Aislantes_gaseosos

7/27/2019 Aislantes_gaseosos

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Universidad TecnolUniversidad Tecnolgica Nacionalgica Nacional

Facultad Regional Santa FeFacultad Regional Santa Fe

IngenierIngeniera Ela Elctricactrica Tercer NivelTercer Nivel

Unidad 1: aislantes gaseosos.

Ing. Carlos Bonet

Tecnologa y Ensayos de Materiales


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ndicendice

Propiedades generales

Caractersticas Conceptos

Constante dielctrica de losgases

Descarga elctrica en los gases

AislantesAislantesgaseososgaseosos

Ley de Paschen

Rigidez dielctrica de los gases

El aire y el vaco como dielctrico

Gas hexafluoruro de azufre (SF6)


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Bibliografa consultada: Materiales electrotcnicos. Enciclopedia CEAC de

electricidad. D. Jos Ramrez Vzquez. ISBN 84-329-6013-6.

Manual de ingeniera elctrica. Tomo 1. Donald G.Fink. H. Wayne Beaty.

Recursos necesarios para su comprensiRecursos necesarios para su comprensinnBibliografBibliografaa


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Objetivos del temaObjetivos del tema

Tema: Aislantes gaseosos.Tema: Aislantes gaseosos.

Objetivos particulares de aprendizaje de la unidad

temtica:

Entender las propiedades generales de los

aislantes gaseosos. Capacidad para el anlisis de textos, la sntesisde la informacin y la crtica.


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Aislantes gaseososAislantes gaseososPropiedades generalesPropiedades generales

Un gas es un medio dielctrico altamente compresible, usualmente debaja conductividad y con una constante dielctrica ligeramente mayor quela unidad, excepto a altas presiones.

En campos elctricos de alta intensidad, el gas se puede volver conductorcomo resultado de la ionizacin de impacto de las molculas del gas con

electrones acelerados por el campo y por procesos secundarios queproducen ruptura parcial (corona) o ruptura completa.

Aire 1,000536 He 1,000065N2 1,000547 A 1,000517

O2 1,000495 SF6 1,002084CO2 1,000921 H2 1,000254

Constante dielctrica de gases a 20 C, 1 atm.


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Aislantes gaseososAislantes gaseososCaracterCaractersticassticas ConceptosConceptos

Un gas normal no expuesto a ningn agente ionizante es un materialaislante perfecto para todas las tensiones de servicio que estn pordebajo de su rigidez dielctrica.

Un gas puede pasar de su estado dielctrico a estado de conduccin por

diversas circunstancias, segn el siguiente detalle: Proximidad de las llamas, arcos elctricos, carbn o metales

incandescentes.

La difusin en un espacio en que se produce o se ha producido unadescarga elctrica.

Al atravesar un espacio bajo la influencia de rayos X, de rayos catdicos,de radiaciones radiactivas o de luz ultravioleta de onda corta.

Todas estas causas producen en los gases un estado de ionizacin o deexistencia de iones mezclados con el gas que provocan la conductividadelctrica de este.


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Aislantes gaseososAislantes gaseososCaracterCaractersticassticas Conceptos (continuaciConceptos (continuacin 1)n 1)

La conduccin elctrica en un gas ionizado no sigue la ley de Ohm peropara valores bajos de fem. si se comporta respondiendo a esta ley.

Curva V-I de un gas ionizado entre electrodos planos paralelos


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Entre 0-1: el gas acta como cualquier conductor que sigue la ley deOhm.

Entre 1-2: existe estado de saturacin, donde hay un pequeo incrementode corriente con un aumento de tensin.

Entre 2-3: el campo elctrico se hace lo suficientemente elevado paraprovocar por si mismo la ionizacin y en esta zona el aumento de

corriente es mucho mayor que el aumento de tensin.

Cuando cesa la accin del agente ionizante, el gas sigue manteniendo

su conductividad elctrica durante cierto tiempo y finalmentedesaparece completamente.

Esto indica que los iones libres presentes en el seno del gas serecombinan entre si y al terminarse este proceso, el gas vuelve a su

estado normal.


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

Pasando el gas a travs de lana de vidrio.

Hacindolo burbujear en una masa de agua

Haciendo pasar el gas por un campo elctrico intenso.

Refrigeracin (aumento de la superficie de aire).


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Aislantes gaseososAislantes gaseososConstante dielConstante dielctrica de los gasesctrica de los gases

La constante dielctrica de todos los gases (aire, hidrogeno, nitrgeno,anhdrido carbnico, etc.) a las temperaturas entre 0 y 20 C y la devapor de agua a la temperatura de 150 C es igual a 1.Este valor es independiente de la frecuencia, de la intensidad del campoelctrico y del campo magntico.

