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

2-4

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

2-5

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).

2-6

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

2-7

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.

2-9

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

2-12

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.

2-13

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.

2-15

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

2-16

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

2-21

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

2-22

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