Dieléctrico

Se denomina dieléctricos a los materiales que no permiten el paso de cargas eléctricas, es decir que aíslan el

flujo eléctrico.

Si aplicamos un campo eléctrico en el material dieléctrico, este no fluye a través del material como lo haría con un material conductor, sino que ocurre una polarización en el dieléctrico, está polarización disminuye el campo

eléctrico efectivo y aumenta la disposición entre las placas.

Campo eléctrico en dieléctricos

Cuando un material dieléctrico se somete a un campo eléctrico se forman dipolos inducidos en el material. El

dipolo crea un campo de sentido contrario al que lo origino.

Cuando un material dieléctrico se somete a un campo eléctrico se forman dipolos inducidos en el material

Funciones de los dieléctricos:

Aumentan el voltaje máximo de operación sin que se genere ruptura dieléctrica en el material.

Aumentan la capacitancia entre las placas.

Sirve de soporte mecánico entre las placas, lo cual permite que las placas estés muy juntas sin tocarse, de

este modo se disminuyen las distancias entre los conductores y aumenta la capacitancia.

Definiciones

Rigidez dieléctrica

Es el valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad aislante y pasa

a ser conductor. Una vez que ocurre el proceso de conducción de electricidad, el dieléctrico es perforado. Se mide

en voltios por metro V/m (en el SI).

Permisividad eléctrica (constante dieléctrica)

Es la tendencia de un material a polarizarse ante la aplicación de un campo eléctrico y de esa forma anular parcialmente el campo interno del material. Un material dieléctrico de una alta permisividad hace que la misma cantidad de carga eléctrica se almacene con un campo eléctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a

una mayor capacitancia del mismo.

Resistencia del aislamiento

Se define como la resistencia en megaohm por kilómetro, que ofrece un aislamiento al aplicarle un voltaje de

corriente directa durante un tiempo dado, medido a partir de la aplicación del mismo.

Factor de pérdida del aislamiento

Es la potencia disipada en AC a una determinada frecuencia. Idealmente la potencia disipada en AC es nula, sin embargo, debido a los fenómenos de polarización, no es así (tensión y corriente no están desfasadas 90°). Se le

conoce con el índice Tg(ζ). Un aumento en el factor de perdida significaría la posibilidad de deterioro del dieléctrico,

consecuencia de circular una corriente a través del, lo cual originaria calentamiento en el aislante.

Ir: Corriente resistiva

Ic: Corriente capacitiva

Diagrama vectorial del comportamiento de un dieléctrico ideal Vs un dieléctrico real

Corriente de fuga

Son pequeñas corriente que atraviesan el material dieléctrico, esto sucede al aplicar una tensión constante y alcanzarse el régimen estacionario.

Descarga disruptiva

Es cuando el potencial entre el conductor y el aislante es nulo y la conducción es franca. Los materiales

aislantes se llaman dieléctricos para indicar que se oponen al paso de la corriente eléctrica.

Resistencia al arco

Se mide por el tiempo que un material aislante es capaz de resistir los efectos destructivos de un arco antes de

inutilizarse por haber formado éste un camino carbonizado, sobre la superficie del aislante.

El arco eléctrico es una conducción iónica, por lo que el medio es un gas o un aislante líquido que luego se

vaporiza.

La resistencia de arco es la resistencia de los materiales que rodean el arco eléctrico.

El tiempo que es capaz de resistir, depende de la tensión aplicada y de la corriente de arco

El arco se controla mediante:

Cámaras apaga chispas

Refrigerándolo

Colocándole interferencias en el camino (placas)

Tipos de aislantes:

Los aislantes se pueden presentar en estado:

Sólidos

Líquidos

Gaseosos

Tabla de dieléctricos

Dieléctricos Solidos

Capacitores

Son dispositivos que permiten almacenar cargas y energía eléctrica.

Un capacitor está formado por dos conductores de forma y tamaño arbitrarios, separados por un material

aislante (dieléctrico). Cuando está cargado, cada conductor posee una misma cantidad de carga pero de signo opuesto. Y debido a la presencia de cargas se establece una diferencia de potencial entre ellos. Tiene la propiedad

de almacenar cargas a distintos potenciales pero la relación entre la carga almacenada y la diferencia de potencial se establece entre los conductores es una constante. A esta propieda se le denomina capacitancia y se define como

la razón entre la carga de cualquiera de los conductores y la diferencia de potencia entre ellos es

[ ]

[ ] [ ]

Capacitancia de placa paralelas:

Consideremos un capacitor donde los conductores son dos placas paralelas de igual área y separadas una

distancia d dentro de un elemento.

Supongamos que la distancia de separación entre las placas es pequeña en comparación con el área de la misma.