Qu modifica la constante dielctrica de un gas?

Los cambios de la presin. La temperatura. La presencia de humedad en el aire. La presencia de otros gases aumentando su constante dielctrica.

Cuando la constante dielctrica se expresa en funcin del vaco absoluto,su valor es superior a 1.El estado de ionizacin de un gas influye en su constante dielctrica, parapresiones muy dbiles la constante dielctrica disminuye al principiocuando comienza la ionizacin, para crecer bruscamente al aumentar laionizacin.


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Aislantes gaseososAislantes gaseososDescarga elDescarga elctrica en los gasesctrica en los gases

Cuando se aplica una tensin creciente entre dos electrodos sumergidosen el seno de un gas llega un momento en que se produce una descargaelctrica.

Esta descarga elctrica se produce de dos formas:

Aumentando progresivamente la tensin.

Acercando los electrodos con tensin constante.

Por ejemplo un aislante en condiciones normales tiene una rigidezdielctrica determinada y el medio gaseoso no se encuentra ionizado.

La tensin puede aumentar por:

Origen atmosfrico: debido a una descarga atmosfrica Ejemplo: unrayo.

Origen elctrico: por una sobretensin de maniobra o por unasobretensin debido a una falla prxima al aislante.


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Aislantes gaseososAislantes gaseososDescarga elDescarga elctrica en los gases (continuacictrica en los gases (continuacin 1)n 1)

La primera fase de la descarga es lo que se llama EFECTO CORONA, esuna luminosidad prxima al electrodo positivo que hace de nodo, esvisible y empieza a producir ionizacin y produccin de gas ozonoprximo a esta zona, hasta aqu no hay ninguna descarga ni conduccin,las condiciones no han sido modificadas todava.

La segunda fase es el EFLUVIO, la luminosidad alcanza al ctodo,

normalmente se suele observar los das de muy alto porcentaje dehumedad en las lneas areas. Es una conduccin muy dbil, no alcanza averse una descarga, tiene una formacin violeta uniforme y aparececuando hay saturacin prxima a la zona.

A continuacin tenemos la chispa que es la tercera fase: Es una descargade corta duracin, es una descarga de mucha luminosidad, produciendoruido, se empieza a observar prxima al ctodo.

La cuarta fase es el ARCO: La conduccin es permanente, del orden delos microsegundos. Cuando las protecciones no actan pueden durarminutos.


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Efecto corona

Descarga luminosa en las proximidades del electrodo positivo (nodo). Ocasiona interferencias de radiofrecuencia y produce ozono si hay presencia deoxigeno.


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Efluvio

Si se sigue aumentando la tensin se produce el efluvio.

La luminosidad andica alcanza el ctodo y el espacio interelectrdico quedailuminado

con tonalidad violeta uniforme. El efluvio aparece cuando hay saturacin de ionizacin en la zona de electrodos.


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Chispa

Descarga de corta duracin, semejante a una lnea quebrada con ngulos marcados.

Puede ser de tono violeta y poco brillante con transporte de energa o de tono blanco

azulado muy brillante, luminoso, producindose entonces chasquidos y detonaciones.


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Arco

Descarga de larga duracin de forma casi rectilnea, muy caliente y constituido por

vapores incandescentes producidos por partculas metlicas o de carbn procedentes

de los electrodos.

Este ultimo fenmeno es continuo y persistente, pero requiere un ctodo muycaliente.


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Aislantes gaseososAislantes gaseososLey de PaschenLey de Paschen

Esta ley establece que la tensin disruptiva de un gas solamentees funcin del producto de la distancia entre electrodos por la

presin del gas.

Ud = f (p,d)

Ud: tensin disruptiva

p: presin del gas

d: distancia entre electrodos

La tensin disruptiva de un gas solamente depende de la masa de gas entreelectrodos.

En la mayora de las lmparas de descarga, se aprovecha que la presin sea mayor,para que la tensin disruptiva necesaria para producir la conduccin en los electrodossea menor


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Aislantes gaseososAislantes gaseososLey de Paschen (continuaciLey de Paschen (continuacin 1)n 1)

Si p.d = cte. la tensin disruptiva tambin permanecer

constante. Esta relacin es aplicable para la tensin mnimadisruptiva y la presin critica.

Ud = f (p,d)

Ejemplo: Tensiones disruptivas mnimas para algunos gases:

Gas Ud p.d

aire

anhdrido carbnico

argnhelio

hidrogeno

nitrgeno

347

419

233261

278

251

5,7

5,1

7,627,0

14,4

6,7

P:mm de columna de agua.

d:mm de columna de agua.


