores de 100 a

200kV/cm, se deja de satisfacerse la Ley de Paschen. En estos casos la

tensión de ruptura es inferior a la que predice la ley. Aunque también hay

que decir que a medida que va aumentando la presión, la tensión de ruptura

tiende a alcanzar un máximo de saturación debido a la rugosidad de la

superficie del electrodo. En esta zona existe otro efecto denominado “efecto

área” donde la tensión de ruptura decrece con el aumento del área.

2.1.1.2 Efecto Penning

Nombre adquirido por el físico alemán Frans Michel Penning, quien

descubrió que si una traza (más pequeña que un 1%) de un gas como el

argón se mezcla con un gas como el neón, se produce una fuerte reducción


40

en su rigidez dieléctrica. Esto es debido a que los átomos metaestables del

neón ionizan los átomos del argón. [Ref. 20] [Ref. 40]

metaCu Ar Cu Ar e+ −+ → + +

Algunas mezclas gaseosas que tiene esta característica son helio-

argón, neón-argón, helio-mercurio y argón-yodo. Por eso la necesidad de

mantener totalmente aislado el gas aislante como el helio utilizado en las

naves aeroespaciales.

2.1.1.3 Gases Presurizados

El gas hexafluoruro de azufre (SF6) es el más valorado, ya que es

muy estable, es un gas electronegativo y resulta muy fácil de encerrar.

Debería ser la primera de las opciones tanto a la hora de seleccionar un gas

aislante para equipos de vuelo con alta densidad de componentes como

cuando no existe otro criterio de alta tensión mejor que el de utilizar gas

presurizado.

SF6 es un gas que presenta una excelente transferencia de calor y

propiedades dieléctricas. La mezcla con otros gases puede mejorar algunas

de sus propiedades con poco cambio en la rigidez dieléctrica frente a

campos uniformes de DC.

Posee una alta aplicación en conmutadores de alto y medio voltaje,

interruptores, celdas de alta tensión, subestaciones eléctricas del tipo GIS,

etc.


41

2.1.2 Líquidos Dieléctricos

A menudo utilizados con aisladores sólidos, los líquidos dieléctricos

ofrecen alternativas razonables para muchas aplicaciones terrestres.

Eliminando el aire u otros gases, mejoran el aislamiento de los sistemas.

Son además “autocurable”, no como los dieléctricos sólidos. El área dañada

por el efecto de un sobrevoltaje transitorio es inmediatamente renovada por

el flujo del líquido aislante.

Los líquidos utilizados como aisladores son los aceites minerales,

aceites de silicona, aceites vegetales, ésteres orgánicos, fluorocarbonos y

aceites de polihidrocarbonos.

A la hora de seleccionar el tipo de líquido dieléctrico, resulta necesario

realizar una evaluación de sus propiedades con relación a la aplicación.

Mencionar que como desventajas presentan un alto coste, añaden mucho

peso y la temperatura de funcionamiento limita bastante su aplicación.

Asimismo requieren de un contenedor perfectamente sellado para evitar

fugas del dieléctrico.

Otras desventajas que presentan algunos líquidos son la oxidación, la

contaminación y la reacción con los materiales con los que entran en

contacto. El deterioro del material puede generar humedad, desarrollar

gases, formar ácidos corrosivos, incrementar las pérdidas dieléctricas y

reducir la rigidez dieléctrica. Sin embargo, el mayor peligro en la utilización


42

de líquidos dieléctricos es el potencial de formación de burbujas que

presentan.

Por estos motivos, la utilización de este tipo de dieléctricos no debe

contemplarse para el entorno espacial.

A continuación se describen los principales efectos y aplicaciones de

los líquidos dieléctricos.

2.1.2.1 Efectos

Los efectos que este tipo de dieléctricos sufren son consecuencia,

principalmente de la temperatura, la humedad y el gas disuelto.

2.1.2.1.1 Efectos de la Temperatura

La temperatura de funcionamiento afecta a la vida del dieléctrico y a

su estabilidad. Esto se debe a que las reacciones que deterioran las

propiedades del dieléctrico se suceden de forma más rápida y en mayor

cuantía a medida que la temperatura aumenta. En la Figura 12 se puede ver

cómo afecta la temperatura a un líquido aislante.


43

Figura 12. Influencia de la Tª sobre la conductividad del dieléctrico. [Ref. 7]

Afecta también a la conductividad eléctrica del material aislante.

Cuanto mayor es la temperatura a la que se encuentra el dieléctrico menor

es la viscosidad del fluido, por lo que mayor será la movilidad de los

electrones. Esto provoca un aumento de la conductividad eléctrica.

2.1.2.1.2 Efecto de la Humedad

El agua disminuye la rigidez dieléctrica y aumenta las pérdidas

dieléctricas, además de degradar al dieléctrico. La presencia de agua

disuelta en los aceites minerales puros no afecta a la rigidez dieléctrica hasta

que se separa de la solución del aceite y se deposita en los conductores, en

las superficies de los aisladores sólidos o sobre sólidos que flotan en el

líquido dieléctrico. La presencia de dichas deposiciones provocan la

aparición de descargas parciales a tener una menor rigidez dieléctrica.


44

2.1.2.1.3 Gas Disuelto

Los efectos de la absorción de gas y de su liberación en los líquidos

dieléctricos deben tenerse en cuenta para un correcto funcionamiento

durante largos periodos de actividad.

Los cambios de presión pueden provocar la liberación del gas, así

como los aumentos de temperatura. El fenómeno corona se dará en estas

pequeñas burbujas de gas provocando rupturas del dieléctrico eventuales.

2.1.2.2 Aplicaciones

Las aplicaciones de los líquidos mencionados con anterioridad se

resumen en la Tabla 1.

Tipo Aplicación

Aceites Minerales Aislamiento de Transformadores y equipos de alta tensión

Aceites de Silicona Aplicaciones especiales: alta resistencia al fuego altas temperaturas de funcionamiento

Aceites Vegetales Ésteres Orgánicos Fluorocarbonos Aromáticos Sintéticos

Aislamiento para condensadores.

Tabla 1. Aplicaciones de los Líquidos Dieléctricos. [Ref. 20]


45

2.1.3 Aisladores Sólidos

El aislador sólido ideal es aquel que no presente burbujas, grietas,

elementos conductores y que posea unas propiedades dieléctricas

uniformes. La realidad es que los aisladores tienen variaciones con el

espesor y pueden contraerse tanto con temperaturas de curado como con el

tiempo. Además, pueden haberse depositado elementos conductores, y sus

propiedades pueden variar con la frecuencia, con la temperatura y con las

tensiones mecánicas.

En las aplicaciones espaciales, el entorno y las tensiones eléctricas

cambian en función del tiempo. Algunas lo hacen de forma independiente,

mientras que otras lo hacen sinérgicamente. Estas variaciones dificultan la

selección del material adecuado para aplicaciones específicas. Es

importante remarcar que no es posible realizar una extrapolación en el

funcionamiento de un aparato de segunda o tercera generación basándose

en el diseño de la primera, ya que existen de por medio muchos factores que

no serán idénticos, como por ejemplo la composición del material, la limpieza

en el proceso y la fabricación. Todos estos factores deben tenerse en cuenta

en el desarrollo del diseño del aislamiento para nuevos productos de alta

tensión.


46

2.1.3.1 Propiedades de los materiales

En la Tabla 2 se muestra un resumen de las propiedades eléctricas,

mecánicas, térmicas y químicas que se deben de tener en cuenta. El

parámetro más importante es el de la vida del aislamiento que depende del

entorno y de la tensión eléctrica a la que esté sometido.

Tabla 2. Propiedades de interés para materiales aislantes. [Ref. 17]

De entre todas las propiedades expuestas, destaca la resistencia, que

se analiza a continuación.


47

2.1.3.1.1 Resistencia

Un alto volumen de resistencia reduce el calentamiento del dieléctrico.

Para la gran mayoría de los equipos de potencia resultan adecuados valores

superiores a 1012Ω·cm. Para aisladores de alta tensión se requieren valores

superiores a 1014Ω·cm.

La resistencia superficial debe ser mayor que 109Ω·cm para prevenir

las descargas disruptivas y eventuales “contorneos” (flashovers1). Los

nuevos aislantes tienen una resistencia superficial superior a 1012 Ω·cm a 23º

C y 50% de HR (Humedad Relativa). Estos valores se reducen

significativamente con el aumento de la temperatura y de la humedad. Si la

reducción alcanzase valores entorno a 108 o 109Ω·cm por la contaminación,

se produciría una significativa corriente de fuga por la superficie. Esto

provocaría un desecamiento de la superficie del dieléctrico formando un

“banda seca”, la cual sería puenteada por una pequeña descarga eléctrica

como consecuencia del alto estrés eléctrico localizado en la zona que

1 Flashover: cuando la descarga disruptiva se produce en la superficie del dieléctrico en un

medio gaseoso o líquido.


48

sobrepasaría la tensión de ruptura del aire en la interfaz aire-sólido. El

calentamiento provocado por la descarga descompone el dieléctrico

formándose un camino conductivo en la superficie. Con el tiempo, este

camino terminaría formando “árbol” y con la ruptura del dieléctrico.

2.1.3.2 Información para la Selección del Material

A la hora de seleccionar el material aislante adecuado para una

aplicación de alta tensión, resulta difícil encontrar la información correcta.

Los datos mecánicos y químicos son abundantes, pero a menudo los datos

eléctricos son escasos y aparecen simplemente tabulados sin presentar el

cómo podrían variar. La mayoría de la información debe ser adaptada o

traducida para la aplicación que se va a realizar.

En este apartado, se habla tanto de la rigidez dieléctrica, identificando

los principales parámetros que influyen en la misma, como del valor del

aislamiento.

2.1.3.2.1 Rigidez Dieléctrica

La rigidez dieléctrica se puede definir como la intensidad del campo

eléctrico para el cual el material deja de ser un aislador para convertirse en

un material conductor.

El valor de la rigidez dieléctrica está sometido a variaciones en

función de una serie de parámetros como son la temperatura, la frecuencia,

la humedad relativa, el espesor utilizado y el área activa. Este último factor


49

suele ser de cierta relevancia y tenerse en cuenta para la valoración de la

rigidez.

• En las aplicaciones aeroespaciales, si bien la temperatura máxima

total de funcionamiento de los equipos suele estar definida y ser

normalmente de 75 ÷ 85º C., este valor no es el que se tiene que

tener en cuenta en el diseño del aislamiento. La temperatura de

diseño debe ser la del punto más caliente dentro el equipo. El

diseño debe ser tal que el calor generado por este punto caliente

tiene que permitir su difusión a través del material aislante. Por

ejemplo, el punto caliente puede estar entorno a 20º C por encima

de la temperatura nominal de funcionamiento. Este punto caliente

está generado por la disipación de energía, por efecto Joule, en los

elementos resistivos de los circuitos electrónicos. Resulta evidente,

como se puede ver en la gráfica de la Figura 133 sobre el Kapton

H, que un incremento en la temperatura de funcionamiento en 20º

C va a suponer una reducción considerable en la rigidez dieléctrica.


50

Figura 13. Influencia de la temperatura sobre la rigidez dieléctrica.

• La humedad relativa, tal y como se ha comentado en párrafos

anteriores, también afecta a la rigidez dieléctrica. Por esta razón,

equipos de muy alta tensión se suelen sellar en contenedores

presurizados con un ambiente seco como puede ser el SF6.

Generalmente, los ensayos de rigidez dieléctrica se suelen realizar

con una humedad relativa del 50%. En la Figura 144 se muestra

una gráfica donde se aprecia la influencia de la humedad sobre la

rigidez dieléctrica del Kapton H.


51

Figura 14. Influencia de la HR sobre la rigidez dieléctrica.

• En aplicaciones de alta tensión, aislamientos con un espesor

pequeño no presentan una rigidez dieléctrica suficiente, por lo que

se suelen intercalar finas capas de aislamiento. La rigidez

dieléctrica disminuye con el espesor tal y como se puede ver en la

Figura 155 del Kapton H.

Figura 15. Influencia del espesor sobre la rigidez dieléctrica.

• La influencia del área activa del dieléctrico suele pasarse por alto

tanto en los libros como en las hojas de especificaciones de los


52

materiales. Si el área es pequeña, el efecto es mínimo

generalmente necesitando un 5% de “derating”. Para grandes

áreas, el valor de “derating” es considerable. Estas pérdidas del

dieléctrico se deben principalmente a la rugosidad del acabado del

electrodo y a la no uniformidad del espesor del dieléctrico

fabricado. El la Figura 166 se muestra la influencia del área frente a

la rigidez dieléctrica.

Figura 16. Influencia del área activa del dieléctrico

2.1.3.2.2 Vida del Aislamiento

Es quizás la propiedad más importante en el diseño del aislamiento. La

característica del la vida del material aislante puede ser evaluado como

función de la temperatura cuando la información necesaria está

representada como una gráfica Arrhenius (Figura 17).


53

Figura 17. Influencia de la temperatura en la vida del aislamiento

Como regla, los tres tipos genéricos de materiales para el

encapsulado tienen un valor máximo de solicitación eléctrica después de una

hora de funcionamiento, tal y como se muestra en la Tabla 3. Los valores

más bajos se corresponden con los valores más altos del espesor del

dieléctrico. Los valores más altos son para espesores inferiores a 0,25mm.

Tabla 3. Valores máximos de tres materiales de encapsulado

La tabla recoge valores para un ensayo de una hora de duración, no

para 10.000 horas. El estrés eléctrico debe ser reducido en torno al 8÷10%

por cada incremento en el orden de magnitud de la vida del dieléctrico. Para


54

el caso de 10.000 horas de funcionamiento, los valores de a tabla deberían

de reducirse en un 65%.

Factores que influyen significativamente en la reducción de la vida del

material aislante son la mala preparación de los materiales, del encapsulado,

pegado y las burbujas o espacios vacíos (los poros que pueda presentar el

material). El término de “libre de porosidades” no significa que sea sin

defectos, sino que no existen burbujas o huecos en el dieléctrico

significativamente grandes. Aun así, hay que decir que con el tiempo el

aislamiento se degrada y que las micro-porosidades aumentan su tamaño

incrementando con ello la posibilidad de descargas parciales y de ruptura del

dieléctrico, es decir, disminución de la vida del material.

Otro importante factor a tener en cuenta a la hora de valorar la vida

del aislamiento es la frecuencia (si bien ha sido mencionada como

parámetros que influye igualmente en la rigidez dieléctrica). Numerosos tests

realizados han demostrado que la vida de un dieléctrico disminuye de forma

inversamente proporcional a la frecuencia sinusoidal, o lo que es lo mismo:

fL 1=

Donde:

• L ≡ vida del material en horas;

• f ≡ frecuencia en Hz.


55

Cuando se combinan los factores de frecuencia, temperatura y

solicitación eléctrica, se puede llegar a entender cómo es posible extrapolar

los resultados de un test a 10.000V durante un minuto a pocos voltios de

funcionamiento para una aplicación.

2.1.3.3 Flashover Superficial

Las corrientes circulantes por la superficie del aislador, que se dan

especialmente cuando sobre la superficie está algo húmeda o se han

depositado partículas contaminantes que actúan como elementos

conductores, pueden provocar un aumento de temperatura considerable

favoreciendo así la creación de un trazado de carbón. Este trazado mucho

más conductor disminuye la capacidad del material para mantener la

tensión. En algunos materiales no se forman estas trazas, pero sí van

erosionando la superficie. Existen elementos de relleno que ayudan a

disminuir estos fenómenos, aunque también es posible reducirlos

disminuyendo la solicitación eléctrica en la superficie mediante la utilización

de combinaciones de configuraciones de aislamiento para alargar la

superficie de recorrido de la disrupción.


56

Figura 18. Definición de creepage. [Ref. 17]

Entre otros, son la temperatura y la frecuencia los factores de

influencia de mayor relevancia.

2.1.3.3.1 Influencia de la temperatura

A medida que aumenta la temperatura disminuye la resistencia del

dieléctrico frente a estos fenómenos


57

2.1.3.3.2 Influencia de la frecuencia

Todos los materiales poseen una baja rigidez disruptiva a altas

frecuencias, tal y como se puede observar en la Figura 19.

Los materiales con una constante dieléctrica elevada poseen una

menor resistencia a este fenómeno que los que poseen la constante

dieléctrica más baja.

Figura 19. Efecto de la frecuencia sobre la resistencia a “flashovers”


58

En la tabla que se presenta a continuación, se establecen las ventajas

y desventajas entre aislamiento con medio gaseoso, líquido o sólido.

Medio del Dieléctrico Ventajas Desventajas

Gas - Ligereza - Buena rigidez dieléctrica - Ensamblaje reparable

-Requiere mantenimiento continuo y purgado - Debe ser presurizado -Necesidad de un calentador para evitar condensaciones

Líquido - Buena rigidez dieléctrica -Muy buen conductor térmico - Ensamblaje reparable

- Necesidad de una cámara de expansión - Debe ser filtrado - Requiere mantenimiento - Aumenta el peso

Sólido - Buena rigidez dieléctrica - Libre de mantenimiento - Buen conductor térmico

- Algunos no son reparables - Aumenta el peso

Tabla 4. Ventajas y desventajas del estado del dieléctrico.


59

2.2 Criterios de Diseño en Alta Tensión

2.2.1 Defectos comunes

En el diseño de alta tensión para espacio es necesario ser muy

rigurosos en todas las etapas de desarrollo del producto. Desde la etapa de

diseño hasta la etapa de fabricación, sin permitirse ningún tipo de relajación

en ninguna de las fases de trabajo.

Los defectos más comunes que se han encontrado en la práctica

debido a estas relajaciones son:

• Fabricación:

- Fallos:

+ cortos y roturas debido a grietas o micro grietas

formadas en el curado de las resinas;

+ corona;

+ arcos eléctricos;

+ porosidades o gases atrapados en el curado de resinas;

+ sobrecalentamiento de componentes en el proceso de

curado de la resina;

+ separación o aparición de espacios con gas debido a

una mala adhesión en el curado de la resina de los

componentes;

- Factores de materiales y procesos:


60

+ control inadecuado o inexistente en la mezcla de

materiales;

+ corto periodo de vida de la resina catalizada y problemas

de fugas relacionadas con la resina.

• Materiales y Procesos:

- inadecuada o ausencia de control en la aplicación del

pretratamiento;

- mala adhesión del curado de la resina a los materiales del

substrato;

- problemas de compatibilidad entre la resina, el esmalte de los

cables, y los materiales en el ensamblaje encapsulado;

- diferentes coeficientes de expansión térmica entre la resina y

los materiales del encapsulado;

- mala conductividad térmica;

- ciclos complejos de presión de vacío;

- contracción de la resina en el proceso de curado;

- aparición de tensiones internas en la resina en el proceso de

curado;

- mala eliminación del aire contenido en la resina en estado

líquido;

- complejidad de los procesos y de los equipos.

• Problemas de fiabilidad:

- efectos de corona;


61

- sobrecalentamiento de los componentes o inadecuada

evacuación del calor;

- arcos superficiales internos;

- fallos de los transformadores;

- rotura de la resina;

- fallos de los hilos, cables y conectores.

2.2.2 Recomendaciones

Las recomendaciones generales para evitar estos defectos comunes

son:

- Diseño y dimensionado adecuado de la fuente de

alimentación para reducir la tensión de ruptura.

- Separar los circuitos que trabaja en alta tensión de los que

trabajan en baja tensión.

- Asegurar que los PCBs cumplen todos los requisitos de alta

tensión requeridos.

- Realizar un diseño que maximice el flujo de transferencia de

calor.

- Realizar un cursillo para el personal en la fabricación en alta

tensión.

- Seleccionar y trabajar con los mejores materiales existentes.

- Facilitar las reparaciones.

- Asegurar un buen control de calidad de los materiales.


62

- Utilizar resinas con bajos coeficientes de expansión térmica.

- Utilizar siempre que sea posible resina con alto poder de

adhesión.

- Realizar un control de adhesión.

- Utilizar adecuados procesos de limpieza y mantenerlos

controlados.

- Precalentar los componentes que van a ser encapsulados.

- Controlar los componentes más críticos y realizar una

calificación del diseño.

2.2.3 Criterios de Diseño

Un buen diseño debe garantizar la existencia de un margen de

seguridad frente a la solicitación eléctrica a la que se le va a someter al

material de aislamiento.

En esta sección se recogen ciertos márgenes y recomendaciones

obtenidas de diferentes biografías y normativas relacionadas que hablan del

tema en cuestión.

Los límites que se deben emplear para el diseño del dieléctrico son

los que se indican en la tabla sigueinte[Ref. 22]:


63

Límites de diseño AC 2 kV / mm Campo eléctrico en

dieléctrico DC 6 kV / mm Fugas Superficiales 400 V / mm

Tensión de campo en vacío 800 V / mm

Tabla 5. Límites de diseño.

2.2.4 Comentarios

Se pasan a listar una serie de comentarios a tener en cuenta para el

diseño:

• Generalmente se producen presiones críticas en los equipos a

altas altitudes de espacio por el retardo en la estabilización bárica

provocado por la desgasificación o por otros factores.

• Los defectos más frecuentes en los componentes de alta tensión

encapsulados son la presencia de porosidades, grietas o una mala

adhesión de la resina a los componentes o piezas.

• La limpieza y eliminación de partículas contaminantes así como de

presencia de humedad resulta crítico.

• Los transformadores deben tratarse como componentes

especialmente críticos.

• Minimizar el diseño de alta tensión requerido para evitar sobre

estresar eléctricamente los componentes.

• Para una alta fiabilidad y rendimiento se debe tratar de trabajar con

valores de coeficientes de expansión térmica bajos y y materiales

térmicamente estables.


64

2.3 Tests

Los diseñadores de los modernos sistemas de alimentación han

conseguido importantes reducciones de peso y volumen para su aplicación

aeroespacial. Estos avances se han obtenido convirtiendo la potencia de

entrada de baja frecuencia (60Hz – 400Hz) AC o de DC a potencia por

radiofrecuencia, generalmente con frecuencias entre 100kHz – 1.0MHz, o

incluso superiores. Para ello, resulta necesario minimizar las uniones entre

circuitos, dimensionar correctamente los componentes y evaluar los factores

de vida del aislamiento en alta frecuencia.