Podemos calcular el campo eléctrico producido por las placas usando la ley de Gauss y tomando como modelo para

cada placa un plano infinito cargado con densidad uniforme de carga superficial

⁄

(

⁄ )

Imagen de un capacitor de placas paralelas

Capacitor Cilíndrico

Un capacitor cilíndrico se compone de dos conductores cilíndricos concéntricos de radios a b con b como radio externo b>a

Usando la ley de Gauss calculamos el campo eléctrico en el espacio entre los dos conductores tomando como

modelo un cilindro infinito cargado con densidad lineal

Imagen de un capacitor de Cilindrico

Dieléctricos en conductores de potencia

El uso de dieléctricos en los conductores de potencia, no solo cumple con aislar eléctricamente, también posee

múltiples funciones de carácter mecánico y químico, las cuales nombraremos a continuación:

Características Eléctricas:

Resistencia de aislamiento

Rigidez dieléctrica

Constante dieléctrica

Factor de perdidas dieléctricas

Factor de potencia

Resistencia al arco

Características mecánicas:

Resistencia a la tracción

Resistencia a la compresión

Resistencia a la flexión

Resistencia a la cortadura

Resistencia al choque

Dureza

Limite elástico

Maquinabilidad

Características Térmicas:

Calor especifico

Conductividad térmica

Inflamabilidad

Temperatura de seguridad

Características químicas

Resistencia al ozono

Resistencia a la luz solar

Resistencia a los ácido

Resistencia a los aceites

Partes que conforman un conductor de potencia

1. Conductor

Transporta la corriente eléctrica. Es el elemento central del cable. Los conductores son de sección circular y

están constituidos por alambres cableados en capas concéntricas.

2. Pantalla semiconductora interna:

Recubre totalmente el conductor. Su función es mejorar la distribución del campo eléctrico en la superficie del

conductor.

3. Aislamiento:

Es el componente crítico del cable, ya que ha de soportar el elevado campo eléctrico presente en el interior. La

tensión máxima que puede soportar un cable depende del material y del espesor del aislamiento, que aumenta con la

tensión asignada del cable. Los materiales utilizados en los aislamientos de cables de Media Tensión son los siguientes:

Polietileno reticulado (XLPE) Etileno-Propileno de alto módulo (HEPR)

Etileno-Propileno (EPR)

4. Pantalla semiconductora externa:

Recubre totalmente el aislamiento. Se realiza con compuestos poliméricos con alta concentración de negro de

humo para obtener la propiedad semiconductora. Este material está reticulado y en perfecto contacto con el aislamiento.

5. Pantalla metálica

Los cables de media tensión llevan una pantalla metálica en contacto con la semiconductora externa. Esta

pantalla está constituida por fibras de cobre colocadas en hélice recubriendo uniformemente todo el perímetro del

cable.

6. Protección contra el agua

En cables con Obturación Longitudinal (tipo -OL) se coloca bajo la cubierta una cinta de material higroscópico,

que impide la propagación longitudinal del agua.

7. Cubierta interior (solo para cables armados)

Todos los cables armados llevan una cubierta de separación (o asiento de armadura) entre la pantalla metálica y

la armadura.

8. Armadura (solo para cables armados)

Para mejorar la protección del cable frente a agresiones externas, se utilizan las armaduras. Se recomienda su

uso en todas aquellas instalaciones donde el riesgo de roces, golpes y cualquier agresión mecánica sea elevado

9. Cubierta Exterior

Ésta es la capa más externa del cable y protege al cable de las agresiones mecánicas y químicas del entorno.

Está formada por un recubrimiento uniforme y continuo, habitualmente de color rojo, totalmente estanco y

altamente resistente a los golpes y abrasiones, así como a la acción de la intemperie. Los materiales utilizados

normalmente son el PVC y las poliolefinas libres de halógenos.

Imagen de un cable de potencia y sus partes

Aislantes

El aislante es el material que separa el alma conductora del exterior. Si los cables no tuvieran aislante sería muy

difícil la distribución de los circuitos en las instalaciones eléctricas. Esto permite que en la instalación no se energicen la carcasa de los equipos, canalizaciones metálicas, evitar cortocircuitos, así como la electrocución de

las personas. Por lo que se puede notar que sin un buen aislante, la instalación no estaría muy segura.

Letras de designación del aislamiento:

R: Aislamiento de hule

T: Aislamiento termoplástico

X: aislamiento de polímero sintético barnizado

H: resistente al calor hasta 75˚C

HH: resistente al calor hasta 90˚C

W: resistente a la humedad

UF: para uso subterráneo

N: cubierta de nylon

Tipos de aislamientos en cables de potencia

1. Termoplásticos

Son aislamientos que se pueden moldear fácilmente, entre sus características destacan que se reblandecen con

el calor, pero al enfriarse recuperan la consistencia, manteniendo su forma, en bajas temperaturas se vuelven

rígidos y res quebradizos por lo que impiden el tendido a bajas temperaturas. Entre los aislantes termoplásticos

destacan el poli cloruro de vinil (PVC), polietileno termoplástico (PE)

2. Termoestables

Son aislamientos que mantienen una adecuada flexibilidad en el rango de las temperaturas de trabajo, debido a

su mayor temperatura de servicio son adecuados para instalaciones de distribución, alumbrado público e industrias

en las que está presente altas sobrecargas y cortocircuitos Algunos ejemplos son el Polietileno retículado (XLPE), la

goma natural (SBR), entre otros.

DIELÉCTRICOS HOMOGÉNEOS

Su rigidez dieléctrica puede alcanzar valores muy elevados en el orden de MV/m, un ejemplo son los polímeros

orgánicos que han ido desplazando a los aislantes convencionales como PVC, polietileno, que son aislantes no homogéneos debido a sus impurezas que incluso pueden contener inclusiones gaseosas.

