ENSAYO 1, TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA                                                                                         ...
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Ruptura dieléctrica y efecto corona

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Abstract--- En este ensayo profundizamos un poco el tema de los dieléctricos, sabiendo que son aislantes es decir que no dejan el paso de la electricidad, para entender como puede ocasionarse la ruptura dieléctrica ocasionada por la acumulación de cargas provenientes de un campo eléctrico muy grande que está actuando sobre el material para desestabilizarlo y romper el coeficiente dieléctrico y producir lo que se conoce como ruptura dieléctrica, además utilizando este conocimiento entender el famoso efecto llamado corona, el cual se produce en las líneas de alta tensión debido a varios factores importantes que en este mismo ensayo trataremos. Y ver algunas formas de cómo reducir ese efecto corona.

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Ruptura dieléctrica y efecto corona

  1. 1. ENSAYO 1, TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA 1 Ruptura Dieléctrica y Efecto Corona Pedro Francisco Rodas Rivera, Autor Ingeniería Eléctrica, Universidad Politécnica Salesiana Cuenca, Ecuador prodas@est.ups.edu.ec Abstract—En este ensayo profundizamos un poco el tema B. Polarización dieléctricade los dieléctricos, sabiendo que son aislantes es decir que no La polarización dieléctrica hace que las cargas positivasdejan el paso de la electricidad, para entender como puedeocasionarse la ruptura dieléctrica ocasionada por la acumulación sean desplazadas hacia el campo y el cambio de cargasde cargas provenientes de un campo eléctrico muy grande que negativas en la dirección opuesta. Esto crea un campo eléc-está actuando sobre el material para desestabilizarlo y romper el trico interno que reduce el campo general dentro del propiocoeficiente dieléctrico y producir lo que se conoce como ruptura dieléctrico. Si un dieléctrico está compuesto de moléculasdieléctrica, además utilizando este conocimiento entender el débilmente unidas, no sólo aquellas moléculas se polarizan,famoso efecto llamado corona, el cual se produce en las líneasde alta tensión debido a varios factores importantes que en este sino también reorientar de manera que su eje de simetría semismo ensayo trataremos. Y ver algunas formas de cómo reducir alinea con el campo, como se ve en [2].ese efecto corona. III. RUPTURA DIELÉCTRICA Index Terms—material, dieléctrico, coeficiente, polarización,regiones, campos eléctricos, ruptura dieléctrica, efecto corona. Bajo la interacción de grandes campos eléctricos, un mate- rial que es normalmente un aislante eléctrico puede empezar a conducir electricidad, a este fenómeno se lo conoce como ruptura dieléctrica. I. I NTRODUCCIÓN El mecanismo detrás de ruptura dieléctrica se puede en- tender mejor usando la teoría de las bandas de forma La ruptura dieléctrica es un fenomeno que se produce macroscópica, ver [3].cuando el campo eléctrico entre dos conductores supera unvalor crítico EC , haciendo saltar una chispa en el vacío, A. Teoría de las bandaso quemando el dieléctrico que pueda haber en medio. Estolimita la carga que se puede almacenar en las placas de Existen tres capas en cada material en los cuales losun condensador, de manera tal que el dieléctrico pierde sus electrones dentro del mismo pueden estar: son las bandaspropiedades de material aislante convirtiéndose en un material de conducción, la banda de energía (banda prohibida) y laconductor lo cual resulta en una circulación de carga, ver [1]. banda de valencia, a los electrones en la banda de valencia se El efecto corona es el resultado de la acumulación de los puede considerar que están obligados a ocupar ese lugar,cargas en las regiones puntiagudas de un conductor cargado, mientras que los electrones en la banda de conducción actúanes la creación de un campo E muy intenso capaz de producir en forma de cargas portadoras móviles.la ruptura dieléctrica del aire en las inmediaciones de estas En los materiales dieléctricos ambas bandas están separadasregiones. por una banda de energía, la cual es prohibida para los electrones, llamada banda