Los ensayos de descargas parciales (Partial Discharge Tests – PD

tests) constituyen un gran método directo empleado para evaluar la

integridad del aislamiento de dichos componentes, interfaces y módulos de

alta tensión, así como una técnica para detectar las grietas y burbujas

existentes en el aislamiento.

La disponibilidad de amplificadores analógicos lineales con un gran

ancho de banda y de osciloscopios de tiempo real, permiten la observación

directa de señales de varios megahertzs (MHz) de alta frecuencia con

niveles de milivoltios (mV). En la práctica, estos niveles son los necesarios

para la detección de descargas parciales. Por ello, hoy en día se dispone de

los medios los medios adecuados para la medición de las señales

generadas por las descargas parciales.


65

El objetivo pues de los ensayos de alta tensión es el de evaluar y

garantizar el diseño de aislamiento a lo largo de la vida del equipo

desarrollado en el que va a ser utilizado.

2.3.1 Tests de Alta Tensión

2.3.1.1 PD Testing

Las principales causas de fallo son el incorrecto dimensionamiento de

los componentes, un pobre trabajo de fabricación y montaje, y un mal

aislamiento eléctrico y tratamiento. Las típicas causas de fallos son:

- Burbujas de aire no detectadas: 42%

+ Corona

+ Descargas Parciales (PD)

+ Arcos eléctricos

+ Elevado estrés eléctrico

- Fallo del componente eléctrico 38%

- Trabajo

- Workmanship 20%

El objetivo de los tests de descargas parciales (PD en adelante) es el

de detectar la presencia de porosidades, fracturas y microburbujas en el

interior del material aislante. Los gases atrapados en las pequeñas

cavidades del material poseen una tensión de ruptura más baja (300 – 400 V

pico DC 1,0kHz), debido a las diferentes propiedades dieléctricas del gas, a

la tensión del campo eléctrico y a la distancia entre paredes, que puede ser


66

inferior a los 0,1mm. Estas condiciones se localizan cerca del mínimo de la

tensión de ruptura, establecida por la ley de Paschen, que a su vez

disminuirá con el incremento de la frecuencia.

En materiales reales, los resultados obtenidos de varios test

realizados sobre materiales aislantes epoxy muestran que el tiempo de fallo

disminuye con el aumento de la tensión aplicada; y, a altas frecuencias de

AC, los valores de tiempo de vida observados son bastante menores.

2.3.1.1.1 Equipo

Hoy en día, existen en el mercado equipos muy avanzados capaces

de expresar las señales de PD en valores de pico-coulombs (pC). Ha habido

también grandes avances tecnológicos que permiten la utilización de dichos

equipos en entornos eléctricamente ruidosos.

En la taba que se presenta a continuación, Tabla 6, se realiza una

breve comparación entre equipos de detección de PD.


67

Nº Ancho de Banda Características

1 150kHz – 30MHz · Generalmente con medidor analógico · Ajuste manual en frecuencia

2 40 – 200kHz

· Señal mostrada en forma de elipse · Salida en x-y a un autoplotter · Circuito puente opcional para la eliminación de interferencias

3 50-500kHz

· Selector de ancho de banda: - Band 1: 50-80kHz - Band 2: 135-165kHz - Band 3: 40-400kHz · CRO visualizado en forma de elipse · Salida en x-y a un autoplotter · Circuito puente opcional para la eliminación de interferencias

4 50-500kHz

· Selector de ancho de banda: - Band 1: 50-80kHz - Band 2: 50-80kHz with location feature - Band 3: 135-165kHz - Band 4: 135-165kHz with location feature - Band 5: 40-400kHz · CRO visualizado en forma de elipse · Salida en x-y a un autoplotter · Circuito puente opcional para la eliminación de interferencias

5 50-250kHz

· Selección de 12 conexiones que abarcan un rango total de muestreo de 6-250μF · CRO · Visualización en forma de elipse

6 - · Equipo de banda ancha capaz de medir en PD en pC y el CIV en μV

Tabla 6. Tabla de características de algunos equipos de detección de PD


68

En la selección del equipo hay que tener en cuenta:

• La aplicación

• La sensibilidad requerida

• Las opciones disponibles

• La calibración asociada requerida para una corrección de las

medidas.

2.3.1.1.2 Esquema Setup

Figura 20. Setup genérico del ensayo de PD.


69

2.3.1.1.3 Interpretación de las PD

Resulta muy importante en las mediciones de descargas parciales el

mantener un background lo más bajo de interferencias posible.

Resulta muy conveniente la utilización de una elipse para la

visualización de la señal y localizar la posición de los ceros. En la Figura 21

se muestra un ejemplo de la conversión de la onda sinusoidal en elíptica.

Figura 21. Ejemplo de la señal en forma de elipse. [Ref. 4]

2.3.1.1.4 Algunos diagnósticos de PD

La evaluación del origen de las descargas parciales no suele ser

posible a través únicamente de la observación de la pantalla de salida de la

señal. Resulta necesario realizar el diagnóstico durante el desarrollo de la

prueba, y para ello se recomienda:

a. Grabar el patrón de descargas.

b. Estudiar los efectos de las variables de aplicación tiempo y

tensión.


70

c. Considerar otras opciones como el recambio de la muestra para

realizar comparaciones.

En la siguiente tabla se muestran una serie de ejemplos de ensayos

realizados, junto con un diagnóstico de la señal de salida recogida.


71

CASO DECRIPCIÓN FIGURA PANTALLA INTERPRETACIÓN

A Descargas internas en el interior de una cavidad de un dieléctrico sólido.

· Las descargas aparecen a medida que nos acercamos a los picos de tensión. · De igual amplitud y número en ambos lados de la onda. · DIV bien definido por encima del MDD · Mínima variación en magnitud con el aumento de tensión. · DEV ≈ o < DIV · El tiempo ejerce una mínima influencia en el patrón de las descargas.

B

Descargas internas en fisuras en la dirección del campo eléctrico de un aislante elastómero. Ej. Aislamientos de cables

· Las descargas aparecen a medida que nos acercamos a los picos de tensión. · En general de igual amplitud y número en ambos lados de la onda. · Mínima variación en magnitud con el aumento de tensión. · Con ↑ t de aplicación de tensión: - ↓ magnitud de la descarga - ↑ DEV (mayor que el inicial DIV)


72


1 Descargas internas en cavidades con diferente tamaño y forma en el interior de un dieléctrico.

2 Descargas en la superficie externa de un dieléctrico entre dos conductores en contacto.

C

3

Descargas en la superficie externa en zonas con alto estrés tangencial. Ej. Mal diseño de los bushings

· Las descargas aparecen a medida que nos acercamos a los picos de tensión. · De igual amplitud y número en ambos lados de la onda. · ↑ Nº de descargas con ↑ de la tensión. · DEV ≈ o < DIV · El tiempo ejerce una mínima influencia en el patrón de las descargas (como mínimo hasta 10min.).


73


D Descargas en cavidades laminares. Típico en el aislamiento de máquinas eléctricas.

· Las descargas aparecen a medida que nos acercamos a los picos de tensión. · De igual amplitud en ambos lados de la onda. · ↑ Nº de descargas con ↑ de la tensión, llegando a no resolverse. · DIV normalmente bien definido y claro · Con ↑ t tensión de aplicación: - ↑ magnitud de la descarga, estabilizándose a los 10min. - ↓ DEV mucho menor que el DIV inicial.


74


E

Burbujas de gas en un dieléctrico líquido en contacto con celulosa húmeda. Típico en condensadores. Burbujas generadas por el estrés eléctrico en la celulosa húmeda. Desaparecen con la desaparición del estrés.

· Las descargas aparecen a medida que nos acercamos a los picos de tensión. · De igual amplitud en ambos lados de la onda. · Variación random en amplitud o localización con el tiempo de aplicación. · DEV un poco menor que el DIV · Si la tensión se mantiene ≥ DIV por algunos minutos, las magnitudes crecerán x100 o más, con DEV cerca de 3 veces el valor original.. · Con tiempo de reposo, se vuelven a los valores originales.


75


F

Descargas en cavidades de diferente tamaño pegados a uno de los metales por un lado y por el otro al dieléctrico.

· Con ↑ tensión se vuelve irresoluble. · DIV está bien definido e inalterable con el aumento de la tensión. · El tiempo (aplicación de 10min) tiene muy poco efecto.

G

Tracking de un aislamiento orgánico resultado de descargas originadas por una cavidad que ha degenerado en un sedero en no crecimiento.

· Generalmente de igual magnitud a ambos lados de la onda. · Con ↑ tensión, la respuesta se extiende pero no existe aumento en magnitud. · No existe variación con el tiempo

Tabla 7. Diagnósticos de PD tests. [Ref. 9]


76

2.3.1.2 Dielectric Withstand Voltage Test (DWV)

Todos los componentes electrónicos están sujetos a uno o más

ensayos de ruptura del dieléctrico antes de la integración final en el sistema.

Estos tests son ampliamente utilizados por su simplicidad y su fácil

interpretación de los resultados. El componente pasa, o no pasa porque se

rompe eléctricamente durante la prueba.

Este tipo de pruebas puede ser perfectamente integrado junto con las

pruebas de descargas parciales para evitar potenciales riesgos de fallos de

componente/módulo antes de la destrucción total.

En la industrial espacial, es muy común la práctica de diseñar equipos

para operar a tensiones de 2 V/mm, con un nivel máximo de estrés de 8-12

V/μm. Si estos equipos son sometidos a los valores típicos de ensayo de

ruptura de dieléctrico:

10002 +⋅= nomtest UU

se obtendrían zonas con un estrés excesivamente elevado, en torno a

25-30 V / μm. Este exceso de estrés degradará los componentes,

reduciendo la vida y la fiabilidad del equipo. En base a esto, las pruebas de

ruptura del dieléctrico deben realizarse en función de la tensión máxima del

campo eléctrico en altas densidades de equipos eléctricos, tanto comerciales

como de espacio, con una tensión de ensayo, determinada por las tasas de

envejecimiento por estrés eléctrico y para un nivel de fiabilidad determinado.

Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado

77

3. Requerimientos


78

En este capítulo se realizará un análisis de los requisitos del aislador

de alta tensión, desde los establecidos por el cliente hasta los impuestos por

el entorno.


79

3.1 Condiciones del Espacio

Cuando un sistema eléctrico es planeado para un nuevo o un futuro

viaje espacial, las condiciones del espacio deben tenerse en cuenta como un

requisito importante en el diseño.

En el entorno espacial, el equipo va a estar sometido a diferentes

fenómenos que son únicos o más severos que los fenómenos localizados en

tierra, provocados todos ellos por una serie de factores de los que cabe

destacar la presión, radiación electromagnética, radiación cósmica, protones,

electrones, iones, meteoritos, partículas y desechos.

Estos fenómenos son el efecto corona, los rayos cósmicos y los

efectos de la radiación y el plasma espacial. Los efectos magneto

hidrodinámicos comienzan en el entorno espacial y se suelen pasar por alto

en el entorno terrestre.

3.1.1 Fenómenos

3.1.1.1 Corona

El efecto corona es un efecto cascada que se produce como

consecuencia de la ionización de un gas por la acción de fotoelectrones y

rayos cósmicos en presencia de un campo eléctrico lo suficientemente

elevado como para acelerar los electrones libres hasta las velocidades de

ionización. Estos electrones, en el medio ionizado, son acelerados y como


80

resultado de las colisiones producidas se crean nuevas áreas adicionales

ionizadas junto con más fotones.

Si el campo eléctrico es bajo, no se dará la ionización en el espacio

ánodo-cátodo y se producirá la recombinación de los iones positivos y los

electrones libres, localizándose los arcos en el ánodo.

Figura 22. Descarga básica de corona. [Ref. 5]

Si de lo contrario el campo eléctrico es elevado, la formación de iones

es más rápida que la recombinación. El elevado campo eléctrico

concentrado en el cátodo evita que los electrones alcancen el ánodo,

causando el característico arco eléctrico entre ánodo y cátodo.

El efecto corona depende del gas, de la presión, de la temperatura,

del espacio entre electrodos, del tipos de electrodos y de la frecuencia de

alimentación. La tensión de corona, o tensión de ruptura, suele estar definida

por la ley de Paschen, representada como tensión de ruptura frente a la

presión, variando dicha ley en función de la frecuencia, del espaciado entre


81

electrodos y de la temperatura. Por ello, se especifican los valores de estos

parámetros junto con la curva. Asimismo, la tensión de corona se puede

representar como la tensión de ruptura frente a la presión por el espacio.

3.1.1.2 Rayos Cósmicos y Efectos de la Radiación

Exceptuando las centrales nucleares e instalaciones similares, el

entorno espacial resulta ser el ambiente más severo en cuanto a este tipo de

influencias. Cerca del 80% de los rayos cósmicos procedentes del sol son

protones. Cuando los protones colisionan con una molécula de O2 o de N2,

se originan un neutrón y rayos cósmicos de segundo orden (muones y

piones). El pico en el flujo de neutrones se da a una altitud en torno a los

60.000 pies (18288 m), donde es 500 veces el que hay al nivel del mar.

Uno de los efectos de la radiación es el fenómeno bipolar. Cualquier

corriente de base ya sean corrientes de fotones que procedan de la luz,

rayos gamma o corrientes conducidas, pueden poner el dispositivo en

marcha.

Figura 23. Efecto bipolar provocado por la radiación. [Ref. 5]


82

Existen otros fenómenos que se listan a continuación:

• Efectos cumulativos (Total Ionizing Dose - TIP)

• Daño por desplazamiento (Displacement Damage - DD)

• Fenómenos eventuales (Single Event Phenomena - SEP)

- Destructivos

+ Single Event Latch-up – SEL

+ Single Event Burn-out – SEB

+ Single Event Gate Rupture – SEGR

+ Single Hard Error – SHE

- No Destructivos

+ Single Event Upsets – SEU

+ Single Event Transients – SET

+ Single Event Functional Interrupt – SEFI

De los fenómenos listados, quizás los que más se deben tener en

cuenta en el desarrollo del proyecto son los dos primeros, ya que provocan

variaciones en las propiedades del dieléctrico.

3.1.1.3 Plasma del Espacio

Resulta un fenómeno de interés con una base física similar a la del

fenómeno corona. Muchas técnicas de diseño para corona pueden ser

utilizadas para el plasma del espacio. En el espacio, el flujo de corriente se

da donde existen electrones o plasma ionizado. Este plasma tiene su origen

en los vientos solares, en la interactuación de la magnetosfera de la tierra


83

con la atmósfera y en la gasificación de los materiales de la nave espacial.

La tensión de ruptura varía con respecto a la densidad del plasma, tal y

como se puede apreciar en la Figura 24. Como la densidad varía con la

altitud, también lo hace la tensión de ruptura.

Figura 24. Variación de la tensión de ruptura del plasma con la densidad. [Ref. 5]


84

3.2 Normativa

En este capítulo se describen los métodos de tests que se han

aplicado en la realización del proyecto objeto de estudio.

A continuación se procede a introducir alguna terminología que será

empleada en el desarrollo de este apartado, de forma que se facilite la

comprensión del mismo.

• Alto Voltaje: Hace referencia a la aplicación de voltajes superiores

a 250V (aplicaciones DC) o 175V (AC). Con el objeto de determinar

si un electrodo es considerado de “alto voltaje” o no, se tendrá en

cuenta, cuando sea relevante, la mejora del campo debida a las

formas no ideales de los electrodos. El campo mejorado se

determinará cuando sea necesario por Elementos Finitos u otro

método de análisis apropiado y validado por la Agencia.

• Normas de Diseño: EL RD1 requiere que un específico voltio por

mm sea respetado en los diseños de alto voltaje a través de un

dieléctrico: a saber 6kV/mm en un campo DC y 2kV/mm en un

campo AC. Asimismo, se debe evitar el creepage a través de una

superficie, respetando los requerimientos de 400V/mm sobre

cualquier superficie entre electrodos de alto voltaje. Estas normas

de diseño se deben cumplir en el desarrollo de esta actividad, salvo

que cualquier variación en las mismas sea aprobada por la

Agencia. Una renuncia a estos requisitos es posible en los casos


85

en los que una sólida base de datos técnica en tests de vida

acelerados indique que el diseño es satisfactorio para los 15 años

de vida requeridos.

En los siguientes apartados se procede a realizar una descripción de

los principales test de inspección, pruebas de descarga y la prueba de

Evaluación a Nivel de Componente o Módulo a aplicar.

3.2.1 Tests de Inspección

Cuando sea relevante, se aplicará la nueva inspección en los

componentes que vayan a ser empleados en las aplicaciones de alto voltaje,

donde dichos tests no hayan sido ejecutados por el proveedor.

Se debe recalcar que en el caso de una gran mayoría de

componentes de alto voltaje como pcbs, conectores, harness y relés, es más

que probable que las especificaciones existentes no cubran la actual

aplicación de estos componentes de alto voltaje, a pesar de que están

catalogados dentro de estos para el uso a presiones ambientales. En este

caso, tanto una cualificación genérica como un nuevo test de inspección en

un lote base se ejecutará con el fin de asegurar la integridad del elemento.

En este caso, el objetivo de las nuevas pruebas también debe cubrir

estos componentes para el uso espacial mediante la confirmación de la

idoneidad del lote para aplicaciones espaciales de alto voltaje. Para el

upscreening se debe formar en un lote o en una base individual según sea


86

propuesto por el contratista y aprobado por la Agencia. Las nuevas pruebas

no se pueden reemplazar por una calificación ya que los objetivos no son los

mismos. Además, las nuevas inspecciones se deben desarrollar

independientemente de la aceptación de las pruebas en el nivel de equipo,

salvo que sea aprobado por la Agencia. No obstante, en caso de que se

prescinda de las nuevas pruebas de inspección, se podría ejecutar un test

equivalente en el proveedor siempre que la Agencia lo apruebe y autorice.

Las pruebas se realizarán pues a presión ambiente, con la aplicación

de tensión AC (aceptándose otros métodos equivalentes). La tensión a

aplicar es la que se presenta a continuación con la fórmula:

VoltmmVolt

mmVolt

Volt

VVDVW

VWV

pressurepartial

airapplied

⋅⋅=

⋅⋅⋅= 3.1_

Donde:

- V aplicado ≡ es el voltaje al que el artículo debe ser testado.

- VW ≡ es el voltaje de ruptura del aire a presión ambiente

(~3kV/mm).

- VW presión parcial ≡ es la tensión de ruptura de la curva de

Paschen (170 – 250V).

- VD ≡ es el diámetro de la burbuja en el peor de los casos.


87

- V ≡ es el voltaje máximo al que se ve el artículo en vuelo,

incluyendo ondas (teniendo en cuenta los efectos del campo

incrementado).

Esta fórmula garantiza que la aplicación de la prueba de voltaje

detectará las descargas parciales, teniendo en cuenta que dichas descargas

tendrán lugar con mayor facilidad en una presión parcial que en una presión

ambiental.

El voltaje aplicado no deberá superar el ratio del componente a ser

testado; en caso contrario, se deberá aplicar una prueba 1,5 veces la tensión

en una cámara de vacío en la que el aire ha sido evacuado y luego poco a

poco se ha dejado entrar en la cámara, de forma que cualquier invalidez sea

demostrable a través de una presión parcial durante la prueba para un

espacio de tiempo satisfactorio.

Para su criterio de aceptación no se aceptará ninguna descarga

parcial, tal y como se define la Figura 25.

3.2.2 Pruebas de Descarga Parcial (nivel de módulo o equipo)

Se realizará la descarga parcial en AC, DC o con una rampa de

voltaje, a presión ambiente o en vacío, tal y como se estipula posteriormente

en este apartado. Se podrán proponer otros métodos para ser aprobados por

la Agencia.


88

La prueba deberá desarrollarse después de las pruebas de vibración

mecánica y de temperatura cíclica. La duración de la prueba y la descarga

parcial aceptable podrán variar (ver Figura 25).

Figura 25. Tabla de requisitos del ensayo PD de la normativa [Ref. 19]

Para su aceptación no se deberá registrar ninguna descarga parcial

por encima de los niveles establecidos en la Figura 25.


89

3.2.3 Prueba de Evaluación a Nivel de Componente o Módulo

La prueba resulta ser relevante para los encapsulados de

componentes de la PSCU u otro equipo empleando sistemas electrónicos de

alto voltaje, y se desarrolla en muestras representativas que no formarán

parte del EQM, de forma que se verifique que el diseño de los componentes

es aceptable. La necesidad de realizar pruebas a nivel de componente o

módulo se plantea por una de las cuatro razones siguientes:

• Los componentes no pueden ser probados aceleradamente en un

grado suficiente al nivel de equipo.

• Se intenta minimizar el riesgo asociado al diseño de los

componentes previo a la elaboración del EQM.

• Determinadas pruebas son imposibles de desarrollar a nivel de

equipo.

• Procesos individuales no se pueden calificar por integración de los

mismos en el modelo de calificación de equipo.

Mientras que algunas evaluaciones son opcionales de cara a reducir

el riesgo, la prueba del encapsulado de componentes a nivel de componente

o módulo resulta obligatoria para permitir la fatiga y las pruebas de

envejecimiento seguidas por el DPA. Por ello, basadas en las directrices de

la [Ref. 22], las pruebas de los transformadores y los encapsulados de

componentes deben ser desarrollados para nuevos diseños.


90

El método de prueba debe ser, en general, acorde a las directrices de

la norma [Ref. 19]. Las pruebas de evaluación deberán ser desarrolladas de

forma separada para los transformadores y los módulos HV.