La rigidez dieléctrica de los no homogéneos, depende del espesor del aislante o del material en cuestión, lo que

obliga a diferenciar a los aislantes muy delgados de forma laminar (espesor s<5mm) a los de un espesor mayor

(30mm> s > 5mm)

Con s <5mm:

La tensión de ruptura Ud es casi proporcional al gradiente crítico, que conduce a la ruptura dieléctrica y se llama

Ed, siendo:

Ud=Ed*s

Y donde el valor de Ed depende mucho de la estructura molecular del aislante.

Comportamiento de la tensión de ruptura para dieléctricos homogéneos de espesor muy pequeño

Con s>5mm:

Éstos denotan un comportamiento dieléctrico diferente, no esclarecido por completo, por lo que se considera

más que prudente limitar los márgenes del espesor (30<s<5mm), para así permitir la siguiente aproximación:

√(

)

Donde B es una constante que depende de cada material aislante, y la constante m depende de la temperatura,

con la condición de que ésta sea de 20°C y corriente alterna a 60 Hz, esto debido a que el comportamiento de los

aislantes sólidos frente a ondas de choque está, mucho menos esclarecido.

Comportamiento de la tensión de ruptura para espesores intermedios (30 > s > 5mm)

El comportamiento dieléctrico de los aislantes homogéneos depende notablemente del grado de uniformidad del campo eléctrico. Si ocurre una variación brusca en de la uniformidad del campo, La rigidez dieléctrica del aislante

disminuye considerablemente.

DIELÉCTRICOS NO HOMOGÉNEOS

Se debe convenir en la difícil existencia de materiales homogéneos superior a los 5 mm, porque mientras mayor

sea el espesor mayor será el número de impurezas en el material, salvo para espesores de hasta 0.5 mm, la

mayoría de los materiales sólidos denota una conformación no homogénea

En estos materiales la ruptura dieléctrica ocurre en un tiempo muy corto, la irregularidad más frecuente es la

oclusión de burbujas de aire en el seno del dieléctrico, estas se ven sometidas a una ionización demasiado elevada

originando descargas parciales de suma importancia en el comportamiento y el envejecimiento del aislante. Es conveniente indicar que la fuerte ionización en los espacios ocluidos (por lo general llenos de aire) es la responsable

de la ruptura dieléctrica.

Se debe convenir que la oclusión de burbujas e impurezas obedece a una distribución muy irregular, por lo que

las mediciones y conclusiones de un lote de muestras fluctúan fuertemente. Las distorsiones que sufre el gradiente

eléctrico son tan variadas que el canal plasmático muestra por lo general un comportamiento totalmente acéfalo

(no siguiendo necesariamente el camino interelectródico más corto)

También la temperatura, frecuencia, tiempo de la sobretensión etc, desempeñan un papel muy importante.

Comportamiento de la tensión de perforación en un aislante no homogéneo por la acción de un campo eléctrico uniforme (placa-placa) y no uniforme (punta-placa) en función del espesor s

Aisladores en redes aéreas de baja, media y alta tensión

La función de los aisladores en redes aéreas es aislar eléctricamente los conductores de la estructura, a fin de evitar la derivación de la corriente hacia tierra ya que un aislamiento defectuoso acarrea pérdidas de energía.

1. Aisladores tipo Alfiler

Es un aislador formado por uno o varios faldones que se montan rígidamente en un vástago roscado llamado alfiler, con el cual forma un conjunto desmontable. Este tipo de aisladores se usan en redes aéreas de distribución.

Estos aisladores están diseñados para trabajar en tensión de 13,2kv hasta los 34,5kv

Imágenes de aisladores de tipo palillo

2. Aislador poste línea

Es un aislador formado por una pieza de porcelana unida con una base metálica formando un ensamble rígido con

el cual se forma un conjunto desmontable. Se usa para aislar conductores eléctricos en líneas aéreas de redes de

distribución en zonas de alta incidencia de descargas atmosféricas.

Estos aisladores están diseñados para trabajar en tensión de 13,2kv hasta los 34,5kv

Imagen de tipo poste línea

3. Aislador poste línea tipo contaminación

Es un aislador formado por una pieza de porcelana unida con una base metaliza, formando un ensamble rígido con el cual se forma un conjunto desmontable. Se usan para aislar conductores eléctricos en líneas aéreas de redes

de distribución en zonas de alta contaminación.

Estos aisladores están diseñados para trabajar en tensión de 13,2kv hasta los 34,5kv

Imagen de tipo poste línea de tipo contaminación

4. Aislador de vidrio tipo suspensión

Su función es la de soportar mecánicamente y aislar eléctricamente los conductores de las líneas de transmisión y

distribución.

5. Aisladores Estándar

Son la más común y más utilizada en líneas de baja polución.

6. Aisladores Anticontaminación

Con dos tipos de formas distintas recomendados para zonas de media y alta contaminación.

Su mayor línea de fuga permite reducir los efectos de la contaminación sin aumentar la longitud de la cadena.

7. Aisladores Aerodinámicos

Este tipo de aisladores, debido al perfil de su dieléctrico, totalmente plano, es muy recomendable en zonas desérticas ya que, al carecer de nervaduras, dificulta el depósito de residuos sobre el dieléctrico. Al mismo tiempo,

su forma facilita que la lluvia y el viento realicen la operación de auto limpiado. Por otra parte, pueden también ser

usados en zonas de contaminación crítica industrial o mixta (contaminación desértica e industrial).