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Aislantes gaseososAislantes gaseososRigidez dielRigidez dielctrica de los gasesctrica de los gases

La rigidez dielctrica de los gases, est determinada por:

Geometra de los electrodos

Separacin de los electrodos Presin

Naturaleza del gas

Pureza del gas

Densidad del gas

Material del electrodo


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Aislantes gaseososAislantes gaseososEl aire y el vacEl aire y el vaco como dielo como dielctricoctrico

Variacin de la rigidez dielctrica del aireen funcin de la distancia entre

electrodos.La rigidez dielctrica del aire varatambin con la densidad.

Aire como dielctrico

Vaco como dielctrico

Variacin de la rigidez dielctrica delvaco en funcin de la distancia entreelectrodos.


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Aislantes gaseososAislantes gaseososEl aire y el vacEl aire y el vaco como dielo como dielctrico (continuacictrico (continuacin 1)n 1)

Consideraciones:

A los efectos elctricos se considera alcanzado el vaco cuando la conduccin y latensin entre electrodos metlicos se ha hecho independiente de la presin del gasresidual.

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

En estas condiciones, el mecanismo de la ruptura depende de la tensin aplicada, del

material, de la condicin superficial de los electrodos y de la configuracin de estos. Los gases enrarecidos hasta los limites indicados anteriormente (se pueden alcanzarpresiones 10-7 mm de mercurio) tienen notables propiedades aislantes.

La rigidez dielctrica del aire enrarecido es muy elevada para pequeas distanciasinterelectrdicas y alcanzan valores no igualados ni con los mejores aislantes slidos.

El valor de la tensin disruptiva aumenta cuando aumenta la distanciainterelectrdica como sucede con todos los materiales aislantes.

El aislamiento basado en gases enrarecido se emplea industrialmente en las vlvulaselectrnicas, tubos de rayos X, tubos de rayos catdicos, pequeos interruptores de

mercurio, etc. La rigidez dielctrica en vaco es mayor que la rigidez dielctrica del aire.


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Aislantes gaseososAislantes gaseososEl aire como dielEl aire como dielctricoctrico

Consideraciones:

El aire tiene una rigidez dielctrica de alrededor de 32 kV/cm a la

presin normal, y alcanza un valor alrededor de 160 kV/cm a unapresin de 100 N/cm2 y alrededor de 500 kV/cm para 300 N/cm2.

El aire y otros gases tienen elevadsima resistividad y estnprcticamente exentos de prdidas dielctricas.

Tienen en mayor o menor medida la propiedad comn que la rigidezdielctrica crece a medida que aumenta la presin.


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Aislantes gaseososAislantes gaseososGas hexafluoruro de azufre (SFGas hexafluoruro de azufre (SF66))

Este gas es cada vez ms empleado como aislante en:

disyuntores de baja, media y alta potencia, en barras de distribucin de AT, en subestaciones blindadas de distribucin, etc.

Por sus excelentes propiedades aislantes est sustituyendoprogresivamente a los dems gases.

Es el nico gas que posee reunidas las propiedades fsicas,qumicas y elctricas, favorables para la extincin de los arcoselctricos formados durante las conexiones y desconexiones de losdisyuntores.

Se utiliza como medio aislante y refrigerante.


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Aislantes gaseososAislantes gaseososGas hexafluoruro de azufre (continuaciGas hexafluoruro de azufre (continuacin 1)n 1)

Propiedades

El SF6 gaseoso es:

Incoloro

Inodoro

No txico

No inflamable

No contaminante

No corrosivo

Es un dielctrico regenerativo Disipa rpidamente el calor generado por el arco elctrico, reduciendoel aumento de temperatura global en el equipo.

Gran estabilidad qumica: no ataca ( o sea no oxida) ningn materialestructural a temperaturas inferiores a 500 C, y permanece estable atemperaturas a las cuales los aceites minerales se oxidan y descomponen.


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Facilidad de extincin del arco elctrico: al ser uno de los gasesms electronegativos que existen; sus molculas se combinan con

electrones libres (suponemos provenientes de un arco elctrico) para formar:

9 -SF6 cargado negativamente y

9 SF5 (pentafluoruro de azufre), iones cargados positivamente.

Como estos iones son pesados y prcticamente inmviles, no actan comoportadores de corriente.

Es esta cualidad excepcional del SF6 la que le da una:

9 excelente propiedad dielctrica y9 tambin un gran poder de extincin del arco elctrico, (sepueden cortar corrientes 100 veces mayores que las que se puedencortar en el aire, bajo las mismas condiciones).