• Transformadores

Todas las pruebas de transformador HV deberán ser desarrolladas en

la siguiente secuencia (cinco muestras de cada tipo de transformador *)

i. Prueba funcional

ii. Prueba mecánica

iii. Prueba funcional

iv. Almacenamiento frío en aire 24 horas

v. Almacenamiento caliente en aire 250 horas

vi. Prueba funcional

vii. Vacío térmico 100 ciclos, 1500horas, 1deg/min, 2 horas plateau

incluyendo 10 encendidos en frío y prueba de presión crítica en

el primer y último ciclo. Todas las temperaturas aplicadas

deberán ser mayores o iguales a la de calificación,

incrementada en 5 grados para el límite superior únicamente.

viii. Prueba funcional

ix. Entrega a la Agencia para la inspección y DPA

• Módulos HV


91

Los componentes se deben probar conjuntamente en un módulo HV

siguiendo la secuencia que se especifica a continuación (cinco muestras):

i. Prueba funcional

ii. Prueba mecánica

iii. Prueba funcional

iv. Almacenamiento frío en aire 24 horas

v. Almacenamiento caliente en aire 250 horas

vi. Prueba funcional

vii. Vacío térmico 100 ciclos, 1500horas, 1deg/min, 2 horas

incluyendo 10 encendidos en frío. Todas las temperaturas

aplicadas deberán ser mayores o iguales a la de calificación,

incrementada en 5 grados para el límite superior únicamente.

viii. Prueba funcional

ix. Entrega a la Agencia para la inspección y DPA

*El número de muestras se podrá reducir de 5 a 3 bajo acuerdo de la

Agencia.

** El número de ciclos/hora puede reducirse previo acuerdo con la

Agencia.

El criterio de aceptación es: el componente no podrá sufrir ningún tipo

de fallo.


92

3.3 Condiciones Negociadas en Oferta

En este capítulo se recogen las líneas más importantes de la oferta

técnica donde se establecen los requisitos que se van a cumplir y las

pruebas que se van a hacer.

Se comenzará identificando los elementos afectados por la alta

tensión. Se considera elemento afectado a cualquier material, parte o grupo

de partes (módulo) o ensamblajes que debe manejar alto voltaje (V > 250

Vdc o 175Vrms AC). A pesar de que la prueba a desarrollar será diferente en

función de cómo se maneje el voltaje, aquella a aplicar a un circuito que

debe trabajar a 300V (como acelerador red de suministro) debe ser diferente

a la prueba realizada a aquella parte que sólo tiene que aislar a 300V ya que

su uso está claramente diferenciado.

3.3.1 Componentes

En general, un programa de evaluación basado en la norma [Ref. 23],

puede desarrollarse en aquellos componentes que la Empresa de

Electrónica Española utiliza en una aplicación para las que no han sido

específicamente fabricadas, o cuando son fabricadas bajo el diseño de la

Empresa de Electrónica Española, como por ejemplo:

• Isolation box isolators.

• Interconnection Plates.

• Feedthroughs.


93

La evaluación se debe realizar acorde a un plan de evaluación

basado en los requerimientos de la norma [Ref. 23] en tres muestras no

montadas en el EQM.

Las piezas a ser montadas en el EQM se deben someter únicamente

a una nueva prueba de inspección.

No se realizará evaluación alguna a aquellas partes que son

fabricadas para aplicaciones de alto voltaje, bajo conocidas especificaciones

(MIL, NASA, SCC, etc.) o que ya están siendo utilizadas en aplicaciones

espaciales como:

• Retransmisión HV

• HV BJTs

• HV MOSFETs

• Resistencias HV

• HV Optocouplers

• Cables HV

Sólo una nueva inspección para chequear el aislamiento se debe

realizar a los relés de HV que vayan a ser montados en el EQM.

Todas las partes mencionadas arriba deben ser montadas en

ensamblajes que deben ser sometidos a Pruebas de Descargas Parciales y /

o Prueba de “Triple Junction” de forma que se garantice la idoneidad de la

aplicación.


94

3.3.2 Restricciones a las pruebas requeridas en el [Ref. 23] (excepto la

potted modules HV)

En esta sección se hace referencia a algunas limitaciones y

descripciones de la manera en la que diferentes pruebas definidas en la

[Ref. 24] van a ser desarrolladas.

• Inspección de Entrada

Debe consistir en el desarrollo de una prueba de descarga parcial a

presión ambiental con un voltaje AC durante 10 minutos. La prueba de

voltaje pico debe ser 1,3 veces el voltaje nominal máximo (Vnom) de la

aplicación.

Criterio de aprobación / suspenso:

• No pulsaciones durante diez minutos por encima de 5pC.

• Voltaje inicial (1.000 pulsos / 10 minutos por encima de 10pC) > 1,5

* Vnom

Se ha seleccionado el valor de 5pC, ya que para valores menores, las

facilidades requeridas para asegurar la influencia de factores externos en las

mediciones no se encuentran disponibles; además, se trata del valor

estándar utilizado en el laboratorio de referencia (LCOE) donde el calibre de

set-up se puede desarrollar.

• Descarga Parcial.


95

Esta prueba se debe desarrollar después de la prueba mecánica y el

ciclo de temperatura del ensamblaje o módulo.

Debe consistir en el desarrollo de la prueba de descarga parcial en

vacío con un voltaje AC durante diez minutos. La prueba de voltaje pico

debe ser 1,3 veces el voltaje nominal máximo (Vnom) de la aplicación.


• No pulsaciones durante diez minutos por encima de 5pC.

• Voltaje inicial (1.000 pulsos / 10 minutos por encima de 10pC) > 1,5

* Vnom

Se ha seleccionado el valor de 5pC, ya que para valores menores, las

facilidades requeridas para asegurar la influencia de factores externos en las

mediciones no se encuentran disponibles; además, se trata del valor

estándar utilizado en el laboratorio de referencia (LCOE) donde el calibre de

set-up se puede desarrollar.

• Aislamiento “Triple Junction”.

Esta prueba se debe desarrollar después del ciclo de temperatura y

en vacío.

Para el aislamiento de ensamblajes o módulos, esta prueba debe

consistir en medir la fuga / escape actual mientras se aplica 1,5 veces el

voltaje nominal máximo (V nom) de la aplicación durante 36 horas.


96

Para el equipo y el ensamblaje Accelerator Grid Assembly, debe

consistir en medir el actual escape / fuga mientras se aplica en la operación

nominal el voltaje máximo nominal durante 36 horas.

En la práctica, para el equipo significa medir el actual escape mientras

la referencia de alto voltaje proporcionada por el “Beam Supply” es sustituido

por el Suministro Externo DC y la unidad, excepto el “Beam Supply”, está

operando normalmente.

Para el Accelerator Grid Assembly, el voltaje nominal máximo se debe

colocar con un suministro externo y el escape actual haber sido medido (el

suministro no puede estar operativo durante la medición).


• El escape actual no se debe alterar por encima del error de la

medida durante la prueba.


97

4. Descripción del Aislador Estudiado


98

Esta nueva sección está dedicada única y exclusivamente al aislador

en estudio. Se tratará de justificar la utilización de este componente como

solución de diseño al problema planteado.

Asimismo, se realizará una descripción del aislador. El objetivo es el

de entender y conocer el componente que se desea validar, tanto desde el

punto de vista de los materiales que lo componen como desde el

correspondiente al tipo de unión utilizado para su fabricación y a las

características de los materiales utilizados para su diseño.


99

En el desarrollo de este proyecto objeto de análisis, se han

encontrado multitud de posibles soluciones frente al problema de diseño.

Como se comentaba en el capítulo del estado del arte, a partir de ciertas

tensiones de funcionamiento se suele dirigir el diseño a un sistema aislado y

presurizado con un dieléctrico gaseoso como el SF6.

El problema que surge con estos sistemas presurizados es que la

tecnología de control de fugas no es del todo fiable hoy en día para su

aplicación en el entorno espacial. Estas fugas son muy perjudiciales en el

espacio, reduciendo la presión del dieléctrico, y, por lo tanto, la tensión de

ruptura del dieléctrico, pudiendo llegar a niveles inferiores de los de diseño y

provocar como poco la pérdida del equipo. No obstante, la tensión de

funcionamiento requiere de dicha tecnología.

Existen además otros parámetros dentro del proyecto, como el factor

tiempo para el desarrollo del producto, que en muchas ocasiones restringen

el margen de maniobra de los diseñadores, viéndose obligados a desechar

soluciones más óptimas y trabajar con sistemas prácticamente industriales.

La solución de separación de los circuitos de alta tensión con

respecto de los de baja tensión resulta ser la más acertada. No sólo es una

recomendación encontrada en la literatura consultada, sino que es, en la

actualidad, una práctica habitual. Pero quizás lo novedoso del método es el

concepto de doble jaula y la utilización de aisladores como soportes

estructurales.


100

Los espaciadores, aisladores y pasamuros son elementos muy

importantes en el diseño de equipos de estructura abierta. La estabilidad

mecánica, las interfaces, así como el “flashover” superficial y su rigidez

dieléctrica deben ajustarse a los requisitos de funcionamiento.

Los materiales a utilizar requieren de un bajo nivel de “out-gassing”.

Los dieléctricos preferidos son: alúmina, epoxy, PMMA y PTFE, entre los

cuales, los cerámicos como la alúmina destacan por sus bajísimos niveles

de out-gassing y sus buenas propiedades tanto mecánicas como térmicas,

además de una remarcable resistencia a la radiación. El problema que

presentan, y por lo que en la gran mayoría de los casos se tiende a utilizar

materiales poliméricos, es que no son fáciles de manejar ni de mecanizar,

impidiendo diseños complejos.

En cuanto a las características de diseño existen tres reglas básicas

que hay que considerar [Ref. 18]:

a. Reducir la tensión de campo eléctrico en el cátodo de

“triple junction”.

b. Evitar trayectorias entre cátodo y electrones emitidos a

lo largo de la superficie del dieléctrico.

c. Construir barreras para impedir el desarrollo de

avalanchas de electrones a lo largo de la superficie.

Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, se barajaron dos

posibles soluciones de diseño: la utilización de aisladores comerciales


101

fabricados por Ceramic Seals; y la fabricación de los aisladores con

tecnología de soldadura y DBC (Direct Bonding Copper), utilizando la

alúmina como material dieléctrico.

Tras un estudio realizado por la Empresa de Electrónica Española, se

concluyó que la segunda de las opciones resultaba o bien excesivamente

cara si se realizaba fuera, o bien el tamaño del producto final era

relativamente grande también, o bien necesitaba más investigación si se

realizaba en España. Por ello, se desecharon dichas opciones y se optó por

trabajar con los aisladores comerciales.


102

4.1 Descripción del aislador

La empresa del Reino Unido Ceramic Seals, con amplia experiencia

en el campo de las cerámicas y altas tensiones, ofrece una amplia gama de

productos de alta tensión con la utilización de alúmina como material

aislante. Productos como pasamuros individuales, pasamuros con varios

pines, conectores, heat sink, etc.

Ceramic Seals S.L. ha demostrado tener una gran experiencia en la

fabricación de productos de alta tensión, con demostrado control de sus

procesos de fabricación y con el sello de certificación ISO 9001, que se

muestra en la Figura 26.

Figura 26. Sello de certificación. [Ref. 39]

Dichos aisladores están compuestos por un disco de alúmina de

espesor mínimo de 3mm y diámetro de 33mm. A cada lado del disco se ha

soldado un cilindro de cobre de diámetro y longitud variable en función del

modelo seleccionado.

Estos aisladores cumplen las recomendaciones que en líneas más

arriba se comentaban. En la figura que se presenta a continuación se puede

ver la barrera que evita la avalancha de electrones a lo largo de la superficie.


103

Figura 27. Recorrido de que dificulta la avalancha de e-. [Ref. 39]

El producto estándar es como el que se aprecia en la Figura 28.

Existe la posibilidad de encargar un diseño diferente en lo que al sistema de

anclaje se refiere.

Figura 28. Ilustración del aislador. [Ref. 39]

En la Figura 29 se muestra el plano del aislador estándar.


104

Figura 29. Boceto del aislador. [Ref. 39]

A continuación, se realiza un análisis detallado de los materiales y

tipos de unión correspondientes al aislador objeto de estudio.


105

4.1.1 Materiales

Dos son los principales materiales que caracterizan al aislador en

cuestión: la Alúmina 97.6%, con sus diversas variantes que se tratarán más

adelante, y el Copper Oxigen Free High Conductivity (Cu OFHC).

4.1.1.1 Alúmina 97.6%

La alúmina es un material cerámico de color blanco tiza de

consistencia similar a la arena fina. Muy versátil, sus propiedades le hacen

especialmente apta para aplicaciones donde la temperatura es un factor

crítico, además de su relativa facilidad para adaptarse a diversos trabajos y

usos.

La alúmina es uno de los materiales abrasivos más importantes y

ampliamente utilizados. Hace algunos años el procesamiento habitual en la

industria era el corindón2 artificialmente producido, o α-Alúmina, fabricado

2 Corindón: es un mineral formado por óxido de aluminio (Al2O3) que se encuentra en la

naturaleza bajo forma de cristales y forma amorfa.


106

mediante un proceso térmico en el cual la Bauxita (FeO(OH) y Al2O3.2H2O)

era convertida al óxido.

Figura 30. Muestra de corindón.

En la actualidad, la industria emplea el proceso Bayer para producir

alúmina a partir de la bauxita. Junto con la sílice, es el ingrediente más

importante en la constitución de las arcillas y los barnices, impartiéndoles

resistencia y aumentando su temperatura de maduración. La alúmina resulta

vital para la producción de aluminio – se requieren aproximadamente dos

toneladas de alúmina para producir una tonelada de aluminio –.

El óxido de aluminio existe en la naturaleza en forma de corindón2, y

de esmeril. Ciertas piedras preciosas como el rubí y el zafiro, son formas de

alúmina coloreadas por indicios de óxidos de metales pesados; se pueden

fabricar piedras artificiales por fusión en la llama oxhídrica. La alúmina Al2O3

se halla también en forma de óxidos hidratados que son los componentes de

la Bauxita y de la laterita (ésta consta principalmente de hidróxidos alumínico

y férrico, sílice y menores proporciones de otros óxidos).


107

En los siguientes párrafos se procede a describir los aspectos más

relevantes de este material, como sus características estructurales, su

tipología y las formas de obtención y producción de la misma.

Características Estructurales

Los cristales de óxido de aluminio son normalmente hexagonales y de

tamaño diminuto. Los tamaños mayores de los granos se forman a partir de

numerosos cristales, a diferencia de los grandes granos monocristalinos del

carburo de silicio. Su peso especifico de aproximadamente 3.95g/cm3; y la

dureza puede llegar a ser de hasta 2000Knoop.

La estructura en forma de octaedro de alúmina, está compuesta por 6

grupos hidroxilos (OH-) o átomos de oxigeno dispuestos de tal manera que

cada uno forma un vértice del octaedro que se mantiene unido por un átomo

de aluminio en el centro. Algunas veces éste es sustituido por hierro en

estado ferroso o férrico. Los octaedros se encuentran unidos entre sí por una

hoja o lámina conocida como “hoja de alúmina” u “octaédrica”.

Clases de Alúmina

• Alúmina Activada o Adsorbente

La alúmina activada de forma porosa y adsorbente, se produce

calentando los hidratos a temperatura superficie de forma que se expulsa la

mayor parte del agua combinada. Es necesario regular el calentamiento, ya

que si la temperatura es demasiado alta no se obtiene la extensión máxima


108

de superficie. La sustancia comercial viene en granos gruesos, en terrones,

bolas y tabletas de diversos tamaños.

Una de las aplicaciones más importantes que tienen estas sustancias

es la desencadenación de gases y líquidos. La alúmina activada tiene la

propiedad de secar el aire hasta dejarle muy poca humedad. Los

experimentos efectuados por el National Bureau of Standards indican la

potencia de diversas desecantes.

Asimismo, la alúmina activada es un material con buenas propiedades

de adsorción de fluoruros del agua, constituyendo el material adsorbente

mas usado para este fin.

• Alfa Alúmina (α-alúmina, corindón)

La alúmina se usa principalmente para la obtención de aluminio

metálico, para lo cual debe de ajustarse a ciertas normas de pureza, con

propiedades físicas adecuadas para la reducción electrolítica. A causa de la

gran proporción de alúmina que contiene la bauxita, y de que se puede

refinar económicamente, ésta es la principal sustancia comercial a partir de

la cual se obtiene la α-alúmina. Una de las principales aplicaciones del

proceso Bayer es en la refinación de la bauxita. La α-alúmina se produce al

calentar a una temperatura mínima de 1250º C durante un periodo de varias

horas cualquiera de las alúminas hidratadas puras o γ-alúmina, no siendo

necesarias otras fases cristalinas.


109

Esta variedad de alúmina tiene multitud de aplicaciones en la industria

y se producen diversas calidades conforme a la necesidad. Uno de los

caracteres notables de la α-alúmina es su dureza, 9 en la escala de Mohs;

por consiguiente, puede servir bien como abrasivo.

Entre otras aplicaciones, cabe destacar su empleo para lechos en el

tratamiento de aceros especiales de aleación, como fundente en la fusión de

aceros especiales, componente de vidrios de poca dilatación térmica y de

vidriados para porcelana, así como materia prima para la fabricación de

porcelanas dentales. Con poca proporción de carbonato sódico se usa como

material refractario para aisladores eléctricos, en los que conviene que no

haya carbonato.

• Alúmina Tabular

Es una variedad porosa de poca área que conserva su porosidad a

temperaturas comprendidas en el intervalo de fusión de la alúmina. En vista

de su gran estabilidad, se recomienda como portador de agentes activos en

reacciones en las que no es necesaria gran superficie, como son las de

oxidación. Por ejemplo: se puede convertir naftaleno en anhídrido ftálico

sobre alúmina o algún catalizador con soporte de alúmina. La alúmina

tabular se obtiene en variedades con menos de 0.05% de carbonato sódico.

La gran pureza y estabilidad de esta clase de alúmina la hace adecuada

como material inerte para intercambio de calor o reserva de calor a reservas

catalizadas. Bolas de alúmina tabular calentadas a alta temperatura por


110

combustión superficial se usa en el cracking térmico de gases de

hidrocarburos para la obtención de olefinas.

La alúmina tabular se prepara calentando alúmina calcinada por el

proceso Bayer, a temperatura no mucho menor del punto de fusión, y tiene

la forma cristalina del corindón. Se obtiene en tamaños que varían desde

terrones de unos 25mm hasta polvo pasado por el tamiz numero 300. Por

razón de su relativamente alto punto de fusión, de su poca contracción y de

su inercia química, esta alúmina resulta conveniente como materia

refractaria para altas temperaturas.

Tiene mucha aplicación en la fabricación de ladrillos de alta calidad y

formas para hornos de fusión de metales, tanques de vidrio, boquillas de

quemadores y usos similares en rudas condiciones de servicio. La alúmina

tabular resulta ser un material excelente para cuerpos de aisladores

eléctricos en la industria de la radio y para cuerpos de aisladores de bujías

de encendido en aviones y automóviles.

Se usa también como portador de catalizadores cuando es

indispensable la estabilidad a altas temperaturas. Aunque se emplea

alúmina refinada para cuerpos refractarios, se hacen ladrillos refractarios y

otras formas de alúmina menos pura.


111

• Beta Alúmina (β-alúmina)

Hay referencias de una forma llamada β-alúmina, pero Ridgway y sus

colaboradores observaron que esta alúmina solo se forma en presencia de

un álcali. Por consiguiente, se trata esencialmente de un alúminato cuya

composición aproximada es Na2O·11Al2O3 (NaAl11O17).

• Gama Alúmina (γ-alúmina)

Cuando se calienta a temperatura suficientemente alta, los trihidratos

de alúmina o el alfa-monohidrato pierden su agua combinada y, a 900°C, se

forma una nueva variedad cristalina de alúmina llamada γ-alúmina.

Calentando la alúmina a más de 1000°C, se convierte en α-alúmina. En

consecuencia la γ-alúmina es una forma cristalina intermedia del óxido. La

formación de la γ-alúmina en la descomposición de un hidrato es progresiva,

y la imagen de difracción de los rayos X cambia en complejidad y precisión

de líneas al aumentarse la temperatura de calentamiento.

• Alúminas Hidratadas

Los precipitados que se forman cuando se tratan soluciones de sales

de aluminio con iones hidroxilos contienen proporción variable de agua y se

pueden representar con la fórmula AL2O3·H2O.

Estas sustancias se conocen también en la literatura con el nombre

de “hidróxidos de aluminio”. En este caso se suele asignar la fórmula


112

Al(OH)3 al trihidrato, y la fórmula AlO(OH) al monohidrato, también

denominado hidroxioxido .

Se forma rápidamente calentando el alfa trihidrato en solución acuosa

diluida de álcali a temperatura de unos 200°C. El monohidrato preparado de

esta manera tiene de ordinario cristales sumamente finos, da al tacto

sensación parecida a la del talco y embadurna el vidrio. Su densidad

aparente es muy baja, hasta de 80 g/dm3.

La conversión de alfa trihidrato en alfa monohidrato se efectúa

lentamente calentando y dejando envejecer suspensiones de los trihidratos

en álcali diluidos a temperaturas algo menores a los 100°C. Por lo general,

se forma algo de monohidrato cuando se expulsa el agua combinada del

trihidrato por calentamiento en aire a temperaturas de 300º C a 400º C.

Cuando se calienta el alfa monohidrato a unos 450°C pierde rápidamente el

agua combinada y por lo común se observa una detención térmica a esa

temperatura en la curva de calentamiento. El monohidrato se disuelve con

menos facilidad en acido y álcali que el trihidrato.

El monohidrato de beta alúmina se halla en la naturaleza en forma de

mineral diásporo, que suele estar contaminado con arcilla y otros minerales y

ser difícil de obtener en forma pura. Según Laubengayer y Weisz, el

diásporo se forma lentamente calentando gama alúmina o alfa monohidrato

en agua a presión, a unos 400°C, en presencia de cristales de diásporo que


113

sirven de núcleo. El beta monohidrato es menos soluble que la forma alfa y

se convierte en alfa alúmina por calcinación.

El trihidrato de alfa alúmina es el trihidrato cristalino que se produce

en el proceso Bayer mediante siembra de núcleos y enfriamiento de la

solución de aluminato sódico obtenido por digestión de la bauxita. Se halla

en la naturaleza en forma del mineral gibbsita y es el principal componente

de una variedad de bauxita.

El alfa trihidrato empieza a perder agua al pasar de unos 150°C; la

perdida es rápida hacia 300°C y por lo general se observa una detención

térmica a esta temperatura en la curva de temperatura y tiempo.