8. Aisladores Esféricos

Al igual que el modelo anterior, la ausencia de nervaduras en la pieza de vidrio dificulta el depósito de residuos

sobre el dieléctrico a la vez que facilita la limpieza por los efectos del viento y la lluvia.

Al mismo tiempo su forma esférica le confiere unas características más resistentes al vandalismo

Dieléctricos líquidos

Son compuestos de origen natural o sintético que tienen como objetivo fundamental, refrigerar y aislar

componentes eléctricos (partes energizadas) como interruptores, bushigs, capacitores, transformadores, entre

otros, preservando la vida útil de los equipos eléctricos. En el caso particular de los interruptores de potencia,

además de aislar sirven para la extinción de los arcos eléctricos e incluso lubricación de las partes móviles. La

obtención de los dieléctricos en su mayoría se hace a través de la destilación del petróleo.

Propiedades dieléctricas y químicas que debe reunir un buen aislante:

Escasa tendencia a la sedimentación.

Pérdidas por evaporación casi nulas.

Gran estabilidad química.

Poca variación de su viscosidad ante diferentes valores de temperatura.

Bajo peso específico y coeficiente de dilatación.

Muy alta temperatura de inflamación.

Muy baja temperatura de congelamiento.

Absorción de humedad casi nula.

Gran rigidez dieléctrica.

Resistividad eléctrica muy alta.

Buena conductividad térmica.

Bajo calor especifico.

Funciones de los dieléctricos líquidos:

Proporcionar rigidez dieléctrica: actúan como un material aislante y dieléctrico.

Transferencia de calor: actúan como medio de enfriamiento

Protección de aislamiento solido: actúan como una barrera entre el papel y los efectos dañinos del oxígeno y

la humedad.

Análisis de condiciones internas del equipo: actúa como una herramienta de diagnóstico para la evaluación

del aislamiento sólido.

ACEITES MINERALES

Los aceites dieléctricos de origen mineral se obtienen de un derivado secundario del petróleo en cuya

composición predominan los hidrocarburos nafténicos.

Las propiedades de un buen aceite de transformador no son propias o no están presentes, en forma exclusiva, en

un determinado tipo de hidrocarburo, sino que por el contrario se encuentran repartidas entre varios (Nafténicos,

parafínicos y aromáticos).

Una composición típica de un buen aceite dieléctrico responde a las siguientes proporciones:

Hidrocarburos Aromáticos: 4 a 7%

Hidrocarburos Isoparafínicos: 45 a 55%

Hidrocarburos Nafténicos: 50 a 60%

Los aceites minerales representan el 90% del volumen de ventas de aceites dieléctricos a nivel mundial, casi

todo usado en transformadores e interruptores de potencia. Una cantidad menor es usada en capacitores y cables

ACEITES SINTETICOS

La aplicación de aceites sintéticos como aislantes eléctricos ha sido muy limitada. Recientemente se han

empleado fluidos sintéticos a base de silicona y ésteres de ftalato en aplicaciones especiales donde un alto grado de

seguridad y muy amplio tiempo de servicio es requerido. También, últimamente, se están ensayando aceites

dieléctricos de naturaleza predominantemente parafínica. Las pruebas y su interpretación son prácticamente las

mismas para un aceite sintético a base de silicona que para un aceite mineral. El test de oxidación no se requiere para las siliconas debido a que este material no se oxida (no forma lodo)

PROPIEDADES FISICAS DE LOS ACEITES

1. VISCOSIDAD

Por definición, la viscosidad de un fluido es la resistencia que dicho fluido presenta al moverse o deslizarse sobre

una superficie sólida. Mientras más viscoso es el aceite, mayor será la resistencia que ofrecerá a moverse dentro del transformador y será menos efectiva su función de refrigeración. Por esta razón, los aceites dieléctricos deben

tener una baja viscosidad para facilitar la disipación del calor generado en la operación del transformador.

Las viscosidades máximas establecidas para aceites dieléctricos, a las diferentes temperaturas de evaluación,

mediante el método ASTM D-445 o D-88, son:

100°C .....................................3 cSt.

40°C ...................................12 cSt.

0°C .................................. 76 cSt.

La figura ilustra el comportamiento típico de la viscosidad de un aceite dieléctrico con las variaciones de

temperatura

2. PUNTO DE FLUIDEZ

Se define como la temperatura a la cual el aceite deja de fluir, mientras se somete a un proceso de enfriamiento

progresivo. Este dato sirve para identificar diferentes tipos de aceites aislantes. Un punto de fluidez igual o mayor

que 0°C indica la presencia dominante de hidrocarburos parafínicos, en tanto que puntos de fluidez del orden de

10°C son propios de las fracciones de petróleo en las cuales predominan los hidrocarburos isoparafínicos. Las

fracciones de hidrocarburos nafténicos tienen puntos de fluidez entre 20 a 35°C y las fracciones de hidrocarburos

aromáticos llegan a tener puntos de fluidez del orden delos 40 a 60°C

Puntos de fluidez aceptables para aceites dieléctricos, evaluado mediante el método ASTM D-97, es de 40°C a

50°C

3. PUNTO DE INFLAMACION

Se define como la mínima temperatura a la cual el aceite emite una cantidad de vapores que es suficiente para

formar una mezcla explosiva con el oxígeno del aire en presencia de una llama. El punto de inflamación de los

aceites dieléctricos se ha fijado con un valor mínimo de 145°C y mientras más alto, será más segura su utilización

en transformadores e interruptores de potencia.