prohibida, como se ve en la figura 1. II. M ARCO TEÓRICO En esta sección trataremos de definir la mayoría de temasrelacionados con lo que es la ruptura dieléctrica y el efectocorona con el fin de tener un mejor entendimiento de todoslos principios que estos conllevan.A. Material dieléctrico Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducenla electricidad, es decir que son aislantes del flujo eléctrico.Si aplicamos un campo eléctrico en el material dieléctricoestas no fluyen a través del material como lo harían en un Figura 1. Material dieléctrico y sus tres bandas representativasmaterial conductor, si no que ligeramente se desplazan desdesu posición de equilibrio promedio causando la polarización Como la banda de valencia es menor en energía, losdieléctrica, como se ve en [2]. electrones preferentemente ocuparan esta banda, por lo tanto
  2. 2. ENSAYO 1, TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA 2en los materiales dieléctricos bajo condiciones normales la conductores suelen ser de sección circular, el halo adopta unabanda de conducción permanecerá vacía. forma de corona, de ahí el nombre del fenómeno, ver [4], [5]. Si a un electrón en la banda de valencia se le suministraenergía proveniente de un campo eléctrico, mayor o igual ala energía Eg necesaria para el salto, este podría terminardirigiéndose hacia la banda de conducción. Y si se le aplica un campo eléctrico lo suficiente mentegrande como para portar con la energía necesaria para movervarios electrones a la ves desde la banda de valencia hasta labanda de conducción, y como los electrones en la banda deconducción actúan como cargas portadoras, el material ahoraconduce en lugar de almacenar carga, como se ve en la figura2. Figura 4. Espectro de corona típico de descarga en el aire A. Cuál es la causa? El efecto corona está causado por la ionización del aire circundante al conductor debido a los altos niveles de tensión de la línea, los iones son repelidos y atraídos por el conductor a grandes velocidades, produciéndose nuevos iones por colisión. En el momento que las moléculas de aire se ionizan aumenta el diámetro eficaz del conductor metálico y éstas son capaces de conducir la corriente eléctrica y parte de los electrones que circulan por la línea pasan a circular por el aire, tal circulación producirá un incremento de temperatura en el gas que seFigura 2. Conducción de los electrones desde la banda de valencia hacia la tornará de un color rojizo para niveles bajos de temperatura obanda de conducción, debido a un campo eléctrico muy grande azulado para niveles altos, ver [4], [5]. Es decir el material dejó de ser un dieléctrico para conver- La intensidad del efecto corona se puede cuantificar segúntirse en un conductor, a este proceso se lo denomina ruptura el color del halo:dieléctrica, como se ve en la figura 3. • Será rojizo en casos leves. • Será azulado en casos más severos. B. Los Efectos El efecto corona produce algunos efectos negativos como son: • Generación de luz. • Ruido audible. • Ruido de radio. • Vibración resultante del viento eléctrico. • Deterioro de los materiales como consecuencia de un bombardeo de iones. • Generación de ozono, óxidos de nitrógeno y la presencia de humedad, ácido nítrico.Figura 3. Ruptura dieléctrica de un material dieléctrico • Disipación de la energía IV. E FECTO CORONA C. Dónde ocurre? El efecto corona se presenta cuando el potencial de unconductor en el aire se eleva a valores tales que sobrepasan Principalmente este efecto ocurre alrededor de los conduc-la rigidez dieléctrica del aire que rodea al conductor se man- tores de las líneas de transmisión, pero además está presenteifiesta por luminiscencias de colores azulados que aparecen en:alrededor del conductor, mas o menos concentrados en las • En espaciadores y amortiguadores.irregularidades de su superficie. La descarga va acompañada • Aislante eléctricos dañados de cerámica o un materialde un sonido silbante y de olor de ozono, y si hay humedad diferente que la cerámica.apreciable se produce ácido nitroso. • Aislantes contaminados. El efecto corona es un fenómeno eléctrico que se produce • En los extremos vivos de ensambles de aislantes y man-en los conductores de las líneas de alta tensión dado que los guitos aisladores.