Este material se usa mucho para producir compuestos de aluminio

como el sulfato alumínico sin hierro, el aluminato sódico, el sulfato alumínico

básico, el cloruro y el fosfato, puesto que reacciona fácilmente con ácidos

inorgánicos y álcalis fuertes. Otras importantes aplicaciones son la

fabricación de vidrio, esmaltes vítreos, esmaltes de cerámica, artículos de

cerámica y vidriados para porcelana. Añadiendo el hidrato al vidrio, aumenta

la resistencia mecánica de éste y su resistencia al choque térmico,

haciéndose el vidrio más resistente a la desvitrificación, a los agentes

atmosféricos y al ataque de líquidos.

Asimismo, este trihidrato es buena materia prima para la preparación

de alúmina activada. En la precipitación del hidrato por medio del proceso

Bayer, los tanques quedan revestidos de una capa gruesa y dura del


114

trihidrato. Este material, machacado para convertirlo en terrones y granos y

calentado para expulsar el agua combinada, resulta ser un magnífico

adsorbente y portador de catalizadores.

El trihidrato de beta alúmina se puede preparar neutralizando una

solución de aluminato sódico con dióxido de carbono a temperatura de 20 a

30°C. Es indispensable para su formación la precipitación rápida. También

se puede formar el beta trihidrato durante la precipitación de alúmina por

álcalis en soluciones de sales y aluminio. Este compuesto es meta estable y

se convierte lentamente en alfa trihidrato cuando se deja reposar en contacto

con álcali. La transformación se acelera por el calor. El beta trihidrato no se

halla en la naturaleza y algunas veces se le da el nombre de bayerita.

Tanto el beta trihidrato y sus mezclas como el alfa trihidrato se

preparan en forma de polvos livianos y sedosos formados por partículas

sumamente pequeñas y de tamaño uniforme. Estas alúminas finas son

buenos pigmentos reforzadores del caucho. Se usan con algunos cauchos

sintéticos, particularmente con el G-RS. Sirven también para glasear el

papel, como base de polvos cosméticos, como un pigmento para pinturas de

caseína y como material de relleno para compuestos plásticos moldeables.

Obtención de la Alúmina

Se realiza con la explotación del yacimiento a cielo abierto, sin

voladuras. El mineral se obtiene directamente de los diferentes bloques del

yacimiento con el fin de obtener la calidad requerida del mineral, con palas


115

que arrancan y cargan la bauxita en camiones de alto tonelaje y la

transportan hasta la estación de trituración. En el sistema de trituración, la

bauxita se traslada hasta un molino donde se reduce el material a un tamaño

de grano inferior a los 100mm para su fácil manejo y traslado.

En la Figura 31 se muestra un esquema de las principales etapas en

el proceso de obtención de la alúmina.

Figura 31. Proceso de obtención de alúmina. [Ref. 42]

• Predesilicación

Consta de cuatro tanques calentadores de 1.7m3 y bombas

destinados a controlar los niveles de sílice (SiO2), en el licor de proceso y la

alúmina. El proceso consiste en elevar la temperatura de 650m3/h de pulpa

de bauxita a la temperatura de 100° C, manteniéndola durante 8 horas, al

tiempo que se agita el material.


116

• Trituración y molienda

Tiene como función reducir el mineral de bauxita a un tamaño de

partículas apropiado para extracción de alúmina.

• Desarenado

Separa los desechos insolubles de tamaño comprendidos entre .1 y .5

mm, los cuales se producen en la etapa de disolución de la alúmina en el

licor cáustico.

• Separación y lavado de lodo

Esta área tiene como funciones la separación de la mayor parte de los

desechos indisolubles, comúnmente llamados “lodos rojos” (producto de la

disolución de alúmina en el licor cáustico) y la recuperación de la mayor

cantidad de soda cáustica asociada a estos desechos, empleando para ello

una operación de lavado con agua en contracorriente.

• Caustificación de carbonatos

Controla los niveles de contaminación del licor de proceso a través del

carbonato de sodio (Na2 CO3). Capacidad: 600m3 de licor/hora, para la

conversión de 4 toneladas de carbonato de sodio a carbonato de calcio

(CaCO3) por hora, el cual se elimina en el proceso.


117

• Apagado de cal

Tiene la función de apagar la cal viva y producir una lechada de

hidróxido de calcio que se utiliza en la separación y lavado del lodo, en la

caustificacion de carbonatos y en la filtración de seguridad.

• Filtración de seguridad

Separa las trazas el lodo rojo en el licor madre saturado en alúmina.

• Enfriamiento por expansión

Opera la reducción de la temperatura del licor madre al valor

requerido para el proceso de precipitación de alúmina.

• Precipitación

En esta área la alúmina es disuelta en el licor madre y en estado de

sobresaturación es inducida a cristalizar en forma de trihidroxido de aluminio

sobre una semilla del mismo compuesto.

• Clasificación de hidrato

Clasificación por tamaño de partículas del trihidroxido de aluminio,

conocido como hidrato, producto que se utiliza para calcinar semilla fina y

semilla gruesa.


118

• Filtración y calcinación de producto

En estas áreas se convierte el trihidroxido de aluminio en alúmina

grado metalúrgico, con máxima reducción de sodio soluble asociado al

hidrato.

• Filtración de semilla final

Filtración y lavado con agua caliente de la semilla fina a ser reciclada

en el área de precipitación, a fin de eliminar el oxalato de sodio y otras

impurezas precipitadas en ella y garantizar así el control de granulometría

del hidrato.

• Filtración de semilla gruesa

Filtración de la semilla gruesa con el fin de reducir al máximo el

reciclaje de licor agotado, con poca capacidad para precipitar el hidrato.

En el proceso Bayer, la bauxita es lavada, pulverizada y disuelta en

soda cáustica (hidróxido de sodio) a alta presión y temperatura; el líquido

resultante contiene una solución de alúminato de sodio y residuos de bauxita

que contienen hierro, silicio, y titanio. Estos residuos se van depositando

gradualmente en el fondo del tanque y luego son removidos. Se los conoce

comúnmente como "barro rojo".


119

Producción de la Alúmina

La solución de aluminato de sodio clarificada es bombeada dentro de

un enorme tanque llamado precipitador. Se añaden finas partículas de

alúmina con el fin de inducir la precipitación de partículas de alúmina puras,

una vez que el líquido se enfría. Las partículas se depositan en el fondo del

tanque, se remueven y luego son sometidas a 1100 ° C en un horno o

calcinador, para eliminar el agua que contienen, producto de la cristalización.

El resultado es un polvo blanco, alúmina pura. La soda cáustica es devuelta

al comienzo del proceso y usada nuevamente.

A modo de ejemplo, en la Figura 27 se refleja una cadena de

producción de la alúmina y el la las propiedades mas significativas de ésta.

Figura 32. Cadena de producción de alúmina de la empresa Aluar. [Ref. 42]


120

10MHz 9.53 9.91 10.14

1000MHz 9.00 - -

8500MHz 9.04 9.32 9.54

10MHz 0.00004 0.00016 0.00052

1000MHz 0.00030 - -

8500MHz 0.00045 0.00040 0.00072

10MHz 0.00038 0.00158 0.00527

1000MHz 0.00270 - -

8500MHz 0.00407 0.00373 0.00687

25°C >1014

300°C 1.0 x 1012

600°C 2.3 x 1010

900°C 5.0 x 108

Loss Factor

Volume Resistivity

Ohm-cm

Material Properties-Alumina (Al2O3)

Technical Information

Dielectric constant

Dissipation Factor

(Tanδ)

6.9

7.8

8.5

8.8

9.0

Only the highest quality alumina is employed in the construction of our products. The alumina content can vary with the particular application but is normally in the range of 97.6% to 99.5%. High electrical resistivity, corrosion resistance, good thermal shock resistance, together with a consistency in its properties and a relatively simple manufacturing route make alumina the accepted material where high performance, reliability and strength are crucial.

1650°C

43kV/mm

Per °C(x10-6) 25°C - 200°C

200°C - 400°C

400°C - 600°C

600°C - 800°C

800°C - 1000°C

97.6%

300MN/m2

0.00% Water Absorption

White

75 Rockwell 45N

24W/mK

Al2O3

Flexural Strength

Porosity

Colour

Hardness

Thermal Conductivity (at 20°C)

Maximum Working Temperature

Dielectric Strength

Tabla 8. Tabla de propiedades de la alúmina 97.6%. [Ref. 39]


121

Los cerámicos de alúmina son materiales impermeables que

normalmente no necesitan de ningún tratamiento superficial adicional para

hacerlos más adecuados en aplicaciones de Alto Vacío y de Muy Alto Vacío.

Las condiciones más óptimas para obtener el mayor rendimiento de estos

materiales en aplicaciones eléctricas se consigue con una limpieza

cuidadosa de los mismos y sin ningún tipo de recubrimiento vítreo en la

alúmina. Bajo estas condiciones se logra una resistividad superficial en la

alúmina del orden de 1013 Ω-cm a temperatura ambiente.

El acabado exterior del esmalte aplicado sobre el material actúa como

repelente de la suciedad y la contaminación y reduce el riesgo de la

formación de caminos de contaminación a lo largo del aislador. También

ofrece una limpieza más sencilla del elemento, disminuyendo así el

mantenimiento del equipo.

Moldeo por Sinterizado de la Alúmina

Sinterización es el tratamiento térmico de un polvo o compactado

metálico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para

incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes

entre las partículas.

En la fabricación de cerámicas, este tratamiento térmico transforma

de un producto en polvo en otro compacto y coherente. La sinterización se

utiliza de modo generalizado para producir formas cerámicas de alúmina,

berilia, ferrita y titanatos.


122

En la sinterización las partículas coalescen por difusión al estado

sólido a muy altas temperaturas, pero por debajo del punto de fusión del

compuesto que se desea sinterizar. En el proceso, la difusión atómica tiene

lugar entre las superficies de contacto de las partículas a fin de que resulten

químicamente unidas.

Aplicaciones de la Alúmina

La industria del aluminio primario utiliza la alúmina fundamentalmente como

materia prima básica para la producción del aluminio. Además, la alúmina se

utiliza de manera complementaria para:

• Aislante térmico en la parte superior de las cubas electrolíticas.

• Revestimiento de protección para evitar la oxidación de los ánodos

de carbón.

Absorción de las emisiones provenientes de las cubas.


123

4.1.1.2 Copper Oxigen Free High Conductivity (Cu OFHC)

Es un cobre libre de oxígeno y de alta conductividad eléctrica. Se

obtiene refundiendo los cátodos de cobre electrolítico en hornos eléctricos

de inducción en atmósfera inerte. Posee gran ductilidad, pero tiene alguna

impureza que afectan a la red cristalina.

El cobre aparece en forma de sulfuros, óxidos y carbonatos. Su

obtención se lleva a cabo por dos vías:

• Vía seca: que se realiza en 4 fases:

- Concentración del mineral:

Fase en la que se lleva a cabo la eliminación de la “ganga”.

- Eliminación parcial del hierro:

A través del proceso de tostación incompleta, en esta fase se realiza

la eliminación parcial del hierro y azufre. El hierro se va en forma de óxido,

quedando una masa de sulfuro de cobre llamada mata blanca.

- Oxidación de la mata

Para la eliminación del resto del hierro, la mata obtenida en el proceso

anterior se oxida en convertidores. El resultado es un cobre bruto o cobre

negro de una pureza en torno 90÷98%.


124

- Afino del cobre:

Mediante la utilización de hornos de reverbero, se procede a la

eliminación de impurezas.

• Vía húmeda.

Nomenclatura del cobre:

- Cobre: elemento químico.

- Cobre metal: cristaliza en cubos centrados en las caras.

- Cobre Blister: obtenido por fusión de la Mata.

- Cáscara de cobre: obtenido por vía húmeda.

- Cobre electrolítico: obtenido por electrólisis.

- Cobre OFHC: libre de oxígeno, altamente conductor y muy

dúctil.

A continuación se describen las propiedades, tratamientos,

aplicaciones y formas comerciales del cobre.

Propiedades del cobre

El cobre es un metal de color rojizo más o menos oscuro. Blando y

con un punto de fusión de 1083º C. Es, después de la plata, el mejor

conductor de la electricidad y el calor.

De entre otras propiedades del cobre, destacan las mecánicas y las

químicas.


125

• Propiedades mecánicas

Es dúctil y maleable. Tiene un alargamiento del 50%. Adquiere gran

acritud cuando se deforma en frío.

• Propiedades químicas

Resiste al agua pura a cualquier temperatura. Los agentes

atmosféricos lo atacan formando una película verde (sulfato de cobre o

verdín). En zonas próximas al mar le atacan los cloruros.

Al calentarlo a 120º C se forma una película roja de çocido cçuprico

(CuO) y a los 500º C se oxida por completo.

Se alea muy fácilmente con Au, Ag, Snm Zn y Ni y difícilmente con Pb

y Fe.

Es fácilmente soldable. Con estaño forma el bronce y con cinc el

latón.

Tratamientos del cobre

• Tratamientos mecánicos: forjado, laminado o trefilado en frío.

• Recocido de estabilización: se eliminan las tensiones producidas

por la deformación en frío.

• Recocido contra la acritud: para ablandar el cobre frágil que había

sido endurecido por golpeo o trefilado.


126

Aplicaciones del cobre:

• Por su gran conductividad térmica, se emplea en la fabricación de

serpentinas de refrigeración, hornos de baños...

• Por su gran conductividad eléctrica, se utiliza en la fabricación de

conductores eléctricos (cables).

• Por su resistencia a la corrosión, se emplea en la industria química.

Formas Comerciales:

• Chapas, tubos, alambres (0,1 mm a 2 cm) y varillas.

El cobre libre de oxígeno tiene una excelente conductividad eléctrica

térmica, siendo la más alta entre los diferentes grados de cobre que se

pueden encontrar en el mercado. Gracias a la alta pureza del material y su

homogeneidad de propiedades, este cobre tiene un comportamiento estable

en todas las direcciones.

En la Figura 33 se muestra un gráfico en el que se puede ver la gran

conductividad eléctrica que posee dicho material, de acuerdo con el método

de medición SIGC. La conductividad térmica presenta también una ventaja

similar.


127

Figura 33. Conductividad eléctrica del Cu OFC.

La obtención de máxima pureza lleva consigo una mínima variación.

Esto significa que el contenido de cobre sin oxígeno es muy alto, cerca del

99,996%, y las pequeñas impurezas no afectan a las propiedades. Así, cada

pieza se comporta exactamente de la misma manera en la fabricación y en

la aplicación - una y otra vez, año tras año.

A continuación, se muestra la distribución de contenido de oxígeno en

el OFC en la Figura 34. La variación es limitada debido a las buenas

condiciones de fusión y colada que se mantienen invariables a lo largo del

proceso.

Figura 34. Distribución del contenido en oxígeno.


128

La conformabilidad o maleabilidad es importante en todas las

aplicaciones en las que el cobre tiene que ser doblado. Una medida de

conformabilidad es la reducción de área (RA) en los ensayos de tracción, en

que el espécimen se estira hasta que se rompe, tal y como se observa en la

Figura 30.

Figura 35. Ensayo de tracción.

Donde:

- A1 ≡ original área de sección transversal

- A2 ≡ área de sección transversal de la superficie a romper

Cuanto menor sea el área donde se produce la fractura, mejor es la

ductilidad del material. En la Figura 36 se puede comparar la ductilidad del

cobre libre de oxígeno y la de otro tipo de cobre.

Figura 36. Comparación ductilidad del cobre.

Existe un fenómeno que causa una gran pérdida de propiedades

mecánicas. Este fenómeno es el debilitamiento por absorción de hidrógeno.


129

Se produce debido a la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno libre que

puede encontrarse en el cobre. La reacción provoca la aparición de

porosidades internas y la operación a temperaturas elevadas acelera el

dicho proceso.

El cobre OF, al no contener nada de oxígeno, no se ve afectado por

dicho fenómeno de debilitamiento por hidrógeno. Esto hace que este tipo de

cobre sea muy adecuado para soldadura y aplicaciones en vacío.

En la imagen derecha de la Figura 37 se muestra el contraste entre

una soldadura con cobre OF, y en la de la izquierda otra soldadura con

cobre con contenido de oxígeno. La primera de ellas se ve mucho más

compacta y limpia, mientras que la segunda imagen aparece con

porosidades y escoria.

Figura 37. Soldadura TIG en ambiente húmedo.

Por la misma razón comentada anteriormente, el cobre libre de

oxígeno presenta una unión fiable con la mayoría de métodos de soldadura y

brazing. Si tratamos de realizar una unión soldada en un ambiente húmedo,

las moléculas de agua atacarán al cobre que, si tiene presencia de oxígeno,


130

el hidrógeno del agua reaccionará con éste dando origen al fenómeno de

debilitamiento por hidrógeno.

En la Tabla 9 se presentan las propiedades típicas del cobre OFHC

C10200. Pero dentro de este tipo de cobre existe también un amplio rango

de variación en las propiedades, por lo que se necesitará realizar ensayos

para la caracterización del componente.


131

Density 8.90 g/cc

Mechanical Properties MetricTensile Strength, Ultimate 261 - 441 MPaTensile Strength, Yield 88.0 - 324 MPaElongation at Break 6.00 - 30.0 %Modulus of Elasticity 117 - 132 GPaPoissons Ratio 0.310Izod Impact 34.0 - 61.0 JMachinability 20.0 %

Shear Modulus 44.0 GPa

Electrical Properties Metric

Thermal Properties Metric

@Temperature 20.0 - 100 Â°C17.3 Âµm/m-Â°C

@Temperature 20.0 - 200 Â°C

17.7 Âµm/m-Â°C@Temperature 20.0 - 300 Â°C

0.385 J/g-Â°C391 W/m-K

Melting Point 1083 Â°C

Material Components Properties Metric

Oxygen-free high conductivity Copper, Hard, UNS C10200

Copper, Cu

Physical Properties

Electrical Resistivity

CTE, linear 20Â°C

Specific Heat Capacity

Tabla 9.Propiedades del Cobre OFHC


132

4.1.2 Tipo de Unión

En primer lugar, se debe realizar una distinción entre los conceptos de

soldadura (“welding”), soldadura blanda (“soldering”) y soldadura fuerte

(“brazing”). Estos tres procesos se derivan de la unión de materiales, con la

gran diferencia de que en los dos últimos no se llega a fundir el material

base, sólo el material de aporte.

En el proceso de la soldadura fuerte (o "brazing") la temperatura de

fusión del metal de relleno está por encima de los 450° C, habitualmente

entre 600° C y 800° C., mientras que para la soldadura blanda (o “soldering”)

cuando se unen dos metales con un metal de relleno cuya temperatura de

fusión está por debajo de los 450° C, normalmente entre los 200° C y los

400° C.

Dentro del proceso de soldadura “welding” existen diferentes técnicas

de unión, entre las que cabe destacar las siguientes:

- Soldadura de arco manual (SMAW – Shielding Metal Arc

Welding)

- Soldadura MIG – Metal Inert Gas (también GMAW – Gas

Metal Arc Welding)

- Soldadura TIG – Tuesten Inert Gas (también GTAW – Gas

Tuesten Arc Welding)

- Soldadura de arco sumergido (SAW – Sumerged Arc Welding)

- Soldadura por fricción (FSW – Friction Stir Welding)


133

- Soldadura por arco de plasma (PAW – Plasma Arc Welding)

En ambos procesos se obtienen normalmente uniones más

resistentes que el propio material base que se está uniendo.

Conocidos los tipos de procesos, se debe evaluar aquél que mejor se

ajusta a nuestras necesidades. Para una correcta selección del tipo de

proceso hay que fijarse en los siguientes puntos:

- Materiales que se van a unir.

- Espesor de los materiales que se van a soldar.

- Tamaño del ensamblaje.

- Configuración de la unión.

- Volumen de producción.

- Apariencia de la unión.

En la evaluación de dichos parámetros aplicados a nuestro

componente, se obtiene la siguiente tabla de valoración:


134

Tipo Welding Brazing

Materiales Necesidad de técnicas sofisticadas para unir materiales diferentes.

Ningún problema para unir materiales diferentes.

Tamaño Tamaños grandes de ensamblaje.

Mejor para tamaños pequeños. Los grandes disipan mucho calor aportado.

Espesor Puede llegar a quemar el material si el espesor es muy pequeño.

Todos.

Unión Más rápido y económico cuando son puntos de soldadura (uniones localizadas).

Para uniones lineales o superficiales resulta mejor.

Car

acte

rístic

as

Estética Necesita otros procesos para conseguir un buen acabado superficial

Buen acabado sin necesidad de acudir a otros procesos.

Tabla 10. Valoración de los procesos de soldadura.

En vistas a la información de la tabla, parece lógico acudir a la

soldadura por brazing para la fabricación de esta pieza de aislamiento,

compuesta por alúmina y cobre, dos materiales diferentes.

Soldadura Brazing

La soldadura fuerte (conocida a veces con la palabra inglesa

"brazing"), define el proceso de unir dos metales mediante un proceso de

calentamiento a la temperatura adecuada, utilizando en la unión un metal de

relleno con una temperatura de fusión inferior a la de los metales que se

deben unir y que no intervienen en el proceso de soldadura.


135

La soldadura brazing une los materiales creando una unión

metalúrgica entre el material de aporte y la superficie de los dos materiales.

El material de aporte, al alcanzar su temperatura de fusión, se funde y se

introduce por efecto capilar a través de las hendiduras, cavidades o poros de

ambos materiales creando la unión.

Cada vez que hay que unir dos metales iguales o distintos, habría que

someterlos a un proceso de soldadura bien sea fuerte o blanda para:

- Crear una unión permanente y de alta resistencia.

- Simplificar la operación mecánica, introduciendo la unión de

piezas pequeñas.

- Adoptar técnicas de producción sencillas, siempre

compatibles con las exigencias de la producción en cadena.