4. TENSION INTERFACIAL

Conviene recordar que la solubilidad de un líquido en otro y también la viscosidad de ellos dependen, en buena

parte, de su tensión superficial.

Así por ejemplo, cuando dos líquidos tienen una tensión superficial muy diferente son insolubles, tal como sucede

con el aceite y el agua. Ahora bien, en la interface o superficie de contacto de dos líquidos insolubles, se sucede una

interacción molecular que tiende a modificar la tensión superficial de ambos líquidos en la zona de contacto; en este

caso se habla de tensión interfacial, la cual casi siempre es referida al agua, como patrón de comparación.

Existen compuestos que se forman de la descomposición natural de los aceites dieléctricos de origen mineral,

que son igualmente solubles tanto en el agua como en el aceite, modificando su tensión interfacial, causando un

aumento considerable de la humedad de saturación del aceite y haciéndolo más conductor de la electricidad.

La tensión interfacial mínima aceptada para aceites dieléctricos, evaluada por el método ASTM D-971, es de 40

dinas/cm.

5. PUNTO DE ANILINA

Temperatura a la cual un aceite dieléctrico se disuelve en un volumen igual de anilina. Sirve como parámetro de

control de calidad, ya que un aceite dieléctrico con alto contenido de aromáticos disuelve la anilina a menor

temperatura.

Temperaturas de disolución entre 78 y 86°C corresponden a un buen dieléctrico. El punto de anilina aceptado

para aceites dieléctricos, evaluado mediante el método ASTM D-611, es de 63 a 84°C.

6. COLOR

La intensidad de color del aceite dieléctrico depende de los tipos de hidrocarburos que predominen en dicho

aceite. Así por ejemplo, las fracciones parafínicas e isoparafínicas son blancas y transparentes, color agua.

Las nafténicas varían de amarillo claro a amarillo verdoso. Las aromáticas poseen coloraciones que van desde el amarillo rojizo (naranja) al marrón oscuro.

Para los aceites dieléctricos se ha fijado un color máximo de 0,5 (amarillo claro), buscando que el aceite sea

predominantemente nafténico. El color se determina mediante el método ASTM D-1500

PROPIEDADES ELECTRICAS

1. FACTOR DE POTENCIA

El factor de potencia mide las pérdidas de corriente que tienen lugar dentro del equipo cuando se encuentra en

operación. Estas pérdidas de corriente son debidas a la existencia de compuestos polares en el aceite y a su vez son

la causa de los aumentos anormales de temperatura que se suceden en los equipos bajo carga.

El factor de potencia máximo permisible (%), evaluado mediante el método ASTM D-924, es:

25°C .........................................0,05%

100°C ........................................0,3%

2. RIGIDEZ DIELECTRICA

La rigidez dieléctrica de un aceite aislante es el mínimo voltaje en el que un arco eléctrico ocurre entre dos electrodos metálicos. Indica la habilidad del aceite para soportar tensiones eléctricas sin falla. Una baja resistencia

dieléctrica indica contaminación con agua, carbón u otra materia extraña. Una alta resistencia dieléctrica es la

mejor indicación de que el aceite no contiene contaminantes. Los contaminantes que disminuyen la rigidez

dieléctrica pueden usualmente ser removidos mediante un proceso de filtración (filtro-prensa) o de centrifugación

PROPIEDADES QUIMICAS

ESTABILIDAD A LA OXIDACION

Los aceites dieléctricos, en razón de su trabajo, están expuestos a la presencia de aire, altas temperaturas y a la

influencia de metales catalizadores tales como hierro y cobre, lo cual tiende a producir en el aceite cambios

químicos que resultan en la formación de ácidos y lodos.

Los ácidos atacan el tanque del transformador y reducen significativamente la capacidad aislante del aceite con

las consecuentes pérdidas eléctricas. Los lodos interfieren en la transferencia de calor (enfriamiento), haciendo

que las partes del transformador estén sometidas a más altas temperaturas, situación que también conduce a

pérdidas de potencia eléctrica.

Como resulta obvio, es importante reducir al mínimo posible la presencia de estas sustancias perjudiciales (ácidos y lodos). Por esta razón es esencial el uso de aceites refinados que posean óptima resistencia a la oxidación

y estabilidad química que garanticen amplios periodos de funcionamiento y alarguen la vida de los equipos.

PRUEBAS REALIZADAS AL ACEITE DE LOS TRANSFORMADORES

Las pruebas que se realizan con el propósito de evaluar el estado de las propiedades de los aceites dieléctricos

de origen mineral, se orientan a determinar tres características básicas en dichos aceites:

Su composición (pruebas de composición).

Punto de anilina

Punto de fluidez

Punto de inflamación

Gravedad específica

Viscosidad

Azufre corrosivo

Su pureza (pruebas de pureza).

Contenido de humedad

Tensión interfacial

No. de Neutralización

Tensión de ruptura

Factor de potencia

Su estabilidad (pruebas de estabilidad)

Las pruebas siguientes son consideradas como suficientes para determinar si el estado del aceite es adecuado

o no para continuar en servicio o para proponer una acción correctiva.

Contenido de humedad.

Tensión interfacial.

Número de neutralización.

Rigidez dieléctrica.

Factor de potencia.

Color y aspecto.

