Post on 14-Dec-2014
2-1
2. Ruptura dieléctrica de los gases
2-2
Introducción
En ausencia de campos eléctricos o magnéticos: Las partículas cargadas participan en
colisiones moleculares Su movimiento sigue la ley clásica de los
gasespV = C = constante V T
V0 T0
=V 273 + V0 273
== - 273°C, V 0
pV0 = C0pV0 C0
T0
= TC0
T0
= RConstante universalde los gases. 8.314joules/°Kmol
2-3
Introducción La ecuación fundamental para la teoría cinética de
los gases se deriva de:
El gas consiste en moléculas de la misma masa y se asumen esféricas.
Las moléculas están en constante movimiento aleatorio.
Las colisiones son elásticas
La distancia media entre moléculas es mucho mayor que su diámetro.
Las fuerzas entre moléculas y las paredes del contenedor son despreciables
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Colisión – transferencia de energía
Las colisiones entre partículas gaseosas son: Elásticas
Inelásticas
El intercambio de energía siempre es cinética
Parte de la energía cinética de la partícula se transfiere a energía potencial de la partícula golpeada o viceversa
- Excitación- Ionización- Adherencia
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Gases como medio Aislante Los gases son los mas comunes y simples materiales
aislantes.
La mayoría de los equipos eléctricos usan el aire como material aislante.
A temperatura y presión normal los gases son aislamientos excelentes
Gases aislantes mas conocidos: Nitrógeno (N2), Dióxido de Carbono (CO2), Freon (CCl2F2) y Hexafloruro de Azufre (SF6).
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Ionización
En la presencia de campos eléctricos altos el gas se ioniza por el impacto con las moléculas neutras
La causa principal de la ionización es por el impacto de electrones
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Relación voltaje corriente en la región antes de la ruptura
Voltaje
Cor
rient
e
V1 V3V2 V4
i0
2-8
Primer coeficiente de ionización de Townsend
En ausencia de un campo eléctrico hay un estado de equilibrio
La corriente es proporcional al voltaje (0-V1)
Después de V1 la corriente permanece casi constante en I0 Corriente de saturación
A voltajes altos I0 crece exponencialmente
Para valores mayores a V3 ocurre el proceso de descarga autosostenida.
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Primer coeficiente de Townsend
A voltajes superiores de V2, Townsend lo describió como ionización del gas por colisiones
Introdujo el coeficiente
dn = ndx
n = n0ed
I = I0ed es el primer coeficiente de Townsend
2-10
Multiplicación de electrones
i
d
Cátodo
nx
Ánodo
dx
x
n0
E
Representación esquemática
2-11
Coeficiente
I = I0ed
= pf EP
EPp
= f
El primer coeficiente de Townsend es una función del campo eléctrico y de la presión del gas
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Proceso de Ruptura de los gases. Cuando cesa la acción del agente ionizante, el gas
sigue manteniendo su conductividad eléctrica durante cierto tiempo y finalmente desaparece completamente.
Los iones libres presentes en el gas se recombinan entre si y al terminarse este proceso, el gas vuelve a su estado normal.
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Fotoionización
Los electrones de más baja energía que la energía de ionización pueden excitar átomos de los gases a niveles más altos
A + e + k A* + e
A* A + h
2-14
Ionización por la interacción de casi-estables con átomos
En ciertos elementos los electrones permanecen excitados durante segundos, se les conoce como casi-estables (metastable)
Am + B A+ + B + e
Am + Am A+ + A + e + E. C.