Brazing es probablemente el método más versátil para unir metales

hoy en día. Las uniones con brazing son uniones fuertes en metales no

férricos y aceros, cuya resistencia muchas veces supera la de los metales

bases. De hecho, en acero inoxidable, es posible desarrollar una soldadura

con una tensión de 895 MPa. Las soldaduras con brazing son dúctiles,

considerablemente fáciles y rápidas de hacer y cuando son hechas

correctamente, prácticamente no hay necesidad de un proceso de acabado

superficial. La unión por Brazing es ejecutada relativamente a bajas

temperaturas, reduciendo la posibilidad de deformaciones,


136

sobrecalentamientos, o fundición de los metales a ser soldados. Además,

resulta ser económico y altamente adaptable a métodos de automatización.

Teniendo en cuenta que los metales bases nunca se funden, estos

mantienen básicamente intactas todas sus propiedades mecánicas y físicas.

Una ventaja importante del Brazing es la facilidad con la que se pueden unir

metales no similares: siempre que los metales bases no se derritan, en

realidad no importa si tienen diferentes puntos de fusión. Otra ventaja de las

soldaduras con brazing es su excelente apariencia, característica

especialmente importante en productos de consumo como es la industria

relacionada con los alimentos o bebidas donde los suaves acabados del

brazing no se convierten en una trampa para los materiales sólidos o

líquidos.

Existen muchas clases de juntas con brazing pero son dos en

particular las que constituyen los procedimientos básicos en brazing: la junta

de Tope y la junta de Plano. La junta de Tope tiene la ventaja de

proporcionar un espesor uniforme en la unión. La preparación de este tipo de

juntas es usualmente muy simple, sin embargo la fuerza de la soldadura de

Tope es limitada y dependerá, en parte, de la sección del área a soldar. En

cuanto a la soldadura de Plano, ésta proporciona el doble de espesor en la

soldadura.

En casi todas las juntas hechas con brazing el requerimiento principal

es simplemente la fuerza, pero frecuentemente hay otras condiciones que se


137

podrían considerar cuando se prepara una junta. Por una parte, abría la

posibilidad de trabajar en un ensamble hecho con brazing que tuviera buena

conductividad eléctrica así como buena capacidad de presión. Por otra parte,

es importante tener en cuenta a ventilación del ensamblaje para que durante

el proceso de brazing el aire o los gases en expansión puedan escapar del

material fundido que fluye por la junta. Ventilando el ensamble también se

previene de que el fundente quede atrapado en la junta.

Capítulo 5 Simulaciones

138

5. Simulaciones


139

En el capítulo de simulaciones se exponen los estudios realizados con

sofware de cálculo por elementos finitos (FEM). Se explica para cada

análisis, campo eléctrico, térmico y mecánico, el modelo con el que se ha

trabajado, el flujo de trabajo, la configuración del modelo, etc. Finalmente se

muestran los resultados obtenidos junto con una valoración de los mismos.

Se tratará también de contrastar analíticamente los resultados a los

que se han llegado con el software de análisis.


140

5.1 Software de Simulación

Hoy en día nos podemos encontrar en el mercado multitud de de

programas de diseño CAD que ya llevan implementados software de análisis

por elementos finitos.

En nuestro caso se ha trabajado con los siguientes programas:

• SolidWorks 2006 SP0.0

Se ha utilizado este programa de diseño CAD para la elaboración del

modelo 3D de trabajo para las simulaciones.

• ProEngineer Wildfire 2.0

Este programa de diseño CAD se ha utilizado para el diseño de los

útiles necesarios para los setups de pruebas, así como para la elaboración

de los planos correspondientes para su fabricación.

• COSMOS DesignSTAR 4.5

Por último, las simulaciones de los diferentes casos de estudio se han

realizado con el software COSMOS DesignSTAR 4.5. En la Tabla 11 se

muestra los módulos de cálculo que posee el programa utilizado, de los

cuales utilizaremos el de transmisión de calor, cálculo estático lineal,

electromagnetismo y GEOSTAR.


141

Tabla 11. Características del software de cálculo.

En la siguiente tabla, la Tabla 12, se recogen los programas de diseño

CAD con los que comparte compatibilidad CAD.

Tabla 12. Compatibilidad del software con los programas de diseño CAD.


142

Para la importación de los modelos de trabajo el proceso que se debe

seguir es el siguiente: una vez creado el modelo 3D con el programa CAD

correspondiente se debe exportar el archivo en formato Parasolid, cuya

extensión será “.x_b”. Realizada la exportación del modelo al formato de

Parasolid, ejecutamos una importación de datos desde el programa de

simulación, indicando que el archivo a importar está en formato Parasolid.


143

5.2 Modelo de Simulación

El modelo que se ha empleado en las simulaciones es resultado de

una serie de simplificaciones realizadas de otro modelo, concretamente de

una maqueta construida con anterioridad. Aunque la línea actual de trabajo

para el diseño interior y de soporte de la IsolationBox difiere en algunos

aspectos con el que presenta la maqueta mostrada en la Figura 38, se ha

decidido continuar con el concepto inicial para la realización de los estudios.

Tal y como se aprecia en la figura, la línea de trabajo histórica estaba

basada en la utilización de cuatro aisladores, fijados en una única dirección,

y dos en cada lado superior e inferior.

Figura 38. Maqueta de la isolation box inicial para pruebas de vibraciones.


144

El motivo de esta simplificación es tener un modelo menos pesado

con el que poder con mayor facilidad, y que permitirá obtener mallados más

finos y resultados más próximos. El problema de trabajar con un modelo que

represente la maqueta completa, incluyendo el medio que lo rodea, se

presenta al realizar el mallado del mismo, estando limitado el tamaño del

elemento de mallado y resultando en una malla excesivamente gruesa. De

poder realizar un mallado aceptable, el problema se presentaría a la hora de

la resolución del estudio, siendo necesarios en algunos casos hasta horas

de ejecución de simulaciones. Por ello, resulta considerablemente más

favorable el realizar una simplificación del modelo y establecer las correctas

condiciones de contorno.

El modelo resultante utilizado para desarrollar los diferentes estudios

se presenta en la Figura 39 y Figura 40.

Figura 39. Vista dimétrica del modelo explosionado y sin explosionar.


145

Figura 40. Vista frontal del modelo explosionado y sin explosionar.


146

5.3 Campo Eléctrico

El software empleado para la realización de las simulaciones de

campo eléctrico es COSMOSDesignSTAR 4.5 módulo de campo eléctrico.

5.3.1 Configuración

5.3.1.1 Modelo de Trabajo

El modelo de trabajo es un modelo simplificado con el que se

pretende reducir el peso del mismo para poder utilizar un mallado más fino

en los elementos que este proyecto estudia. En la simplificación se ha

tratado de mantener cierta lógica para representar lo más fielmente la

realidad, y obtener unos resultados fiables y representativos del objeto de

estudio.

Figura 41. Vista isométrica del modelo de trabajo.


147

Figura 42. Vista frontal del modelo para la simulación de campo eléctrico.

5.3.1.2 Parámetros de Estudio

Del modelo presentado en el apartado anterior se realizarán

diferentes estudios modificando una serie de parámetros del mismo para

examinar el comportamiento del diseño frente a diferentes situaciones.

Figura 43. Parámetros de estudio del modelo.

Los parámetros que se van a ir modificando para cada uno de los

estudios son:

• “a” ≡ distancia mínima de separación entre las dos jaulas. Los

valores entre los que se va a mover serán:

Medio

envolvente

Aislador

Cerámico


148

- 3mm

- 4mm

- 5mm

• “b” ≡ distancia entre la alúmina del aislador y la cara vertical de la

jaula interior más cercana al aislador. Los valores a estudiar serán:

- 3mm

- 4mm

- 5mm

Con todo ello se tiene un total de nueve simulaciones diferentes para

obtener las variaciones del campo eléctrico en función de dichos parámetros

de diseño.

5.3.1.3 Mallado

Los datos de la malla utilizada son los siguientes:

Mesh Detail Mesh Type Solid Mesh Mesher Type Standard Mesh Quality Draft Automatic Transition On Smooth Mesh On Mesh Control Defined Element Size 3mm Tolerance 0,15mm Total Nodes 109627 Total Elements 637677

Tabla 13. Detalles del mallado del estudio eléctrico.


149

Se han definido unos controles de mallado en los sólidos, caras o

vértices con el objeto de lograr aquél que más interesa, tanto un mallado

más fino como otro más grueso. Esto permite aligerar el modelo evitando

cargarlo en exceso con elementos que quizás no interesen tanto por no

aportar información relevante.

Los controles de mallado definidos son los que se muestran en la

Tabla 14:

Mesh Controls Nº Element Size (mm) Ratio Layers

1 Alúmina 0,5 1,25 5

2 Cobre (superficies) 1 1,25 5

3 Aire (sólido) 2 1,25 5

4 Aire (superficies) 1 1,25 5

5 Aire (aristas) 1 1,25 5 Tabla 14. Detalles de los controles de malla del estudio eléctrico.

En las siguientes figuras se visualiza el resultado del mallado

realizado al modelo.

En la primera de ellas, la Figura 44, se muestra el modelo completo

mallado, en el que se pueden apreciar las diferentes densidades de mallado

obtenidas a través de los controles establecidos.

Asimismo, se observa cómo en las proximidades del aislador, la

densidad de mallado aumenta tanto en el aire como en las superficies de


150

separación de las jaulas. También se existe un mallado más fino en la arista

del aire que coincide con la arista de la jaula de alta tensión.

Figura 44. Modelo completo mallado.

En la Figura 45 se presenta el mallado del aislador, con una alta

concentración de mallado en la alúmina y en la arista de soldadura de unión

entre ambos materiales, cobre y alúmina. Se aprecia igualmente una alta

densidad en la superficie del cobre que se encuentra en contacto con el aire.

Figura 45. Mallado del Aislador de Alta Tensión.

Tal y como se comentaba en el párrafo anterior, el mallado es más

fino en las superficies del aire que se encuentran en contacto con el aislador.

Con esto se logran unos resultados más precisos en los puntos identificados

y definidos como los más críticos en el diseño.


151

Figura 46. Mallado del Aire.

5.3.1.4 Condiciones de Contorno

Las condiciones de contorno establecidas para la simulación de

campo eléctrico son las siguientes:

• En las superficies superiores del aire, así como en el sólido de

cobre superior del aislador, tal y como se muestra en la Figura 47,

se establece la condición de conductor flotante al que le

definiremos posteriormente, en el análisis de los resultados, el

potencial al que se encuentra.

• En las superficie inferior del aire, así como en el sólido de cobre

inferior del aislador, tal y como se muestra en la Figura 47, se

establece la condición de 0V.

Figura 47. Condiciones de Contorno.


152

5.3.2 Resultados

Los resultados obtenidos y analizados son la consecuencia de

simulaciones realizadas con un potencial definido en los conductores

flotantes de 1800V (tensión nominal de funcionamiento y diseño del módulo

de alta tensión) y 3600V (para posibles futuras ampliaciones de diseño).

De las simulaciones se obtienen multitud de datos, como el valor de

campo, potencial eléctrico,… en cada uno de los nodos que componen la

malla, así como resultados visuales tales como las figuras que a

continuación se presentan.

Figura 48. Distribución del campo eléctrico en el aislador.

Como es de esperar, en la Figura 49 se observa una gran

concentración de campo en el perfil de unión entre la alúmina y el cobre,

alcanzándose valores elevados que hay que tener controlados y ver cómo se

pueden atenuar.


153

Figura 49. Distribución de campo eléctrico en la sección central del aislador.

En las imágenes de la Figura 50 se representa la distribución de

potencial eléctrico del aislador en su sección media, donde el color rojo

representa el potencial definido, 1800V o 3600V, y el azul el de 0V.

Figura 50. Representación de la distribución del potencial eléctrico.

Las dos siguientes imágenes recogen la distribución de campo

eléctrico tanto en el aislador como en el aire y la distribución del potencial

eléctrico. En la primera de ellas se pueden identificar los puntos y zonas más

críticas, aquellas con mayor acumulación de líneas de campo y por lo tanto

de mayor valor de campo.


154

Figura 51. Distribución de campo eléctrico en la sección media del modelo completo.

Se aprecia cómo la zona de separación entre jaulas es una zona a

tener identificada como posible riesgo de diseño, así como la unión entre la

alúmina y el cobre. La concentración de campo en este punto es importante

y crítica en el lado del aire, donde se pueden llegar a dar descargas no

deseadas.


155

Figura 52. Distribución potencial en la sección media frontal del modelo.

En la distribución de potencial eléctrico de la Figura 52, se puede

apreciar e identificar sin ningún tipo de dudas la localización del cobre.

En las siguientes figuras, de la Figura 53 a la Figura 56, se muestran

las líneas de campo eléctrico que aparecen en el modelo cuando se aplica

una diferencia de tensión entre las jaulas.

Figura 53. Líneas de campo eléctrico.


156

En la Figura 54 se muestra en detalle las líneas de campo en el

centro de la alúmina donde se da la mayor concentración de campo.

Figura 54. Líneas de campo eléctrico en el centro de la alúmina.

En las siguientes figuras, la Figura 55 y Figura 56, se observan las

líneas de campo eléctrico que aparecen en las zonas críticas de estudio: la

zona “a” de separación entre jaulas; y la zona “b” de separación entre la

jaula a alta tensión y la alúmina del aislador.

Figura 55. Líneas de campo eléctrico en la zona “b”.


157

Figura 56. Líneas de campo eléctrico en la zona “a”.


158

5.4 Térmico

Para el cálculo de las solicitaciones que aparecen como consecuencia

de la existencia de un gradiente térmico en el componente, se han realizado

dos estudios: uno térmico y otro estático.

• Estudio Térmico

En este primer estudio se establecen las condiciones de temperatura

y disipación de calor en las que el aislador va a trabajar. El resultado es una

distribución de temperaturas a lo largo de todo el componente que será

utilizado en el siguiente estudio para obtener las solicitaciones que aparecen

como consecuencia de dicho gradiente.

• Estudio Estático

En este segundo estudio, como ya se comentaba en el párrafo

anterior, se calculan las solicitaciones que aparecen como resultado del

input del gradiente de temperaturas obtenido en el caso anterior.

El esquema de trabajo pues para esta segunda fase de simulaciones

es el siguiente:


159



El modelo utilizado es el mismo modelo reducido definido en párrafos

anteriores con la diferencia de que en este se ha eliminado la presencia de

un medio gaseoso.


Se han realizado una gran variedad de casos tratando de cubrir dos

objetivos diferentes. El primero de ellos es el de obtener los esfuerzos

térmicos a los que van a estar sometidos los aisladores en función del

número que se dispongan en el diseño, suponiendo una distribución

equitativa del calor a disipar. El segundo de ellos es el de obtener la

conductividad térmica del aislador en su conjunto.

BC Cargas Mesh

Ejecutar Simulación

Resultados Estudio Térmico

BC Cargas Mesh


Resultados Estudio Estático

Documentación


160

Según datos de diseño la potencia a disipar a través de los aisladores

es de un total de 50W. En la actual línea de diseño se está barajando la

posibilidad de fijar aisladores en los tres ejes para así tratar de reducir al

máximo el trabajo a flexión y torsión de los aisladores. Partiendo de esta

idea, suponemos un mínimo de seis aisladores, dos por eje. Por lo que, con

una distribución equitativa de potencia a disipar, queda que cada uno de

ellos deberá conducir como máximo un total de:

WWPaislador 3,86

50≈=

Partiendo del mínimo número de aisladores de los que se puede

disponer, estos se irán aumentando en un intento de abarcar los posibles

casos de diseño que se pueden llegar a dar. Los casos resultantes de este

planteamiento son los que se listan en la tabla siguiente:

Caso Nº

Pot. x Aislador (W)

Nº Aisladores Requerido

1 4 13 2 5 10 3 6 8 4 7 7 5 8 6

Tabla 15. Casos de simulación térmica.

Sin embargo, tras realizar el estudio de tensiones térmicas, se

observa que no aparecen solicitaciones por encima de los 200MPa, límite

establecido como máximo para este diseño e impuesto por el cobre. Por ello,

se decide ampliar el estudio para localizar el gradiente máximo que es capaz

de soportar el componente hasta alcanzar dicho valor de tensión.


161

Por esta razón, a la lista anterior se le añaden los casos que se

muestran en la Tabla 16, aunque físicamente no se van a plantear a la hora

de diseñar la Isolation Box de la PSCU.

Caso Nº

Pot. x Aislador (W)

Nº Aisladores Requerido

6 10 5 7 12 5 8 14 4 9 16 4 10 18 3

Tabla 16. Segunda tanda de simulaciones térmicas.

5.4.1.3 Mallado

Los datos de la malla utilizada son los siguientes:


Tabla 17. Detalles del mallado del estudio térmico.

Se han definido unos controles de mallado en los sólidos, caras o

vértices con el fin de obtener el mallado que más interesa, tanto un mallado

más fino como otro más grueso. Esto permite aligerar el modelo, evitando

cargarlo en exceso con elementos que quizás no interesen tanto por no

aportar información relevante.


162

Los controles de mallado definidos son los siguientes:

Mesh Controls Nº Element Size (mm) Ratio Layers 1 Alúmina 0,35 1,25 5 2 Cobre (superficies) 0,5 1,25 5 3 Aluminio (superficies de contracto) 0,75 1,25 5

Tabla 18. Detalles de los controles de malla del estudio térmico.

En las figuras que se muestran a continuación se puede visualizar el

resultado del mallado realizado al modelo.

En la primera de ellas, la Figura 57, se muestra el modelo completo

mallado, en el que se ve las diferentes densidades de mallado conseguidas

a través de los controles establecidos.

Figura 57. Vista isométrica y frontal del modelo mallado.

En la Figura 58 se muestra el mallado resultante del aislador, con un

mallado muy fino tanto en la alúmina como en el cobre. En las transiciones

de material el cambio de tamaño de malla es proporcional.


163

Figura 58. Vista isométrica y frontal del mallado del aislador mallado.

En la Figura 59 y Figura 60 se observa como en las superficies en las

que ser ha definido un control de malla el tamaño de la misma es más fino

que en aquellas donde a prevalecido el tamaño genérico. En las zonas de

transición de material se aprecia el cambio de mallado progresivo.

Figura 59. Vista isométrica e inferior del soporte superior de aluminio mallado.

Y debido a la condición de transición de ratio y número de capas,

podemos ver claramente como en la zona de contacto con el cobre, con otro

control de malla más fino aún, la malla del aluminio se adapta para coincidir

lo elementos y realiza una transición de malla suave y progresiva.


164

Figura 60. Vista isométrica y superior del soporte inferior de aluminio mallado.


Las condiciones de contorno definidas en para la configuración del

problema en estudio son las siguientes:

• Estudio térmico

Para la definición del problema térmico se han establecido las

siguientes condiciones de contorno:

- En la cara superior de la estructura de aluminio que simula la

jaula de alta tensión se establece una fuente de calor de valor

variable en función del caso en estudio (ver Tabla 15 y Tabla

16).

- En la cara inferior de la estructura de aluminio que simula la

jaula de aluminio de 0V, se fija la temperatura de las heat

pipes del caso más desfavorable (Tª = 323K).


165

Figura 61. Condiciones del estudio térmico.

• Estudio estático

Para la definición del problema térmico se han establecido las

siguientes condiciones de contorno:

- En la cara inferior de la estructura de aluminio que simula la

jaula a 0V se establece una fijación rígida (desplazamiento

nulo en las tres direcciones).

- En las caras laterales de la estructura de aluminio que simula

la jaula a alta tensión, se establece la condición de simetría

(único desplazamiento posible en la dirección vertical).

Figura 62. Condiciones del estudio de solicitaciones térmicas.


166

5.4.2 Resultados

5.4.2.1 Térmicos

En la Figura 63 y Figura 64 se muestra el flujo del calor a través de la

estructura modelada suponiendo un medio vacío como medio gaseoso que

rodea al aislador, es decir, sin transferencia de calor por convección, y sin el

fenómeno de la radiación.

Figura 63. Flujo de calor resultado de la simulación.


167

Figura 64. Detalle del flujo de calor por las esquinas del modelo y cambio de material.

Las temperaturas que se recogen del estudio térmico son las que se

muestran en la siguiente Tabla 19:

Casos Q (W) T1 (K) T2 (K) ∆Tª R Cal. (K/W)

1 4 331,09 328,63 2,46 0,61 2 5 331,87 328,78 3,09 0,62 3 6 332,64 328,94 3,70 0,62 4 7 333,41 329,10 4,31 0,62 5 8 334,19 329,25 4,94 0,62 6 10 335,74 329,57 6,17 0,62 7 12 337,28 329,88 7,40 0,62 8 14 338,83 330,20 8,63 0,62 9 16 340,38 330,52 9,86 0,62

Qto

t = 5

0W

10 18

Res

ulta

dos

341,92 330,82 11,10 0,62 Tabla 19. Diferencia de temperatura en el aislador.


168

Temperaturas

326

328

330

332

334

336

338

340

342

344

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Potencia Calorífica (W)

Tem

pera

tura

(K)

T1T2

Figura 65. Variación de temperatura en los extremos del aislador con la potencia

calorífica.

Y en la figura que se muestra a continuación se aprecia la distribución

de temperaturas en el aislador.

Figura 66. Distribución de temperaturas en el modelo.


169

Cálculos analíticos

Resulta interesante y necesario para contrastar la congruencia de los

resultados obtenidos con el software de simulación el realizar unos cálculos

analíticos del problema en cuestión. Esta comparativa de resultados nos

ayuda a comprobar si el modelo con el que se ha trabajado está

correctamente definido y nos está calculando y actuando como nosotros

esperamos.

El problema a resolver se reduce a un estudio de conducción simple

unidimensional de estado estable, sin la existencia de otros fenómenos de

intercambio de calor: ni convección ni radiación, con lo que las ecuaciones

de estudio son relativamente sencillas si se plantean las hipótesis correctas.

El planteamiento pues del problema térmico a resolver es el que se

muestra en la Figura 67, donde se puede observar que se ha simplificado el

problema a un circuito de resistencias térmicas en serie. Se tiene en cuenta

también para el cálculo la influencia de las resistencias de contacto aluminio-

cobre, así como la resistencia térmica de la soldadura de unión del

componente entre la alúmina y el cobre.


170

2T

Cu (1) Cu (3)

Al2O3 (2)

A

L1 L2 L1

34 4

Q

T

1T

Figura 67. Esquema de conducción térmica.

Donde cada uno de los materiales que conforman el modelo son los

definidos en la Tabla 20.