Es un compuesto qumico estable y uno de los gases mspesados.

Propiedades


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Propiedades fsico-qumicas del SF6 que representan ventajascomo dielctrico: densidad.

Su densidad es cinco (5 ) veces mayor que la del aire (a 20 C ypresin atmosfrica).

i l


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Propiedades fsico-qumicas del SF6 que representan ventajascomo dielctrico: coeficiente de transmisin del calor.

Su coeficiente de transmisin de calores:

9 1,6 veces mayor que la del aire (a 1 atm) y

9 25 veces mayor que la del aire (a 2 atm.), esta propiedades muy importante pues facilita una rpida disipacin delcalor, reduciendo el aumento global de temperatura.

i lAi l


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Propiedades fsico-qumicas del SF6 que representan ventajascomo dielctrico: rigidez dielctrica.

Tiene una rigidez dielctrica muy elevada, tanto a la frecuenciaindustrial como a impulso, gracias a su peculiar caracterstica de gaselectronegativo. Con la captura de los electrones libres la molcula deSF6 se transforma en iones negativos pesados, y por lo tanto pocomviles.

9 La rigidez dielctricadel SF6 a la frecuencia industrial es por lomenos dos veces y media la del aire a la presin de 5 kg/cm2,condicin que permite lograr un dado nivel de aislamiento conpresiones relativamente bajas, lo cual implica sistemas decontencin simples y de completa confiabilidad.

9 La rigidez dielctrica es funcin solamente de la densidaddel gas. El aislamiento de las subestaciones blindadas donde se

utiliza este gas, es por lo tanto independiente de las variaciones detemperatura y presin que se verifican en el gas durante el servicio,resultando constante hasta la temperatura de licuefaccin del gas.

Ai l tAi l t


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Propiedades fsico-qumicas del SF6 que representan ventajascomo dielctrico: extincin del arco.

Debido a su electronegatividad, tiene un poder de extincin del arcoexcepcional.

9 Una elevada velocidad de recuperacin de la rigidezdielctrica entre los contactos, razn por la cual resultaparticularmente idneo para soportar valores muy elevados delcrecimiento de la tensin transitoria de restablecimiento en losinterruptores.

9 El consumo y degradacin del gas son mnimos, bajo la accindel arco se descompone, pero la mayor parte del mismo (99 %) serecombina inmediatamente formando nuevamente SF6.

Ai l tAi l t


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Propiedades fsico-qumicas del SF6 que representan ventajascomo dielctrico: tensin disruptiva.

La tensin disruptivaes 24 veces mayor que la tensin disruptiva delaire.

Ai l tAislantes gaseosos


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Tensin disruptivadel SF6 en funcin de la presin encomparacin con N2y aceite mineral.

A presin atmosfrica es 30 % menor que la del aceite mineral.A una presin 0,65 gr./cm2 por encima de la presin atmosfrica, es igual a la del aceite.A 1,25 Kg./cm2 por encima de la Patm, la tensin disruptiva es 15% mayor que la del aceite.

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Curvas comparativas de corrientes cortadas a 2,3 Kv.

Para aire; mezcla aire SF6 en partes iguales y SF6 puro.



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Aplicacin

Aislante en disyuntores de potencia.

Barra de distribucin de alta tensin.

Subestaciones blindadas de distribucinde corriente.



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Mercado mundial de interruptores automticos de tensin media.



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Grandes transformadores aislados con gas SF6.

Debido al aumento de la demanda de potencia de grandes

ciudades una de las soluciones fue la utilizacin detransformadores aislados con SF6 para las subestaciones dedistribucin ubicadas en reas urbanas altamente pobladas, engrandes edificios y en instalaciones subterrneas.

Las ventajasde la utilizacin de transformadores de alta tensiny potencia aislados con gas respecto a los transformadores enaceite son:

Su diseo compacto.

Su menor peso.

Bajo ruido.

Eliminacin del peligro de incendio (explosin).



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Grandes transformadores aislados con gas SF6.

Como los gases tienen menor conductividad trmica que loslquidos, para los transformadores aislados con gas que superanvarias decenas de MVA se requiere adems el uso derefrigerante lquido.

Su eleccin est basada en

9 el costo,

9 sus propiedades elctricas, fsicas y qumicas.

Para la aislacin de las bobinas en transformadores con gas, seutiliza cinta de polyphenylene sulphide (PPS) que tiene una altaresistencia trmica que incrementa la resistencia dielctrica delgas.


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