Análisis de gases disueltos

Es clave hacer énfasis en que la frecuencia de las inspecciones y pruebas efectuadas a un transformador debe establecerse con base en los factores que se relacionan a continuación:

1. Capacidad del equipo.

2. Condiciones de operación.

3. Importancia del servicio prestado.

4. Condiciones del aceite dieléctrico

Frecuencia y tipo de pruebas que se les debe hacer al aceite del transformador

Significado de las letras a ser utilizadas en las pruebas de aceite de los transformadores

Anexos

Comportamiento del aceite en servicio Vs Contenido del agua

Comportamiento del aceite Temperatura Vs Agua

Comportamiento de la tensión de disrupción Vs años de servicio

Dieléctricos gaseosos

Un gas dieléctrico, o gas aislante, es un material dieléctrico en estado gaseoso. Su principal objetivo es prevenir

o extinguir rápidamente las descargas eléctricas.

Un gas puede pasar de su estado dieléctrico a estado de conducción por diversas circunstancias, según el siguiente detalle:

Proximidad de las llamas, arcos eléctricos, carbón o metales incandescentes.

La difusión en un espacio en que se produce o se ha producido una descarga eléctrica.

Al atravesar un espacio bajo la influencia de rayos X, de rayos catódicos, de radiaciones radiactivas o de luz ultravioleta de onda corta .Todas estas causas producen en los gases un estado de ionización o de existencia

de iones mezclados con el gas que provocan la conductividad eléctrica de este.

La conducción eléctrica en un gas ionizado no sigue la ley de Ohm pero para valores bajos de fem. Si se

comporta respondiendo a esta ley

Grafica Tensión Vs Corriente de un gas ionizado entre planos paralelos

Entre 0-1: el gas actúa como cualquier conductor que sigue la ley de Ohm.

Entre 1-2: existe estado de saturación, donde hay un pequeño incremento de corriente con un aumento de tensión.

Entre 2-3: el campo eléctrico se hace lo suficientemente elevado para provocar por sí mismo la ionización y en esta

zona el aumento de corriente es mucho mayor que el aumento de tensión.

Cuando cesa la acción del agente ionizante, el gas sigue manteniendo su conductividad eléctrica durante cierto

tiempo y finalmente desaparece completamente.

Esto indica que los iones libres presentes en el seno delgas se recombinan entre si y al terminarse este proceso,

el gas vuelve a su estado normal.

La conductividad eléctrica de un gas se puede eliminar de la siguiente forma:

Pasando el gas a través de lana de vidrio.

Haciéndolo burbujear en una masa de agua

Haciendo pasar el gas por un campo eléctrico intenso.

Refrigeración (aumento de la superficie de aire).

¿Qué modifica la constante dieléctrica de un gas?

Los cambios de la presión.

La temperatura.

La presencia de humedad en el aire.

La presencia de otros gases aumentando su constante dieléctrica.

Cuando la constante dieléctrica se expresa en función del vacío absoluto, su valor es superior a 1.

El estado de ionización de un gas influye en su constante dieléctrica, para presiones muy débiles la constante

dieléctrica disminuye al principio cuando comienza la ionización, para crecer bruscamente al aumentar la

ionización.

Cuando se aplica una tensión creciente entre dos electrodos sumergidos en el seno de un gas llega un momento en que se produce una descarga eléctrica.

Esta descarga eléctrica se produce de dos formas:

Aumentando progresivamente la tensión.

Acercando los electrodos con tensión constante.

Por ejemplo un aislante en condiciones normales tiene una rigidez dieléctrica determinada y el medio gaseoso no

se encuentra ionizado.

La tensión puede aumentar por:

Origen atmosférico: debido a una descarga atmosférica Ejemplo: un rayo.

Origen eléctrico: por una sobretensión de maniobra o por una sobretensión debido a una falla próxima al

aislante.

La primera fase de la descarga es lo que se llama EFECTO CORONA, es una luminosidad próxima al electrodo positivo que hace de ánodo, es visible y empieza a producir ionización y producción de gas ozono próximo a esta

zona, hasta aquí no hay ninguna descarga ni conducción, las condiciones no han sido modificadas todavía.

La segunda fase es el EFLUVIO, la luminosidad alcanza al cátodo, normalmente se suele observar los días de muy

alto porcentaje de humedad en las líneas aéreas. Es una conducción muy débil, no alcanza a verse una descarga, tiene una formación violeta uniforme y aparece cuando hay saturación próxima a la zona.

A continuación tenemos la chispa que es la tercera fase: Es una descarga de corta duración, es una descarga de

mucha luminosidad, produciendo ruido, se empieza a observar próxima al cátodo.

La cuarta fase es el ARCO: La conducción es permanente, del orden de los microsegundos. Cuando las

protecciones no actúan pueden durar minutos.

Efecto corona

Descarga luminosa en las proximidades del electrodo positivo (ánodo).

Ocasiona interferencias de radiofrecuencia y produce ozono si hay presencia de oxígeno.

Efluvio

Si se sigue aumentando la tensión se produce el efluvio.

La luminosidad anódica alcanza el cátodo y el espacio interelectródico queda iluminado con tonalidad violeta uniforme.

El efluvio aparece cuando hay saturación de ionización en la zona de electrodos.

Chispa

Descarga de corta duración, semejante a una línea quebrada con ángulos marcados.