Nº Material 1 OFHC – Cobre 2 Al2O3 al 97,6% 3 OFHC – Cobre 4 Aire / vacío 5 Aluminio 6 Aluminio

Tabla 20. Materiales que componen el modelo.

El método de contraste de resultados es el siguiente:

• En función de las condiciones que se establezcan en el estudio,

potencia a disipar por aislador, se calculará de forma analítica la

diferencia de temperatura que debería aparecer en los extremos

del aislador. Para ello se calculará previamente la resistencia del

45 6


171

aislador a partir del esquema simplificado de resistencias térmicas

que se puede ver en la Figura 68.

• Del estudio por elementos finitos se obtendrá la distribución de

temperaturas en el aislador, y por lo tanto se dispondrá de la

diferencia de temperaturas en los extremos del aislador. Con las

condiciones de potencia a disipar y la diferencia de temperaturas

se podrá calcular la resistencia térmica del aislador.

Una vez realizados los cálculos y las simulaciones se compararán

tanto las resistencias térmicas como la diferencia de temperaturas obtenidas

de forma analítica y por elementos finitos.

Las primeras simulaciones se llevaron a cabo sin definir las

resistencias térmicas de contacto entre el cobre y el aluminio. Tampoco se

definió la resistencia térmica de la interfaz de soldadura del componente.

Con lo que se realizará una primera comparativa entre estos resultados y los

resultados numéricos.

T2

Q

R2R1 R1Rc Rsold Rc RsoldT1

Figura 68. Esquema simplificación de resistencias térmicas.

• Para el cálculo de los parámetros que vamos a compara se

utilizarán las siguientes fórmulas:

Para el cálculo de la resistencia del modelo de simulación:


172

WKR

QTR

=

Δ=

][

Donde:

- ∆T ≡ diferencia de temperatura entre los extremos del aislador

obtenida de los resultados de la simulación;

- Q ≡ calor a disipar establecido como condición de carga en el

modelo de simulación.

• Para los cálculos numéricos, primero se calcularán las resistencias

del esquema simplificado de resistencias en serie para cada uno de

los materiales. El procedimiento se explica en párrafos posteriores.

Calculada la resistencia térmica total entre los extremos del

componente, se calculará la caída de temperatura con la hipótesis

de trabajo de calor a disipar establecida en cada uno de los casos

a simular. Esta fórmula es:

KWKWT

RQT

=⋅=Δ

⋅=Δ

][

Donde:

- Q ≡ calor que circula a entre los extremos del componente,

definido en cada uno de los casos a simular.


173

- R ≡ resistencia térmica total calculara analíticamente que para

el componente.

Los datos utilizados para el cálculo de cada uno de las resistencias

son:

DATOS Parámetro Valor Unidades

L1 8 mm L2 3 mm k1 0,024 W/mm-K k2 0,385 W/mm-K A 240,53 mm2

Sin indio R’’t, c 5·104 m2·K/W Con indio R’’t, c 0,07·104 m2·K/W Soldadura R’’sold 0,15·104 m2·K/W

Tabla 21. Datos para los cálculos térmicos.

Donde el valor de resistencia térmica de contacto en el caso de no

utilizar indio se ha obtenido para una interfaz en vacío entre aluminio y cobre

con una presión de contacto de 100kN/m2.

Comentar también que los valores de conductividad térmica de los

materiales sufren variaciones con la temperatura, pero en el rango de trabajo

se mantienen constantes.

Retomando el cálculo de la resistencia térmica de los materiales, se

empleará la siguiente fórmula:


174

2[ ]

xx

x

LRk A

mm KR WW mmmm K

=⋅

= =⋅

⋅

Donde “x” indicaría el tipo de material que se está utilizando para el

cálculo.

Para el cálculo de las resistencias de contacto se empleará la fórmula:

,,

2

2

''

·

[ ]

t ct c

RR

Amm K

W KR Wmm

=

= =

Con lo que obtenemos las siguientes resistencias térmicas:

Resitencias Térmicas Resitencia Valor Unidades

R1 8,64·10-2 K/W R2 0,52 K/W Rt, sold 6,24·10-6 K/W Sin indio Rt, c 2,08·10-4 K/W Con indio Rt, c 2,91·10-6 K/W

Tabla 22. Resultados de las resistencias térmicas.

El cálculo de la resistencia térmica total se apoyará en el esquema de

resistencias anteriormente señalado en la Figura 68. Se calcularán cuatro

tipos de resistencias en el análisis de la variación que sufre la resistencia

total por la definición de las resistencias de contacto y de soldadura:


175

- Una primera sin tener en cuanta la resistencia de contacto en

la unión aluminio cobre, ni la resistencia de la soldadura.

- Una segunda que será la anterior a la que le sumaremos la

resistencia de la soldadura.

- La tercera de ellas tendremos en cuanta la resistencia térmica

de contacto en una interfaz de vacío.

- Y por último, calcularemos una cuarta con una resistencia

térmica de contacto suponiendo la utilización de indio para

mejorar la conducción de calor.

El cálculo de la resistencia total se reduce a un simple cálculo de

resistencias en serie, por lo que su valor final será la suma de todas las

resistencias en serie del esquema que se estén considerando. El resultado

del cálculo se muestra en la Tabla 23 que se presenta a continuación.

Resitencias Térmicas Nº Rtot Valor Unidades 1 sin Rt, sold 0,692 K/W 2 Sin Rt, c 0,692 K/W 3 Con Rt, c sin indio 0,693 K/W 4 Con Rt, c con indio 0,692 K/W Tabla 23. Resultados de la resistencia térmica total.

Del análisis de dichos resultados se observa que la variación de los

mismos, teniendo en cuenta o no las resistencias térmicas de contacto, son

despreciables. Por ello, en principio no se valora la posibilidad de realizar

una segunda fase de simulaciones incluyendo dicha información. Lo que sí


176

se ha realizado es una única simulación recogiendo dicha información para

contrastar el comportamiento del modelo.

En la tabla que se expone a continuación se recogen los valores de

las diferencias de temperatura obtenidas como resultado de la simulación, la

resistencia térmica de la simulación del componente, y los resultados de los

cálculos analíticos. A modo de curiosidad, se ha incluido el cálculo de las

diferencias de temperaturas que se deberían obtener en caso de utilizar las

resistencias térmicas de contacto y de soldadura.

Calculado Simulaciones Simple Completa Potencia a disipar

(W) ∆T Rtot. (K/W)

Rtot (K/W) ∆T Rtot

(K/W) ∆T

4 2,46 2,77 2,77 5 3,09 3,46 3,46 6 3,70 4,15 4,16 7 4,31 4,85 4,85 8 4,94 5,54 5,54 10 6,17 6,92 6,93 12 7,40 8,31 8,31 14 8,63 9,69 9,70 16 9,86 11,08 11,0918 11,10

0,62 0,692

12,46

0,693

12,47Tabla 24. Resultados de temperatura y resistencia térmica.

De la tabla se desprende la casi inexistente variación producida por

los efectos de las resistencias de contacto y la de soldadura. Se ve

claramente que la variación por el efecto de los contactos entre es

totalmente despreciable.


177

Diferencia de Tª

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20


ΔTª

DTª TeóricaDTª Simulaciones

Figura 69. Comparativa de ∆T.

5.4.2.2 Estático

Los resultados obtenidos en esta segunda parte con los inputs de la

distribución de temperaturas son los que se muestran en la Figura 70.

Figura 70. Distribución de tensiones por gradiente térmico.


178

En la tabla que se presenta a continuación se recogen los valores

máximos de tensión de Von Misses localizados en la unión por brazing del

aislador, como consecuencia de la existencia de una diferencia de

temperaturas.

Solicitaciones térmicas (MPa) Casos U-D D-U 1 165,88 158,49 2 168,48 160,23 3 171,08 161,97 4 173,67 163,71 5 176,27 165,46 6 181,47 168,94 7 186,67 172,43 8 191,88 175,93 9 197,08 179,42 10 202,28 182,92

Tabla 25. Tensiones en los puntos críticos.

Donde:

• La columna U-D recoge las tensiones máximas en la unión superior

del aislador del modelo.

• La columna D-U recoge las tensiones máximas en la unión inferior

del aislador del modelo.

Y en la gráfica se muestra la variación de las tensiones en función de

la potencia calorífica a disipar por el aislador.


179

Tensión de Von Misses

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20


Tens

ión

(MPa

)

U-DD-U

Figura 71. Tensión en función de la potencia calorífica.

Cálculos analíticos

Se ha realizado unos cálculos analíticos para obtener las tensiones

que aparecen en la superficie de unión entre el cobre y la alúmina, es decir,

las tensiones que soportará la unión de soldadura brazing.

Sabemos que las deformaciones para un cilindro son ¡Error! No se

encuentra el origen de la referencia. [Ref. 28]:

( )[ ]

( )[ ]

( )[ ] TsE

TsE

TsE

rr

zz

Δ⋅+⋅−⋅+⋅=

Δ⋅+⋅−⋅+⋅=

Δ⋅+⋅−⋅+⋅=

αμσμε

αμσμε

αμσμε

θθ 11

11

11


180

Donde:

θσσσ ++= rzs

Y el incremento de temperatura es con respecto a la temperatura

ambiente, condiciones a las que no existe ninguna deformación:

KT 43=Δ

Para la resolución del problema debemos conocer las condiciones

particulares de contorno. En nuestro caso sabemos que el modelo tiene

libertad de deformación en la dirección del eje de revolución del aislador, el

eje Z. Esto significa que no existirá tensión alguna en dicha dirección, por lo

que podemos afirmar que:

0=zσ

Las otras condiciones de contorno se obtienen a partir del concepto

de soldadura de ambos materiales. Al estar soldada sus deformaciones en la

dirección radial y en dirección θ deben ser las mismas. Es decir:

'rr εε =

'θθ εε =


181

Donde

- εx ≡ deformación unitaria del cobre;

- εx’ ≡ deformación unitaria de la alúmina.

Con estas tres hipótesis de trabajo y las ecuaciones de deformación

obtendremos los valores de las tensiones que aparecen como consecuencia

del gradiente de temperaturas.

De la primera condición obtenemos que:

( )θσσμαε +⋅−Δ⋅= rz ET

y

θσσ += rs

Sustituyendo esta última expresión en las dos últimas ecuaciones de

deformación tenemos que:

( )

( ) TE

TE

r

rr

Δ⋅+⋅−⋅=

Δ⋅+⋅−⋅=

ασμσε

ασμσε

θθ

θ

1

1

Igualando estas ecuaciones de deformación de cada uno de los

materiales, tal y como indicamos en las otras dos hipótesis de trabajo,

resulta:


182

( ) ( )

( ) ( ) TE

TE

TE

TE

rr

rr

Δ⋅+⋅−⋅=Δ⋅+⋅−⋅

Δ⋅+⋅−⋅=Δ⋅+⋅−⋅

'''

11

'''

11

ασμσασμσ

ασμσασμσ

θθ

θθ

Desarrollándolas un poco más y ordenándolas, resulta:

( )

( ) TEEEE

TEEEE

r

r

Δ⋅−=⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

Δ⋅−=⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

αασμμσ

αασμμσ

θ

θ

'''

'11

'''

'11

Utilizando constantes arbitrarias para reducir y hacer más cómoda las

expresiones:

( ) TCEE

B

EEA

Δ⋅−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

αα

μμ

''''

11

Estas quedan:

CBACBA

r

r

=⋅−⋅=⋅−⋅

σσσσ

θ

θ

Donde se ve claramente que ambas tensiones deben ser iguales para

poder cumplir las dos condiciones de deformación:

BAC

r −== θσσ


183

Si los datos de los materiales son los siguientes:

Material Propiedad Valor Unidades Módulo de Elasticidad 1,1·1011 N/m2

Módulo de Poisson 0,37 - Cobre Cte de dilatación Térmica 1,6·10-5 K-1

Módulo de Elasticidad 3,4·1011 N/m2

Módulo de Poisson 0,22 - Alúmina 97,6% Cte de dilatación Térmica 6,9·10-6 K-1

Tabla 26. Tabla con las propiedades mecánicas de los materiales.

Las constantes quedan como:

4

212

212

104

1072,2

1015,6

−

−

−

⋅−=

⋅=

⋅=

CN

mB

NmA

Con lo que las tensiones tienen un valor de:

MPar 65,109=σ

En la Figura 72 se muestra el gráfico de distribución de

desplazamiento originado por la expansión térmica de los materiales.


184

Figura 72. Distribución de desplazamientos del modelo.

Y en la Figura 73 se muestra la deformación que sufre el del modelo

bajo las condiciones de simulación con una escala de 1:50.

Figura 73. Deformación del modelo.


185

5.5 Mecánico

En este apartado se intentarán recrear las condiciones de tensiones a

las que se va a ver sometido el aislador a lo largo de la duración de la

misión. Para ello se partirá de un modelo de la Isolation Box simplificado con

el centro de gravedad y el peso total del módulo.

En este caso de análisis mecánico se ha decidido trabajar con dos

modelos, uno simplificado que representará la estructura de la Isolation Box

con la distribución de los aisladores según la línea de trabajo última. De este

primer modelo, o primera fase de cálculo, se obtendrán las reacciones en los

puntos de anclaje de los aisladores, con las que se trabajarán en la segunda

parte con el segundo modelo. Este segundo modelo es única y

exclusivamente el aislador, al que se le han ejercido las fuerzas de reacción

del caso más desfavorable que se obtiene de la primera simulación.

El esquema de trabajo para las simulaciones se presenta a

continuación:

BC Cargas Mesh


Resultados Estudio Reacciones

BC Cargas Mesh


Resultados Estudio Aislador

Documentación


186



El modelo de trabajo para la primera fase de cálculo se ha

desarrollado en COSMOS, en el que se han modelado los aisladores como

vigas y una simplificación del módulo de alta tensón con una estimación del

peso final del mismo, 3,5kg. En las siguientes figuras se muestra, el modelo

mallado.

Figura 74. Modelo mallado de COSMOS.

El modelo para el aislador es el mismo que con el que se ha estado

trabajando en las simulaciones anteriores.


187

Figura 75. Modelo del aislador.


En el primer estudio se van a obtener las reacciones esperables en

los aisladores como consecuencia de la gran aceleración que deberán

soportar en el momento de la ascensión. El equipo estará sometido a una

aceleración de 20g, con lo que la fuerza del peso del equipo de la

IsolationBox será alrededor de los 686,9N. Para la simulación de las

reacciones se supondrá la localización del COG (Center of Gravity) en el

centro del módulo de alta tensión.

En el segundo de los estudios vamos a someter al aislador a las

fuerzas de reacción que aparecerían durante el lanzamiento, con el objetivo

de obtener las tensiones que aparecen en el aislador. Con los valores de las

tensiones comprobaremos la validez de dicho componente como soporte

estructural.


188

5.5.1.3 Mallado

Los datos de la malla utilizada para el aislador es la que se presenta

en la Tabla 27:


Tabla 27. Detalles del mallado del estudio mecánico.

Se ha utilizado también un control de malla para realizar un mallado

más fino en la zona de unión. El tamaño establecido del elemento en esta

zona es de 0,5mm, con un ratio de 1,25 y con 5 planos para la transición de

malla. En la Figura 76 se muestra dónde ha sido aplicado el control de malla.

Figura 76. Control de mallado.


189

El resultado de la malla creada se presenta en la Figura 77.:

Figura 77. Mallado del modela del aislador.


Primer Estudio

Para el primero de los estudios se han establecido las condiciones de

fijación en los puntos finales de las vigas, donde se ha establecido una

restricción total del movimiento: vigas empotradas.

En cuanto a los estados de carga definidos, se ha trabajado con un

total de tres. Uno por eje de aplicación de la fuerza, y la fuerza definida ha

sido de 1g. Partiendo de la base de que se va a trabajar en la zona lineal del

material, luego multiplicaremos los resultados obtenidos por los g’s que

están previstos.


190

Segundo Estudio

Para el modelo del aislador, se establecen las siguientes condiciones

de contorno:

• Condiciones de desplazamiento: restricción total en los tres ejes,

como se muestra en la figura

Figura 78. Restricciones de desplazamiento

• Condiciones de Carga

Se definirá un único estado de carga con fuerzas en los tres ejes

cuyas magnitudes quedarán definidas por los resultados obtenidos en el

primer estudio. Estas magnitudes podrán variar en función de los resultados

que se obtengan, es decir, ejecutaremos tantas simulaciones como casos

desfavorables identifiquemos en los resultados.


191

La Figura 79 se recoge la imagen del estado de carga definido.

Figura 79. Condiciones de carga.

Los valores de las cargas aplicadas saldrán del primero de los

estudios.


192

5.5.2 Resultados

Primer Estudio

Los resultados del primer análisis en el que se obtienen las

reacciones máximas son:

Figura 80. Distribución de tensiones en el modelo de COSMOS.

Figura 81. Vista en detalle de la zona con máximas tensiones.


193

Los valores de las reacciones en los nodos que presentan las vigas

son:

Load case 1,00 X Node RFX RFY RFZ RFRES 32714 -6,37 3,76 -7,60 10,61 32715 -1,49 -0,03 7,06 7,22 32717 -6,63 0,85 10,80 12,70 32720 -0,51 1,09 -8,29 8,37 32726 -1,26 7,71 -0,11 7,82 32729 -1,68 -9,62 0,88 9,80 32732 -10,07 -3,49 -8,57 13,68 32735 -7,76 -0,28 5,82 9,71

Load case 2,00 Y Node RFX RFY RFZ RFRES 32714 0,00 -2,19 0,86 2,35 32715 0,30 -1,02 3,16 3,33 32717 -0,11 -3,02 2,10 3,68 32720 0,30 -1,17 2,22 2,53 32726 0,30 -6,58 -0,29 6,59 32729 -0,94 -8,79 -0,44 8,85 32732 -0,97 -5,59 -2,48 6,19 32735 1,12 -7,41 -5,13 9,08

Load case 3,00 Z Node RFX RFY RFZ RFRES 32714 0,33 -1,48 -3,06 3,42 32715 -0,02 -0,19 -5,23 5,24 32717 -0,57 -3,27 -4,92 5,93 32720 -0,19 -0,11 -3,85 3,85 32726 0,03 -0,06 -1,13 1,13 32729 0,33 2,27 -1,51 2,75 32732 -0,77 2,61 -6,94 7,45 32735 0,86 0,22 -9,14 9,18

Tabla 28. Resultado de reacciones.

*Unidades de fuerza en Newton (N)


194

Donde se han marcado los dos estados más desfavorables, es decir

que presentan fuerzas de reacción más elevadas. Con lo que se realizarán

simulaciones en la segunda etapa de este estudio con estos dos estados,

aunque primero vamos a obtener los valores reales a aplicar.

Para ello, partiendo de la base que la fuerza de aceleración en el

lanzamiento es de alrededor 20g. Si añadimos las vibraciones, random

14,5rsm, el valor equivalente será de 60g de aceleración. Por lo que los

estados de fuerza anteriores implican unas cargas totales de:

Carga de Aplicación Caso x y z

1 -397,92 51,28 648,00 2 -604,20 -209,64 -514,14

Tabla 29. Cargas de aplicación

En la figura que se muestra a continuación se representan los

desplazamientos que sufriría el módulo

Figura 82. Distribución de desplazamientos en el modelo de COSMOS.


195

Segundo Estudio

Antes de aplicar las cargas debemos obtener la relación de los ejes

entre ambos modelos, que es la siguiente:

Relación de Ejes Caso GeoStar COSMOS Design STAR

X X Y Y 1 Z Z X Z Y X 2 Z Y

Tabla 30. Relación entre ejes de los modelos.

Identificados los ejes se pasa a definir correctamente en el modelo los

estados de carga a aplicar. Quedando los casos de carga como siguen:

Carga de Aplicación (N) Casos x y z

1 -397,92 51,28 648,00 2 -604,2 -514,14 -209,64 3 660 660,00 660,00

Tabla 31. Casos de carga para la 2ª Etapa

Donde se ha añadido otro caso de carga. Para este caso se ha

recogido la reacción máxima obtenida en una de las direcciones con 1g,

10N, y se ha impuesto el mismo valor para los tres ejes. Como se ha dicho

que se verá cometido a 60g, las componentes totales quedan como se

refleja en la tabla.

Los resultados de tensiones máximas obtenidas son:


196

Von Misses (MPa) Caso Max Unión

1 39,80 18,35 2 43,80 20,15 3 54,47 26,38

Tabla 32. Tensiones máximas.

Donde la primera columna recoge la tensión máxima de sufriría el

aislador, que se puede, como se puede ver en las figuras que a continuación

se muestran, se localizan en la base del aislador. La segunda de las

columnas recoge la tensión máxima localizada en la unión de soldadura.

Figura 83. Estado de tensiones del caso 1.



197


En la Figura 86 se muestra gráficamente la distribución de

desplazamientos que sufriría el modelo. Siendo la máxima esperable de

6,39·10-3mmn para el caso 3.

Figura 86. Desplazamientos del modelo

Capítulo 6 Plan de Pruebas

198

6. Plan de Pruebas


199

Por último, queda desarrollar un plan de pruebas para la evaluación

del aislador como soporte estructural y como conductor térmico. Dicho plan

de pruebas recogerá tanto pruebas mecánicas destructivas para la

caracterización del componente como los ensayos de validación eléctricos

para su aplicación en el espacio.


200

El objetivo de este plan de pruebas es doble. Por un lado, realizar

ensayos eléctricos de alta tensión impuestos por los requisitos para

componentes de alta tensión utilizados en el espacio, junto con los criterios

de aceptación. Por otro lado, caracterizar el componente estudiado y validar

el modelo de simulación.

Teniendo en mente este doble objetivo, se ha planificado un plan de

pruebas que constará de ensayos no destructivos en su fase inicial, y de

ensayos destructivos en su fase final.

Durante el desarrollo de las pruebas, concretamente durante las

pruebas eléctricas de alta tensión, se deben establecer una serie de

requisitos de manipulación y limpieza para que las medidas obtenidas sean

fiables. Resulta especialmente importante definir dichos procesos y

cumplirlos, ya que en alta tensión la contaminación ejerce unos efectos

desastrosos, como se ha comentado en el capítulo 2 del presente

documento.