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Ionización térmica
Ionización de las moléculas por colisión de las moléculas, por radiación y por la colisión de electrones que ocurren en un gas a alta temperatura
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De-ionización por recombinación
Siempre que hay partículas cargadas tiene lugar la recombinación
A+ + e A + h
A+ + e Am + h
Radiación
Recombinación
A+ + C + e A* + C A + C + h
A+ + e + e A* + e A + e + h
2-17
Deionización por adherencia – Formación de iones negativos
Algunos átomos o moléculas en estado gaseoso, pueden adquirir electrones libres para formar un ión negativo estable
Son aquellos que les falta uno o dos electrones en su capa externa
Se les conoce como gases electronegativos
2-18
Procesos para la formación de iones negativos
A + e A- + h (Wa = h
e + A + B A- + (B + Wk) (Wa = Wk)
e + AB (A B- )* A- + B
e + AB (A B- )*
(A B- )* + A (AB)- + Wk + Wp
3
5
2
4
1
e + AB A+ + B- + e
A + B A+ + B-
2-19
Mecanismo de ruptura por avalancha
El mecanismo de Townsend aplica sólo si no se considera la carga espacial
La carga espacial afecta el campo eléctrico, ya no es uniforme
El campo se ensancha en la cabeza de la avalancha
En la parte posterior de la avalancha el campo tiende a disminuir
Más atrás aún el campo tiende a incrementarse nuevamente
2-20
Distorsión del campo eléctrico por la carga espacial
d
Cátodo Ánodo
E0
+ _ +_Representación esquemática de la distorsión de campo eléctrico por la carga espacial de una avalancha de electrones
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Proceso de ruptura por avalancha
(a) (b) (c) (d) (e)
(a) Avalancha cerca del ánodo; (b) y (c) la avalancha del cátodo se inicia; (d) y (e) se establece el canal de plasma entre el cátodo y el ánodo
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Ley de Paschen
Vb min
(pd)2W
Vb
pd(pd)min(pd)2N
N WVb(NW)
El voltaje de ruptura es una función del producto entre la distancia entre electrodos y la presión del gas
2-23
Descargas corona
+ + +
Representación esquemática de la formación de avalanchas con voltaje al impulso en función de la duración del pulso.
2-24
Curvas de inicio de varios modos de corona positiva (Ánodo)
0 5 10 15 20 25 30 35
200
150
100
50
drr = 1 cm
Distancia entre electrodos (cm)
Sin ionización
Inicia avalancha
Efluvios
Avalancha de ruptura
Arqueo
Vol
taje
de
CD
(kV
)
2-25
Relación voltaje – frecuencia de los pulsos de
Trichel
0 10 20 30 40 50 60
50
Voltaje (kV)
300
250
200
150
300
Fre
cuen
cia
puls
os d
e T
riche
l (kH
z)
1 cm2 cm
5 cm
Frecuencia de recurrencia de los pulsos de Trichel para diferentes distancias entre electrodos en aire. (r = 0.75 mm)
2-26
Características corona para electrodos punto plano en
aire
0 1 2 3 4 5 6
80
60
40
20
drr = 0,75 mm
Distancia entre electrodos (cm)
Sin ionización
Pulsos Trichel
Efluvios
Arqueo
Vol
taje
de
CD
(kV
)
100
Región de transición
2-27
Electrodos para obtención de la rigidez dieléctrica de gases
Plano – plano
Cilindros coaxiales
200.5
IEC 156
2.52.5
2.5
15
1.5
9
Esfera - planoPlano – plano con
protuberancia
102
Rad. UV
2-28
Voltaje de inicio de corona y de ruptura en función de la presión del
gas
0.8 1.0 1.2 1.4
200.5
60
50
40
30
20
10
0
Presión (Bar)
kV r
ms
Inicio de coronaruptura
0.8 1.0 1.2 1.4
60
50
40
30
20
10
0
Presión (Bar)
kV r
ms
151.5
Inicio de coronaruptura
2-29
Voltaje de inicio de corona y de ruptura para diferentes
mezclas
20 40 60 80
200.5
60
50
40
30
20
10
0
Contenido de SF6 (%)
kV r
ms
Inicio de coronaruptura
20 40 60 80
60
50
40
30
20
10
0
kV r
ms
151.5
Inicio de coronaruptura
Contenido de SF6 (%)Mezcla Aire/SF6 Mezcla Aire/SF6