Puede ser de tono violeta y poco brillante con transporte de energía o de tono blanco azulado muy brillante,

luminoso, produciéndose entonces chasquidos y detonaciones.

Arco

Descarga de larga duración de forma casi rectilínea, muy caliente y constituido por vapores incandescentes

producidos por partículas metálicas o de carbón procedentes de los electrodos.

Este último fenómeno es continuo y persistente, pero requiere un cátodo muy caliente.

La rigidez dieléctrica de los gases, está determinada por:

Geometría de los electrodos

Separación de los electrodos

Presión

Naturaleza del gas

Pureza del gas

Densidad del gas

Material del electrodo

Variación de la rigidez dieléctrica del aire en función de la distancia entre electrodos.

La rigidez dieléctrica del aire varía también con la densidad.

Variación de la rigidez dieléctrica del aire en función de la distancia entre electrodos.

Variación de la rigidez dieléctrica del vacío en función de la distancia entre electrodos.

Consideraciones:

A los efectos eléctricos se considera alcanzado el vacío cuando la conducción y la tensión entre electrodos metálicos se han hecho independientes de la presión del gas residual.

Se entiende que en condiciones normales, la ionización gaseosa es despreciable a presiones por debajo de 10-5 mm de mercurio.

En estas condiciones, el mecanismo de la ruptura depende de la tensión aplicada, del material, de la condición superficial de los electrodos y de la configuración de estos.

Los gases enrarecidos hasta los límites indicados anteriormente (se pueden alcanzar presiones 10-7 mm de mercurio) tienen notables propiedades aislantes.

La rigidez dieléctrica del aire enrarecido es muy elevada para pequeñas distancias interelectródicas y alcanzan valores no igualados ni con los mejores aislantes sólidos.

El valor de la tensión disruptiva aumenta cuando aumenta la distancia interelectródica como sucede con

todos los materiales aislantes.

El aislamiento basado en gases enrarecido se emplea industrialmente en las válvulas electrónicas, tubos de

rayos X, tubos de rayos catódicos, pequeños interruptores de mercurio, etc.

La rigidez dieléctrica en vacío es mayor que la rigidez dieléctrica del aire.

Gas hexafluoruro de azufre (SF6)

Este gas es cada vez más empleado como aislante en:

Disyuntores de baja, media y alta potencia,

En barras de distribución de AT

En subestaciones blindadas de distribución,

Por sus excelentes propiedades aislantes está sustituyendo progresivamente a los demás gases.

Es el único gas que posee reunidas las propiedades físicas, químicas y eléctricas, favorables para la extinción de

los arcos eléctricos formados durante las conexiones y desconexiones de los disyuntores.

Se utiliza como medio aislante y refrigerante.

Propiedades del SF6 gaseoso

Incoloro

Inodoro

No tóxico

No inflamable

No contaminante

Es un dieléctrico regenerativo

Disipa rápidamente el calor generado por el arco eléctrico, reduciendo el aumento de temperatura global en

el equipo.

Gran estabilidad química: no ataca (o sea no oxida) ningún material estructural a temperaturas inferiores a

500 °C, y permanece estable a temperaturas a las cuales los aceites minerales se oxidan y descomponen.

Facilidad de extinción del arco eléctrico

Al ser uno de los gases más electronegativos que existen; sus moléculas se combinan con electrones libres (suponemos provenientes de un arco eléctrico) para formar -SF6 cargado negativamente y SF5

(pentafluoruro de azufre), iones cargados positivamente. Como estos iones son pesados y prácticamente

inmóviles, no actúan como portadores de corriente. Es esta cualidad excepcional del SF6 la que le da una excelente propiedad dieléctrica y también un gran poder de extinción del arco eléctrico, (se pueden cortar

corrientes 100 veces mayores que las que se pueden cortar en el aire, bajo las mismas condiciones).

Es el único gas que posee reunidas las propiedades físicas, químicas y eléctricas favorables para la extinción

del arco eléctrico que se originan en la conexión y desconexión de los disyuntores.

Es un compuesto químico estable y uno de los gases más pesados.

Propiedades del SF6 que representan ventajas frente al aire como dieléctrico:

Su densidad es cinco (5) veces mayor que la del aire (a 20 °C y presión atmosférica).

Su coeficiente de transmisión de calor es: 1,6 veces mayor que la del aire (a 1 atm) y 25 veces mayor que la

del aire (a 2 atm.), está propiedad es muy importante pues facilita una rápida disipación del calor,

reduciendo el aumento global de temperatura.

La rigidez dieléctrica del SF6 es el doble que la del aire, CO2, N, etc.

La tensión disruptiva es 24 veces mayor que la tensión disruptiva del aire.

A presión atmosférica es 30 % menor que la del aceite mineral. A una presión 0,65 gr./cm2 por encima de la

presión atmosférica, es igual a la del aceite. A 1,25 Kg./cm2 por encima de la Patm, la tensión disruptiva es 15%

mayor que la del aceite.

Aplicación

Aislante en disyuntores de potencia

Barra de distribución de alta tensión

Subestaciones blindadas de distribución de corriente

Ley de paschen

Ud: tensión disruptiva

p: presión del gas

d: distancia entre electrodos.

Esta ley establece que la tensión disruptiva de un gas solamente es función del producto de la distancia entre

electrodos por la presión del gas.