Dicho esto, en el primer punto de este capítulo se describen cuáles

deben ser las condiciones de manipulación, limpieza, y la serialización que a

llevar a cabo para tener controladas las muestras e identificar los resultados

de cada una de ellas.

Definidas las condiciones se pasará a describir el plan de pruebas

elaborado.


201

6.1 Preparación y Manipulación de las Muestras

Previo a la descripción de las pruebas que se van a ejecutar, se

comentan los principales pasos a desarrollar de cara a la preparación de las

muestras, como son la limpieza, manipulación y serialización de las mismas.

6.1.1 Limpieza

La limpieza en alta tensión resulta ser un factor especialmente crítico,

hasta el punto de que una simple huella resulta ser un camino para la

evolución de descargas parciales superficiales, o la simple presencia de una

partícula contaminante que provoque una concentración de campo puede

terminar deteriorando el material dieléctrico. Por todo esto, es necesaria una

rigurosa limpieza y manipulación. Para ello se deberá limpiar de forma

exhaustiva cada una de las muestras por separado, según el procedimiento

que se procede a comentar.

La limpieza se realizará por inmersión y frotado con brocha en un

recipiente con alcohol isopropílico, con aclarado en alcohol limpio y secado

con servilletas de papel libre de partículas.

El material requerido es:

- Alcohol isopropílico de la mejor calidad comercial (99% de

pureza).

- DOWANOL PX16S (alcohol limpio).

- Bandejas de acero inoxidable.


202

- Brochas y pinceles de pelo sintético o natural de dureza

media.

- Instalación de aire comprimido.

- Servilletas de papel libre de partículas.

Para una correcta monitorización se realizarán dos verificaciones:

• Medición, con contaminómetro, de la ausencia de residuos

ionizables. La medición debe ser inferior a 1.56μg / cm2 equivalente

NaCl.

• Inspección visual de la ausencia de trazas de grasa, manchas,

huellas dactilares, polvo, etc.

Finalizado el proceso de limpieza de las muestras, se procederá a su

empaquetado en bolsas de plástico selladas para evitar la contaminación de

las mismas. Dichas bolsas deberán estar correctamente identificadas según

lo estipulado en el apartado de serialización, y la manipulación de las

muestras según lo establecido en el apartado de manipulación.

Las muestras deberán someterse al proceso de limpieza siempre que

se vaya a iniciar una fase de pruebas eléctricas.


203

6.1.2 Manipulación

Las muestras deberán manipularse en todo momento con guantes de

látex y, siempre que resulte posible, por las superficies planas superior e

inferior del cilindro de cobre del aislador, para evitar la deposición de

elementos contaminantes que puedan falsear las medidas de los ensayos.

En todo momento, las muestras deben estar contenidas en sus

respectivas bolsas selladas y correctamente identificadas, salvo cuando se

esté realizando alguna prueba. En este caso, sólo se manipulará la muestra

a ensayar, quedando el resto almacenadas en sus respectivas bolsas

selladas e identificadas.

Nunca se deberá tener más de una muestra fuera de su bolsa para

evitar posibles confusiones y pérdida de seguimiento de los ensayos.

6.1.3 Serialización

Se dispondrá de un total de diez muestras para la realización de los

ensayos. En la descripción de los mismos se especificará cuantas muestras

serán necesarias en dicho test.

Las muestras se deberán identificar estableciendo el siguiente código

de identificación:

S/N: XXX


204

Resulta que algunas de las muestras ya han sido manipuladas y

testeadas, por lo que será necesario tenerlas identificadas en todo momento

para poder comprobar los resultados finales. Para ellos se han reservado las

siguientes posiciones para dichos aisladores, utilizados en la construcción de

la maqueta que ya ha estado sometida a ensayos de descargas parciales:

- 001: aislador de la esquina superior izquierda:

- 002: aislador de la esquina superior derecha;

- 003: aislador de la esquina inferior izquierda;

- 004: aislador de la esquina inferior derecha.

En la Figura 87 se muestra la identificación de los aisladores

anteriormente mencionados.

Figura 87. Maqueta ensayos de módulo.

Cada una de las muestras se almacenará por separado dentro de

unas bolsas de plástico selladas para mantenerlas libres de la contaminación

004

002

003

001


205

exterior. Dichas bolsas llevarán marcadas el serial number (S/N) de la

muestra que le corresponde, tal y como se muestra en la Figura 88.

Figura 88. Serialización de bolsa contenedora.

El motivo por el cual no se deben marcar las muestras es mencionado

en ocasiones anteriores, esto es, el de evitar la contaminación que el posible

marcador o adhesivo de etiqueta pueda dejar en la superficie. Dicha

contaminación puede falsear las mediciones en los ensayos eléctricos de

descargas parciales.

Existe un claro riesgo de equivocación en el almacenamiento de las

muestras durante los ensayos o el proceso de limpieza al no estar

identificadas, por lo que durante su realización, sólo se podrá tener fuera de

la bolsa la muestra que esté siendo objeto de ensayo o limpieza. El resto

deberán estar en su bolsa correspondiente.

Se permitirá un marcado diferente para los ensayos térmicos y

mecánicos ya que la contaminación de las muestras no resulta importante,

siempre y cuando el nuevo método no permita errores de identificación.


206

Igualmente se permitirá una relajación en las condiciones de

manipulación de las muestras en los ensayos térmicos y mecánicos al no ser

especialmente importante la contaminación en estos casos.


207

6.2 Pruebas

Comentadas las condiciones de manipulación, limpieza, y marcado de

las muestras objeto de ensayo, se pasa a describir el plan de pruebas

elaborado para los aisladores.

En el diagrama de flujo que se muestra a continuación, se detalla

tanto el flujo de trabajo como los ensayos requeridos en este plan de

pruebas. Con el fin de evitar posibles confusiones, se establece el orden

temporal de las actividades a realizar, así como el momento en que debe

realizarse una limpieza de la muestra según lo mencionado en la sección

anterior.

Asimismo, se procede a describir cada uno de los ensayos a realizar,

desde el objetivo del ensayo hasta las condiciones en las que se deben

desarrollar, valores de ensayo, set up de pruebas y criterios de aceptación,

donde se requiera.


208

Si

Eléctricas

Térmicas

Eléctricas*

Vida

Documentación

Limpieza

Inspección de entrada

¿Defectos? Devolución

Serialización

Limpieza

No

Mecánicas

6 muestras

4 muestras

Eléctricas*

*Después del ensayo de térmico se realizará únicamente un ensayo de descargas parciales para comprobar si existe deterioro del componente.


209

6.2.1 Pruebas Eléctricas

El 100% de los aisladores serán sometidos a estas pruebas en el

inicio de la campaña de validación. Más tarde, se realizará el test de

descargas parciales a las cuatro muestras que salgan del test térmico. En

caso de duda, se acudirá al diagrama de flujo de pruebas donde se indica el

orden a seguir.

El orden de ejecución de las pruebas eléctricas es el que se muestra

a continuación:

El motivo de realizar otro ensayo de descargas parciales después del

ensayo de ruptura del dieléctrico es el de verificar que el aislador no ha

sufrido ningún deterioro por las tensiones aplicadas.

Medida Resistencia

Descargas Parciales

Ruptura del dieléctrico

Descargas Parciales


210

Setup de pruebas

El set up de pruebas es el mismo para cada una de las pruebas

eléctricas a realizar. La recoge el concepto del set up de pruebas a

desarrollar, así como los materiales necesarios para su montaje.

Figura 89. Croquis de preparación de la muestra a ensayar.

Componentes:

Nº Elemento Descripción Par

Apriete Cant.

1 TORNILLO CILINDRICO M3x6 DIN84 - AISI304 PASIVADO 0.45Nm 2

2 ARANDELA 3,2 DIN433 - AISI304 PASIVADO - 2 3 TERMINAL DE SOLDAR M3 - 2 4 CABLE - 2

Tabla 33. Listado de piezas para el setup del ensayo de PD

6.2.1.1 Resistencia Eléctrica

Se aplicará una tensión DC de 50÷100 V a ambos extremos del

aislador, utilizando el mismo set up mostrado en líneas anteriores. A

continuación, se recogerá la intensidad que lo atraviesa y por la ley de Ohm

se obtendrá la resistencia del aislador.

1

3

4

2


211

6.2.1.2 Descargas Parciales

La finalidad de este tipo de pruebas es la de evaluar la calidad del

componente, detectando tanto la presencia de algún tipo de defecto de

fabricación, manipulación o deterioro en la unión de soldadura o en el

dieléctrico, como la durabilidad del componente.

Los ensayos de descargas parciales se realizarán a presión y

temperatura ambiente, dejando registro en todo momento de las condiciones

en las que se desarrollan.

El ensayo se subdivide en dos subensayos:

• En primer lugar se medirán las descargas parciales superiores a

5pC que se produzcan a lo largo de 10 minutos de ensayo

aplicando una tensión AC cuyo valor pico debe ser 1.3 veces el

valor máximo nominal de funcionamiento (Vnom=1800V).

• En la segunda parte se medirá la tensión de inicio de corona (CIV,

Corona Inception Voltage). Esta tensión está definida como la

tensión a la que se producen 1000 descargas parciales con valor

superior a 10pC a lo largo de 10 minutos de ensayo. Por ello, se irá

aumentando la tensión, partiendo de la anterior, hasta alcanzar el

CIV.

Los criterios de aceptación para las pruebas a realizar son:


212

• En la primera prueba no se debe producir ninguna descarga parcial

por encima de los 5pC en los 10 minutos de duración de la prueba.

• En la segunda parte del test, la tensión obtenida no debe ser

inferior a 1.5 veces la tensión máxima nominal (Vnom=1800V).

nomVCIV ⋅> 5.1

6.2.1.3 Ruptura del Dieléctrico

Con este test se busca verificar que el aislador posee una tensión de

ruptura superior a la tensión a la cual va a estar trabajando, mas un

porcentaje de seguridad.

Las condiciones del ensayo son a presión y temperatura ambiente y

deberán quedar registradas.

La tensión a aplicar al espécimen en cuestión será del 167% la

tensión máxima que el componente va a soportar en condiciones nominales

de funcionamiento, que en este caso será de 1,8kV en DC. En caso de

aplicar tensión AC, se utilizaría la tensión de pico de 1,8kV. La tensión se

aplicará durante un tiempo de un minuto.

El espécimen no debe sufrir variación y para ello se medirá la

corriente de paso entre ambos extremos del aislador. De producirse una

variación en la corriente, significaría una ruptura del dieléctrico y por lo tanto

su descalificación.


213

6.2.2 Térmicas

La finalidad de este ensayo es obtener la conductividad térmica del

aislador para verificar con el modelo la capacidad del aislador de conducir

calor al exterior.

Este test se realizará sobre cuatro de las diez muestras, tal y como se

indica en el diagrama de flujo de pruebas. Se realizarán dos tipos de

pruebas, ambas idénticas en cuanto a procedimiento, diferenciándose un

único componente del set up. Existirá un set up común para ambas que se

describe a continuación.

Para la primera de las pruebas, que se realizará únicamente a dos de

las muestras, se montará el set up general y se ejecutará el test según lo

establecido en líneas posteriores.

Para la segunda de las pruebas, que se realizará a otras dos de las

muestras, se introducirá un nuevo material en el set up para comprobar su

influencia. Esta variación consistirá en la utilización de láminas de indio entre

las estructuras del aluminio y el aislador. El objetivo es el de estudiar la

posible mejora de la conductividad térmica.

Se deberá tomar nota del tipo de ensayo realizado sobre cada una de

las muestra para poder identificar posibles desviaciones en los resultados.

De obtener resultados positivos en esta segunda prueba, se

estudiaría su introducción en el diseño final, ya que no sólo mejoraría la


214

resistencia térmica de contacto, sino que además serviría para absorber las

posibles tolerancias de montaje que puedan aparecer.

Set up de Pruebas

El set up genérico para el ensayo térmico es el correspondiente a la

Figura 90.

Figura 90. Croquis del setup de pruebas térmicas.

• La carga térmica que se utilizará será variable entre 5÷50W con el

objeto de poder realizar un barrido potencias durante el ensayo.

Los puntos de medición son: 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 18 y 20W.

• Se posicionarán diferentes sensores de temperatura en cada

extremo del aislador para obtener una temperatura media.

• Con la potencia aplicada y la ΔTª obtenemos la disipación del

componente.

Manta térmica

Placa negra

Resistencia Térmica Soporte para la resistencia

Zona de sensores de Tª


215

• Se utilizará una manta térmica para garantizar al máximo la

conducción del calor generado a través del componente de ensayo.

• Antes de cada toma de datos se deberá esperar a la estabilización

de las temperaturas.

Como se ha comentado, en función de los resultados obtenidos en

las dos pruebas se decidirá si se utilizarán las láminas de indio o no.


216

6.2.3 Mecánicas

Los ensayos mecánicos se realizarán a seis de las muestras

disponibles que se separarán después de la realización de los ensayos

eléctricos. De estas seis muestras, tres serán para el ensayo de tracción y

las otras tres para el ensayo de flexión.

No obstante, antes de la realización de los ensayos mecánicos se

deberá realizar un ensayo de dureza al cobre a dos de las muestras para

definir el par de apriete a utilizar en el montaje del set up.

6.2.3.1 Dureza

Se define como la propiedad de la capa superficial de un material de

resistir la deformación elástica, plástica y rotura, en presencia de esfuerzos

de contacto locales inferidos por otro cuerpo más duro, el cual no sufre

deformaciones residuales (penetrador), de determinada forma y

dimensiones.

En metalurgia, la dureza se mide utilizando un durómetro para el

ensayo de penetración. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango

de cargas aplicadas, existen diferentes escalas adecuadas para distintos

rangos de dureza.

El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la

correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un


217

método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo

que su uso está muy extendido.

Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación

de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de

acero templado que era el material más duro que se usaba en los talleres.

Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes:

Figura 91. Durómetro

• Dureza Brinell

Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de W.

Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con

chapas de menos de 6mm de espesor. Estima resistencia a tracción.


218

• Dureza Knoop

Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la

profundidad de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con

una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar.

• Dureza Rockwell

Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de

acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición

directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un

ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.

• Rockwell superficial

Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la

caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas

de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento

superficial.

• Dureza Rosiwal

Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia

a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el

corindón con un valor de 1000.


219

• Dureza Shore:

Emplea un escleroscopio. Se deja caer el penetrador en la superficie

del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias

escalas. A mayor rebote nos encontraremos con mayor dureza. Aplicable

para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración

como los demás.

• Dureza Vickers:

Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide

cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los

de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de

dureza con chapas de hasta 2mm de espesor.

• Dureza Webster

Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas

de difícil manejo como perfiles largos extruidos. El valor obtenido se suele

convertir a valores Rockwell.

El ensayo que se va a solicitar para determinar la dureza del cobre

será el ensayo de Dureza Vickers

Durante las mediciones estandarizadas de dureza Vickers se hace

penetrar un penetrador de diamante en forma de pirámide de cuatro caras

(ver Figura 92) con una ángulo determinado en el vértice. La utilización de


220

una pirámide de diamante tiene las siguientes ventajas: las improntas

resultan bien perfiladas, cómodas para la medición; la forma de las

improntas es geométricamente semejante, por lo cual la dureza para un

mismo material es constante, independientemente de la magnitud de la

carga; la dureza con la pirámide coincide con la dureza Brinell para los

materiales de dureza media; este método es aplicable con igual éxito para

los materiales blandos y duros, y sobre todo para los ensayos de probetas

delgadas y las capas superficiales.

Figura 92. Indentador piramidal Vickers

Figura 93. Impronta piramidal de dureza Vickers


221

Los números HV y HB son cercanos en su valor absoluto debido a la

igualdad del ángulo del vértice de la pirámide al ángulo entre las tangentes a

la bola para el caso de una huella “ideal” cuando d = 0,375 D. Esta

consideración sirve de base para determinar el valor del ángulo del vértice

de la pirámide estándar α = 136°.

El estándar ASTM E 92-72 define la dureza Vickers como un método

de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada,

se fuerza un penetrador piramidal de base cuadrada que tiene un ángulo

entre caras específico, bajo una carga predeterminada, contra la superficie

del material a ser ensayado y se mide la diagonal resultante de la impresión

tras remover la carga.

Figura 94. Sobre el ensayo de Vicerks (tomado del estándar ASTM E-92)

El sentido físico del número de dureza Vickers es análogo a HB. La

magnitud de HV es también un esfuerzo convencional medio en la zona de

contacto del penetrador, que muestra y suele caracterizar la resistencia del

material a la deformación plástica considerable. Con base en esto:


222

2222

2sen2d

Psen

dP

APHV

α

α

===

Donde d es la media aritmética de las diagonales d1 y d2.

Para la conversión a MPa basta con multiplicar el valor obtenido de

dureza Vickers por 9.807.

6.2.3.2 Tracción

Definición

El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una

probeta normalizada realizada con dicho material a un esfuerzo axial de

tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. En un

ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los

materiales elásticos:

• Módulo de elasticidad o Módulo de Young, que cuantifica la

proporcionalidad anterior.

• Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razón entre el

alargamiento longitudinal y el acortamiento de las longitudes

transversales a la dirección de la fuerza.

• Límite de proporcionalidad es el valor de la tensión por debajo del

cual el alargamiento es proporcional a la carga aplicada.


223

• Límite de fluencia: valor de la tensión que soporta la probeta en el

momento de producirse el fenómeno de la fluencia. Este fenómeno

tiene lugar en la zona de transición entre las deformaciones

elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la

deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.

• Límite elástico (límite elástico convencional o práctico): valor de la

tensión a la que se produce un alargamiento prefijado de antemano

(0,2%, 0,1%, etc.) en función del extensómetro empleado.

• Carga de rotura: carga máxima resistida por la probeta dividida por

la sección inicial de la probeta.

• Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la

probeta. Se mide entre dos puntos cuya posición está normalizada

y se expresa en tanto por ciento.

• Estricción: es la reducción de la sección que se produce en la zona

de la rotura.

Normalmente, el límite de proporcionalidad no suele determinarse ya

que carece de interés para los cálculos. Tampoco se calcula el Módulo de

Young, ya que éste es característico del material; así, todos los aceros

tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser

muy diferentes.


224

Curva tensión-deformación

Figura 95. Curva tensión-deformación.

En el ensayo se mide la deformación (alargamiento) de la probeta

entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga

aplicada, y se representa gráficamente en función de la tensión (carga

aplicada dividida por la sección de la probeta). En general, la curva tensión-

deformación así obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:

• Deformaciones elásticas: en esta zona las deformaciones se

reparten a lo largo de la probeta, son de pequeña magnitud y, si se

retirara la carga aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial. El

coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y la deformación se

denomina módulo de elasticidad o de Young y es característico del

material. Así, todos los aceros tienen el mismo módulo de

elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes. La

tensión más elevada que se alcanza en esta región se denomina


225

límite de fluencia y es el que marca la aparición de este fenómeno.

Pueden existir dos zonas de deformación elástica, la primera recta

y la segunda curva, siendo el límite de proporcionalidad el valor de

la tensión que marca la transición entre ambas. Generalmente, este

último valor carece de interés práctico y se define entonces un

límite elástico (convencional o práctico) como aquél para el que se

produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.).

Se obtiene trazando una recta paralela al tramo proporcional (recto)

con una deformación inicial igual a la convencional.

• Fluencia. Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de

la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las

impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones

de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo

mediante el cual el material se deforma plásticamente. Alcanzado

el límite de fluencia se logra liberar las dislocaciones

produciéndose la deformación bruscamente. La deformación en

este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la

probeta pero concentrándose en las zonas en las que se ha

logrado liberar las dislocaciones (bandas de Luders). No todos los

materiales presentan este fenómeno, en cuyo caso la transición

entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia

de forma clara.

• Deformaciones plásticas: si se retira la carga aplicada en dicha

zona, la probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando


226

deformada permanentemente. Las deformaciones en esta región

son más acusadas que en la zona elástica.

• Estricción. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se

concentran en la parte central de la probeta apreciándose una

acusada reducción de la sección de la probeta, momento a partir

del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la

rotura de la probeta por ese zona. La estricción es la responsable

del descenso de la curva tensión-deformación; realmente las

tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se

representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la

sección inicial y cuando se produce la estricción la sección

disminuye, efecto que no se tiene en cuenta en la representación

gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción ni

deformaciones plásticas significativas, rompiéndose la probeta de

forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de

rotura, carga última o resistencia a la tracción: la máxima resistida

por la probeta dividida por su sección inicial, el alargamiento en (%)

y la estricción en la zona de la rotura.

Otras propiedades que pueden caracterizarse mediante el ensayo de

tracción son la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, la

energía elástica y total absorbida, y que vienen representadas por el área

comprendida bajo la curva tensión-deformación hasta el límite elástico en el

primer caso y hasta la rotura en el segundo.


227

Ensayo del aislador

Se realizará un ensayo de tracción para la caracterización del

componente del que se obtendrá la gráfica tensión-deformación, así como el

punto y tipo de rotura. De la gráfica se obtendrá la información sobre el

soporte de la carga obtenida en las simulaciones.

El ensayo de tracción se realizará sobre tres de las muestras

disponibles, quedando registradas aquéllas sometidas a dicho ensayo. En la

Figura 96 se muestra la disposición de la muestra en la máquina de tracción.

Figura 96. Boceto del ensayo de tracción

El setup de las muestras es el que se ve en la Figura 97.

Mordazas de la máquina de tracción


228

Figura 97. Croquis del setup del ensayo de tracción.

En la tabla siguiente se detallan los elementos necesarios para el

ensamblaje del setup.


Apriete Cant.

1 TORNILLO CILINDRICO M3x30 DIN912 - AISI304 PASIVADO TBD 8

2 ARANDELA 3,2 DIN433 - AISI304 PASIVADO - 8 3 ÚTIL DE TRACCIÓN - 2

Tabla 34. Listado de piezas para el setup de tracción.

Se tomarán fotografías identificando a qué muestra pertenecen para

recoger el tipo de rotura que ha sufrido el aislador.

2

1

3


229

6.2.3.3 Flexión

Objetivo: determinar el comportamiento a flexión de la muestra.

El ensayo de flexión se realizará sobre tres de las muestras

disponibles para las pruebas mecánicas que son un total de 6. En la Figura

98 se muestra la disposición de la muestra en la máquina de tracción.

Figura 98. Croquis ensayo de flexión.


230

El set up de las muestras es el que se ve en la Figura 99.

Figura 99. Croquis montaje de la muestra.


Apriete Cant.

1 TORNILLO CILINDRICO M3x12 DIN912 - AISI304 PASIVADO TBD 8

2 ARANDELA 3,2 DIN433 - AISI304 PASIVADO - 8 3 ÚTIL DE FLEXIÓN - 2

Tabla 35. Listado de piezas para el setup de flexión

Se tomarán fotografías identificando a qué muestra pertenecen para

recoger el tipo de rotura que ha sufrido el aislador.

2

1

3


231

6.2.4 Ensayo de Vida

El ensayo de vida tiene como objetivo evaluar el comportamiento del

componente frente al efecto de los ciclos de encendido y apagado. Se trata

de un ensayo de fatiga eléctrica, ya que se pretende saber cómo se

deteriora el dieléctrico frente a estos ciclos y evaluar su aplicabilidad en una

misión de 15 años de duración.

La prueba a realizar es la siguiente:

• Medir la corriente de fugas

• Aplicar una onda de tensión durante 100.000 ciclos, donde la

característica de la onda es:

- Vtest = 2 ⋅ Vdcmax

- Rise time: 50 ms

- Fall time: 50 ms

- Pulse Width: 50 ms

- Period: 200 ms

- 100000 cycles

VtestDIELECTRIC V

• Repetir la medida de corriente de fugas


232

El criterio de aceptación será el siguiente: la corriente de fugas

después del ciclado no debe superar en más de1% del valor inicial.

Capítulo 7 Conclusiones

233

7. Conclusiones


234

A falta de la realización de los tests establecidos en el plan de

validación, en este capítulo de conclusiones se analizarán los resultados

obtenidos de las simulaciones. Se tratará de comprobar si estos se

encuentran dentro de los márgenes deseados que permitan validar los

aisladores como posible solución de diseño.


235

7.1.1 Campo Eléctrico

De los resultados obtenidos se aprecia que existen varios puntos

críticos que deben ser analizados y contrastados con los criterios de diseño

establecidos en secciones anteriores.

Las zonas que se han considerado más críticas en el diseño y que,

por lo tanto hay que tener en cuenta para la realización de los análisis son:

- Separación entre jaulas (parámetro “a” de variación en los

estudios).

- Separación entre Al2O3 y la jaula a alta tensión (parámetro

“b” de variación en los diferentes estudios).

- Esquina de inferior de la jaula a alta tensión.

- Campo eléctrico en el cordón de soldadura entre alúmina y

cobre.

- Tensión máxima soportada por la alúmina

Fijados los puntos, identificados quizás como los más conflictivos en

el funcionamiento del componente, se procede a analizar los valores de

campo obtenidos.

• Tensión de aplicación: 1800V

En la tabla únicamente se recogen los valores de los casos más

extremos del parámetro “b” ya que, como se puede ver, en los puntos donde

más influencia tiene no aparece como lo más crítico.


236

El componente, como aislador de alta tensión que es, no obtiene

ningún valor que exceda el máximo establecido para su aplicación en el

espacio. El valor máximo obtenido para la alúmina en este caso es de

0,73kV/mm, siendo los límites establecidos para un dieléctrico sólido en

espacio de 2kV en AC y de 6kV en DC (nuestro caso). El problema que se

analiza en los siguientes párrafos es el valor de campo que se da en los

alrededores del mismo, es decir, en lo que será aire/vacío.

Caso (axb) Al – Al (a) Al – Al2O3 (b) Esquina Al Cu – Al2O3

3x3 0,6 0,25 0,65 0,59 3x5 0,6 0,23 0,65 0,59 4x3 0,45 0,25 0,49 0,59 4x5 0,45 0,23 0,49 0,59 5x3 0,34 0,25 0,4 0,59 5x5 0,34 0,23 0,4 0,59

Tabla 36. Valores de campo en las zonas críticas a 1,8kV.

*Valores de campo en kV/mm.

De los valores obtenidos en los estudios con una tensión de

aplicación de 1800V, se puede afirmar que todo está bajo los criterios y

límites de diseño de alta tensión, tanto los valores del aire como los de la

alúmina, no detectándose para este caso de tensión aplicada ningún punto

crítico.

• Tensión de aplicación: 3600V


237

En la tabla sólo se recogen los valores de los casos más extremos del

parámetro “b” ya que como se puede ver, en los puntos donde más

influencia tiene no aparece como lo más crítico.

Resaltar que el componente, como aislador de alta tensión que es, no

obtiene ningún valor que exceda el máximo establecido para su aplicación

en el espacio. El valor máximo obtenido para la alúmina es de 1,85kV/mm,

siendo los límites establecidos para un dieléctrico sólido en espacio de 2kV

en AC y de 6kV en DC. El problema que se analiza en los próximos párrafos

corresponde al valor de campo que se da en los alrededores del mismo.

Caso (axb) Al – Al (a) Al – Al2O3 (b) Esquina Al Cu – Al2O3

3x3 1,0÷1,2 0,56 1,35 1,1 3x5 1,0÷1,2 0,36 1,35 1,1 4x3 0,9÷1,0 0,56 1,0 1,1 4x5 0,9÷1,0 0,36 1,0 1,1 5x3 0,7 0,36 0,8 1,1 5x5 0,7 0,56 0,8 1,1

Tabla 37. Valores de campo en las zonas críticas a 3,6kV.

*Valores de campo en kV/mm.

De los valores obtenidos se deduce que como mínimo se debe

establecer una distancia de 5mm de separación entre las dos jaulas, ya que

en el resto de los casos se sobrepasan los límites y recomendaciones de

diseño establecidos para el aire en 800V/mm.

Otro punto importante y del que no sorprenden los resultados hallados

es el de la esquina de la jaula a alta tensión. Aunque sólo se obtienen


238

valores por debajo de los establecidos en el caso de tener una separación

entre jaulas de 5mm, no resulta ser un problema de difícil solución. Basta en

este caso con redondear las aristas de la estructura para conseguir atenuar

la concentración de campo en dicha zona, siendo posible pues, el reducir la

distancia de 5mm y permanecer dentro de límites, aunque debe ser éste el

factor determinante de diseño.

Por último, pero no menos importante, se aprecia una alta

concentración de campo en el cordón de soldadura. Estos valores se han

resaltado en la tabla de color naranja por ser superiores a los límites pero

poco realistas respecto de la situación verdadera. Esto es debido a que el

componente presenta en esta zona un cordón de soldadura que añade un

redondeo a lo largo de la arista. Dicho redondeo reducirá los valores

obtenidos, por lo que, para realizar un evaluación de dicha reducción, se han

desarrollado nuevas simulaciones en las que sí se ha modelado el cordón.

Los resultados de las simulaciones dejan un campo en la zona de

soldadura redondeada alrededor de los 0.6kV, dentro de los límites

definidos.

En las siguientes líneas se emplearán los valores de campo eléctrico

obtenidos en las simulaciones anteriores de las zonas de mayor interés para

compararlas con las tensiones de ruptura que adquiere el aire en función de:

- Distancia entre electrodos planos (en cm).

- Presión del aire (altitud en km).


239

En la Figura 100 se recogen diferentes curvas que representan la

tensión de ruptura del aire a presiones diferentes en función de la distancia

existente entre electrodos del tipo placa plana. La información se ha

obtenido del Treasure Valley Near Space Project Flight TV01F el 11 de

agosto del 2001.

Tension de Ruptura del Aire en Fundición de la Distancia entre Electrodos

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Mill

ares

Distancia entre electrodos (cm)

Tens

ión

de R

uptu

ra (k

V) 1 atm0,46 atm0,18 atm0,07 atm0,02 atm0,01 atm4,5·10^-3 atm5·10^-4 atm

Figura 100. Tensión de Ruptura del Aire en función de la distancia de electrodos (cm).

En la Figura 101 se recogen las diferentes curvas que representan la

variación del campo eléctrico en las zonas de estudio en función de las

distancias entre jaulas, y distancias entre la jaula a alta tensión y la alúmina.


240

Campo Eléctrico Simulado

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,275 0,325 0,375 0,425 0,475 0,525

Mill

ares


Tens

ión

(kV) Simulación 'a' a 1,8kV

Simulación 'a' a 3,6kVSimulación 'b' a 1,8kVSimulación 'b' a 3,6kV

Figura 101. Gráfico de las curvas de tensión simuladas.

Si se superponen las gráficas de tensión de ruptura del aire y de la

tensión obtenida en los puntos de estudio se podrá ver el momento, es decir,

a qué presión se sobrepasan los límites del aire. La Figura 102 recoge dicha

superposición de gráficas. Sirve tanto para predecir si en condiciones

ambiente se pueden esperar descargas parciales como para poder ver en

qué condiciones, con aire como medio envolvente de las instalaciones, cada

una de las variables se sale fuera del rango.

En lo hay que fijarse en estas gráficas es si en algún momento los

valores simulados se encuentran por encima de los valores de ruptura del

aire. Si esto ocurriera, significaría que se produciría una descarga no

deseada, y por lo tanto una ruptura del dieléctrico, que en este caso es el

aire.


241

Tensión de Ruptura del Aire en función de la Presión

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,075 0,125 0,175 0,225 0,275 0,325 0,375 0,425 0,475 0,525

Mill

ares


Tens

ión

(kV)

Breakdown 18 tor - 24,3 kmBreakdown 0,4 tor - 54,9 kmSimulación 'a' a 1,8kVSimulación 'a' a 3,6kVSimulación 'b' a 1,8kVSimulación 'b' a 3,6kVBreakdown 8 tor - 30,4 km

Figura 102. Gráfica con superposición de curvas de simulación y tensión de ruptura.

Del análisis del gráfico se llega a las siguientes conclusiones:

• En condiciones normales de presión no se deben dar descargas

parciales.

• A partir de una altitud de superior a los 20km sobre el nivel del mar,

se empezaría a tener problemas en la zona entre jaulas con una

tensión de aplicación de 3,6kV y una distancia de 3mm., volviendo

a estar dentro de límites con una distancia de 4,5mm.

• A partir de una altitud de 30,4km se tendrían siempre problemas

con tensiones de 3,6kV en la zona “a”.

• Por encima de los 55km se estaría fuera de límites en todos los

casos salvo para la zona “b” con una tensión de aplicación de

1,8kV.


242

Aclarar que la comparativa realizada no reúne las condiciones reales

de funcionamiento del equipo objeto de estudio. Ello no quiere decir que el

análisis realizado anteriormente no sea de gran utilidad.

Del análisis realizado con las curvas de ruptura del aire, se puede

concluir que, cuando se realicen los ensayos de descargas parciales en

condiciones ambiente, no deben de aparecer descargas, puesto que no se

alcanzan valores de tensión por encima del de ruptura del aire. Las

condiciones del ensayo mencionado serán de una altitud de los 660m por

encima del nivel del mar. En el apartado de plan de pruebas se vuelven a

mencionar dichas condiciones de ensayo con mayor detalle.

El resto de presiones no reflejan las condiciones reales de

funcionamiento del equipo. La PSCU es una unidad de control de los

motores del satélite y que por lo tanto entrará en funcionamiento una vez

alcanzado el espacio y se hayan desacoplado el resto de las etapas del

lanzador. Por lo tanto, las condiciones en las que se trabajará el aislador

serán de vacío.

Decir que en algún momento de la misión, concretamente los

primeros instantes una vez alcanzado un cierta órbita, las condiciones de

trabajo no serán vacío completo por el fenómeno de desgasificación

(“outgassing”) que sufren los materiales no metálicos. Este fenómeno

introduce moléculas en el medio envolvente y aumenta ligeramente la

presión del medio, provocando un decrecimiento de la tensión de ruptura,


243

pero que en ningún momento estará por debajo de las tensiones de diseño

adoptadas.

Para aliviar al máximo las consecuencias que puede provocar dicho

fenómeno, las chapas envolventes se encuentran agujereadas según un

patrón, para favorecer un mínimo de venteo de los gases que aparecen por

dicho fenómeno. Como consecuencia, la variación de la presión no es

suficiente como para que se lleguen a dar descargas parciales a la tensión

de trabajo de 1,8kV.


244

7.1.2 Térmico

De las simulaciones realizadas se puede comprobar que el aislador

soporta las condiciones térmicas de funcionamiento, establecidas en una

temperatura máxima de funcionamiento de 60º C (333K), con una disipación

de calor total de 50W dividida entre un mínimo de seis aisladores.

Con estas condiciones de trabajo, en el aislador se tendrá una

diferencia de temperaturas cercana a los 5º, y con ello, unas tensiones

máximas localizadas en la zona de soldadura que se encuentran por debajo

del límite que se ha establecido por diseño, 200MPa. Límite establecido por

ser la tensión del límite elástico del cobre, a partir del cual comienza a sufrir

deformaciones plásticas no deseadas.

En las condiciones de trabajo del aislador anteriormente comentadas,

se ha supuesto una distribución por igual de la potencia a disipar por los

aisladores. Esto en la realidad no será así, ya que los focos generadores de

calor no estarán distribuidos en el interior como para que sea verdad. En

cualquier caso, de las simulaciones también se puede concluir que, aunque

dicha distribución no sea por igual, el aislador podrá aguantar diferencias de

temperatura de hasta 10º, lo que significa una disipación de calor en torno a

los 16W.

Estando sin cerrar todavía el diseño interior del módulo de alta

tensión, es decir, la distribución de los circuitos y componentes, el saber que

los aisladores tiene esta capacidad de disipación libera al diseñador de


245

intentar una distribución uniforme de los focos generadores de calor. Aunque

no estará exento de dicha práctica ya que deberá tener cuidado de no

sobrecalentar los componentes sensibles situándolos cerca de los focos.

7.1.3 Mecánico

Con los resultados mecánicos obtenidos se puede concluir que el

aislador está preparado para soportar los niveles de tensiones establecidos

en las simulaciones. La hipótesis de trabajo dentro del comportamiento lineal

del material queda también validada dado que los niveles de tensiones

alcanzadas quedan por debajo de la tensión del límite elástico, siendo para

la alúmina de 370MPa y para el cobre en torno a los 200MPa.

Capítulo 8 Presupuesto

246

8. Presupuesto


247

En este capítulo se presenta un presupuesto elaborado

correspondiente a la validación completa de los aisladores de alta tensión.

Se incluye tanto los estudios computacionales como la campaña de pruebas

necesarias para alcanzar el objetivo de validación.


248

8.1 Presupuesto General

El presupuesto total al que asciende el proyecto de validación es de

45.477,39 €, de los que el 57% corresponde a los costes de los estudios

requeridos, sin tener en cuenta el coste de la mano de obra. El alto

porcentaje de los costes de la mano de obra, en torno al 30% del total son

consecuencia de la importancia que ésta tiene en el estudio, ya que se trata

de personal altamente cualificado.

Los costes generales que aparecen se han estimado como porcentaje

de los costes totales de los estudios y mano de obra (un 15%

aproximadamente). En ellos se pretende recoger los costes

correspondientes a las instalaciones, maquinaria y demás gastos generales

necesarios para poder desarrollar la validación. Muchas de estas

instalaciones son las de la Empresa de Electrónica Española.

57%30%

13%

Cos tes E s tudios

C os tes deP ers onalC os tes Generales


249

PRESUPUESTO PROYECTO

Costes de Personal 13.634,56 € Sueldos y Salarios 10.251,55 € Seguridad Social 3.383,01 € Costes Estudios 25.910,99 € Estudio FEM 10.225,00 € Limpieza Inicial 543,64 € Ensayos Eléctricos 4.210,79 € Ensayos Térmicos 8.024,52 € Ensayos Mecánicos 688,52 € Ensayo de Vida 2.218,51 € Costes Generales 5.931,83 € TOTAL COSTES PROYECTO 45.477,39 €

En el siguiente gráfico, se representa el coste total de los estudios (sin

incluir la mano de obra) desglosado por cada uno de los estudios / fases del

proyecto. Del mismo se desprende que los costes del estudio por elementos

finitos son la partida mayor, con un 39% del coste. Ello es consecuencia de

los elevados costes de los programas software requeridos para el análisis

previo de validación.


250

Los ensayos térmicos y los ensayos eléctricos son los siguientes con

mayores costes, un 31% y 16% respectivamente.

39%

2%

16%

31%

3%9%

E s tudio F E M

L impiez a Inic ial

E ns ayosE léc tricos E ns ayos Térmicos

E ns ayosMecánicos


251

8.2 Presupuesto Detallado

En este apartado se muestra el detalle de los costes correspondientes

a cada uno de los estudios / fases en las que se divide el proyecto de

validación objeto de estudio y que han sido comentadas a lo largo de todo el

documento. Éstas son: el estudio de elementos finitos, la fase de limpieza

inicial de las muestras, los ensayos eléctricos, térmicos y mecánicos, los

ensayos de vida y el análisis final de los resultados obtenidos.

Como se aprecia, los costes totales de cada uno de ellos no

corresponden a los que aparecen en el presupuesto consolidado del

apartado anterior. Ello se debe a que en el presupuesto detallado, se han

imputado los costes de personal a cada uno de los estudios en función de

las horas / hombre estimadas.

Asimismo, mencionar que los costes de las 10 muestras que se

emplean se han asignado a cada estudio de acuerdo a las horas / hombre.


252

ESTUDIO FEM Costes de Material 10.225,00 € Ordenador Workstation 625,00 € Licencia Programa FEM 4.800,00 € Licencia Programa CAD 4.800,00 € Costes de Personal 12.468,75 € Suelo Ingeniero 9.375,00 € Seguridad Social 3.093,75 € COSTES TOTALES ESTUDIO FEM 22.693,75 € LIMPIEZA INICIAL Costes de Material 141,17 € Alcohol isopropílico 12,00 € Alcohol dowanol px16 s 14,00 € Guantes de látex 10,34 € Balletas 16,70 € Bolsas plástico 40,00 € Etiquetas bolsas 8,13 € Suministros Varios 40,00 € Costes Muestras 402,47 € Costes de Personal 109,43 € Inspección entrada 3,91 € Limpieza 78,38 € Seguridad Social 27,15 € COSTES TOTALES LIMPIEZA 653,08 €


253

ENSAYOS ELÉCTRICOS Costes de Sep up 29,00 € Tornillos 7,00 € Arandealas 6,00 € Cables 16,00 € Equipo de Medida 3.310,00 € Voltímetro 60,00 € Medida de Resistencia 250,00 € Generador Alta Tensión 2.000,00 € Osciloscopio 1.000,00 € Costes Muestras 636,91 € Costes Personal 86,59 € Ingeniero 65,10 € Seguridad Social 21,48 € Subcontratación 234,88 € Transportes 70,00 € Personal Cualificado 65,10 € Seguridad Social 21,48 € Otros Costes 78,29 € COSTES TOTALES ELÉCTRICO 4.297,38 €


254

ENSAYOS TÉRMICOS Costes de Set Up 4.205,00 € Placa Negro 15,00 € Bloque soporte 40,00 € Resistencia Eléctrica 40,00 € Laminas Indio 418,00 € Manta Térmica 40,00 € Tornillos 28,00 € Arandelas 24,00 € Sensores Temperatura 3.600,00 € Equipo de Medida 3.310,00 € Voltímetro 60,00 € Medida de Resistencia 250,00 € Generador Alta Tensión 2.000,00 € Osciloscopio 1.000,00 € Costes Muestras 509,52 € Costes de Personal 138,54 € Ingeniero 104,17 € Seguridad Social 34,38 € TOTAL COSTES ENSAYOS TÉRMICOS 8.163,07 €


255

ENSAYOS MECÁNICOS Costes Ensayos de Flexión 87,00 € Diseño y Fabricación 87,00 € Aluminio 35,00 € Tornillos 28,00 € Arandelas 24,00 € Costes Ensayo de Tracción 92,00 € Diseño y Fabricación 92,00 € Aluminio 40,00 € Tornillos 28,00 € Arandelas 24,00 € Costes Muestras 509,52 € Costes de Personal 138,54 € Ingeniero 104,17 € Seguridad Social 34,38 € TOTAL COSTES ENSAYOS MECÁNICOS 827,07 €


256

ENSAYO DE VIDA Costes de Sep up 29,00 € Tornillos 7,00 € Arandealas 6,00 € Cables 16,00 € Costes Muestras 1.528,57 € Subcontratación 660,94 € Transportes 25,00 € Personal Cualificado 312,50 € Seguridad Social 103,13 € Otros Costes 220,31 € COSTES TOTALES ENSAYO DE VIDA 2.218,51 €


257

ESTUDIO FINAL Costes de Personal 692,71 € Responsable técnico 520,83 € Seguridad Social 171,88 € TOTAL COSTES ESTUDIO FINAL 692,71 € TOTAL COSTES ETAPAS DEL PROCESO 39.545,55 € Costes Generales 5.931,83 € TOTAL COSTES PROYECTO 45.477,39 €


258

Del gráfico que se presenta a continuación, se desprende que el

estudio por elementos finitos es el que incurre en unos mayores costes (57%

del total, incluyendo la mano de obra). Parece lógico, ya que es el que

mayores horas / hombre requiere y mayor tiempo para su ejecución

(aproximadamente 3 meses de duración). No obstante, en el presupuesto

consolidado del apartado anterior se recalcaba que esta partida era, sin

incluir los costes de personal, la que incurría en unos mayores costes como

consecuencia de la adquisición de las licencias de los programas requeridos.

La siguiente partida con mayor coste es la correspondiente a los

ensayos térmicos, con un 21% respecto del total, seguida de los ensayos

eléctricos con 10 puntos porcentuales menos (11%).

56%

2%

11%

21%

2%6% 2%

E S TUDIO F E M

L IMP IE ZA INIC IAL

E NS AY OSE LÉ C TR ICOSE NS AY OSTÉ RMICOSE NS AY OSME CÁNICOSE NS AY O DE V IDA

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Validacion de Aisladores de Alta Tension

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