La tensión disruptiva de un gas solamente depende de la masa de gas entre electrodos. En la mayoría de las

lámparas de descarga, se aprovecha que la presión sea mayor, para que la tensión disruptiva necesaria para

producir la conducción en los electrodos sea menor

Si p.d = cte. la tensión disruptiva también permanecerá constante. Esta relación es aplicable para la tensión

mínima disruptiva y la presión critica.

Ejemplo: Tensiones disruptivas mínimas para algunos gases:

Gas Ud p.d

aire 347 5,7

anhidrido carbonico 419 5,1

argon 233 7,6

helio 261 27

hidrogeno 278 14,4

Nitrogeno 251 6,7

Descarga Townsend

Como se aprecia en la figura 12, para tensiones pequeñas, la corriente de la descarga crece con la tensión (zona A - B). Esto ocurre, hasta que la tensión adquiere un valor de saturación, debido a que el tiempo de tránsito de las

cargas es menor que el tiempo de creación de dichas cargas.

Para tensiones superiores a la de saturación (zona C - D), la descarga se desarrolla por mecanismos de multiplicación por avalancha, con emisión de electrones por parte del cátodo, denominada “zona de descarga

Townsend” (zona C - D), que es una región de descarga oscura (no provoca ninguna emisión de radiación lumínica) y

se dan corrientes muy débiles (10-8A).

En el punto D, se pueden dar dos situaciones:

- Bajas presiones (p·d ↓↓) - Presiones atmosféricas (p·d ↑↑)

Régimen de descargas a bajas presiones

En condiciones de baja presión, en el punto D, comienza una zona denominada descarga luminiscente (glowdischarge, en terminología anglosajona), que son descargas ampliamente utilizadas en los procesos

industriales actuales, que operan a bajas corrientes (~10-2A) y baja presión (~mbar). El plasma de las descargas luminiscentes está débilmente ionizado y en un estado de no equilibrio y es visible como una columna brillante.

Como en la descarga

Townsend, los electrones se emiten por impactos de electrones con el cátodo frío.

En la transición D - F, se genera una distribución de campo eléctrico elevado en el cátodo, que origina la

multiplicación electrónica necesaria para mantenerse, ya que el cátodo se conserva frío y no es capaz de generar

suficiente corriente eléctrica. Se genera una columna positiva, que es un plasma de no equilibrio térmico, pero casi

neutro eléctricamente.

En la zona F - G, la tensión de la descarga es constante. La intensidad varía gracias a que el área transversal en

la cual se manifiesta la descarga va creciendo.

A la zona D - G, se le conoce como régimen de descarga luminiscente normal.

Sin embargo, en el punto G, comienza una zona denominada descarga luminiscente anormal (zona G - H’), en el

que la descarga luminiscente ha agotado su capacidad de crecer en intensidad aumentando el área y comienza a

requerir más tensión para la multiplicación de electrones, invadiendo toda la zona del cátodo que le es accesible.

En el punto H’, la corriente es tan intensa que es capaz de calentar el cátodo hasta la incandescencia,

produciendo intensa emisión termoiónica y dando lugar a un arco (región tras el punto I), pasando por una

transición inestable, denominada transición luminiscencia-arco (región H’- I). La caída catódica para el arco, es más pequeña que para la descarga luminiscente de la región D - F.

Régimen de descargas a presiones atmosféricas

En el punto D se inicia una descarga denominada corona. La corona es una descarga de baja corriente (10-6A) a

presión atmosférica. Se desarrollan localmente (por ejemplo, en el extremo de cables) en campos eléctricos no

uniformes.

En el punto H, se produce la descarga de chispa (spark discharge, en terminología anglosajona), que es un

régimen transitorio, en el que se crea un canal ionizado que une ambos electrodos, cuya creación es resultado de varias fases, que incluye el mecanismo streamer (ver apartado 3.3.1).

En este régimen, la corriente es tan intensa que es capaz de calentar el cátodo hasta la incandescencia, produciendo intensa emisión termoiónica y dando lugar a un arco (región de I en adelante). El arco de la región I - J se denomina arco no térmico, porque el plasma que genera es de no equilibrio termodinámico (temperatura de

electrones, iones y neutros son diferentes). Los arcos más allá del punto J, se denominan arcos térmicos, que

constituye un plasma cercano al equilibrio termodinámico.

Los arcos eléctricos son descargas de alta corriente (> 100 A) y muy brillantes. Se diferencian de las descargas

luminiscentes en los mecanismos de emisión de electrones. En los arcos, los electrones se emiten por procesos termoiónicos, debido al calentamiento del cátodo. El plasma generado se encuentra en equilibrio termodinámico.

Tensión de ignición y tensión de ruptura de gases

En los párrafos anteriores, para los diferentes tipos de descarga eléctrica no se han detallado las tensión del

punto D, denominada tensión de ignición (inception, en terminología anglosajona) ni en los puntos H y H’,

denominadas tensiones de ruptura (breakdown, en terminología anglosajona), ya que dichos valores, dependen de

muchos factores (tipo de gas, presión, material de los electrodos y distancia entre ellos, etc...).

En las siguientes figuras, se pueden observar sus valores para diferentes tipos de gases:

Tensión de ignición de descarga corona en una mezcla de 100% SF6

Tensión de ignición de descarga corona en una mezcla de 90% N2 + de 10% SF6

Tensión de ruptura característica de diferentes gases