  3. 3. ENSAYO 1, TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA 3 • En cualquier punto de un equipo eléctrico, donde la donde PC es la pérdida de potencia en [kV/km], δ es el factor fuerza del campo eléctrico exceda los 3 [MV/m]. de densidad del aire, f es la frecuencia de la línea en [Hz], • En ciertos árboles de gran tamaño (esto origina temor DM G es la distancia media geométrica entre fases, RM G es supersticioso en la gente que no conoce el tema). el radio medio geométrico, VS es el valor de la tensión fase- neutro en [kV] y VC es el valor de tensión crítica disruptivaD. Cómo detectar? en [kV]. La observación visual del efecto corona es muy difícildebido a que su emisión de radiación es muy débil, en su G. Cómo reducir el efecto coronatotalidad dentro del espectro Ultra Violeta y es virtualmente Un método muy popular para la reducción de la coronaimposible observarlo a simple vista, salvo en la oscuridad en los cables es rodear al conductor con una película o capatotal, por lo que para su observación se utiliza un sistema semiconductora de mayor radio, esto efectivamente aumentaBI ESPECTRAL que combina un lente UV ICCD (CCD el radio del objeto, y por lo tanto disminuye la intensidad deintensificado) que no permite el paso de luz solar, con una campo. Puede que no necesite una gran cantidad de cobreimagen del espectro visible, de esa manera puede detectar para transportar la corriente necesaria (a menudo micro oemisiones UV muy débiles, en general antes que se produzca miliamperios), pero se desea que el diámetro del conductorla descarga en si misma que causa daños importantes, ver [5]. lo suficientemente grande como para reducir la corona, ver La emisión de corona en el aire está en la longitud de onda [6].de alrededor 300 a 360 [nm], como se ve en la figura 4. V. C ONCLUSIONES Después de realizar este ensayo podemos concluir que el tema tratado de la ruptura dieléctrica y el efecto corona es de mucha importancia ya que es necesario tener mucho cuidado con las líneas de tensión respecto al cuidado y mantenimiento ya que la aparición del efecto corona es muchas veces catastrófico en las líneas por lo que su gran conocimiento y reconocimiento ayuda a la problemática existente, además de aportar para el conocimiento general de cómo están formados estos fenómenos muy interesantes que necesitan de cámarasFigura 5. Visualización del efecto corona en una línea de alta tensión por especiales debido a su baja longitud de onda. Y sin lugarmedio de cámaras especiales a dudas comprender como pueden utilizarse los materiales dieléctricos en el campo de la electrónica ya que un material dieléctrico controlable es la base de la electrónica, tambiénE. Cálculo de la tensión crítica disruptiva conocido como transistor. El efecto corona se producirá cuando la tensión de la líneasupere la tensión crítica disruptiva del aire, es decir, aquel A PÉNDICEnivel de tensión por encima del cual el aire se ioniza, ver [4].La fórmula más utilizada para la determinación de la tensión TABLA 1crítica disruptiva es la propuesta por el ingeniero americanoF.W. Peek: Valor de constantes y resistencias dieléctricas para diferentes materiales DM G VC = 21.2 · δ · r · ln · n · kr · km · kg (1) Material Constante Dieléctrica Resistencia dieléctrica [V/m] RM G Aire 1 3 × 106donde VC es el valor de tensión crítica disruptiva en [kV], δ TiBaO3 1200 7.5 × 106es el factor de densidad del aire, r es el radio del conductor Freon 1 8 × 106en [cm], DM G es la distancia media geométrica entre fases, Aceite 2.3 1.5 × 107RM G es el radio medio geométrico, n es el número de Vidrio 6 3 × 107conductores por fase, kr es el coeficiente de rugosidad del Parafina 2 3 × 107conductor empleado, km es el coeficiente medioambiental ykg es el factor de cableado. Cuarzo 4 4 × 107 Poliestireno 2.6 5 × 107 Mica 6 2 × 108F. Cálculo de las pérdidas de potencia Para aquellos casos en los que se produce el efecto corona,ver [4], la pérdida de potencia se calcula según la fórmula: R EFERENCES [1] U. de Sevilla, “Ruptura dieléctrica,” p. 1, 2009. [Online]. Available: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ruptura_dieléctrica 244 DM G 2 [2] Wikipedia, “Dielectric,” p. 1, 2012. [Online]. Available: http://en. PC = (f + 25) (VS -VC ) · 10−5 (2) wikipedia.org/wiki/Dielectric δ RM G
  4. 4. ENSAYO 1, TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA 4[3] University of Cambridge, “Dielectric breakdown,” p. 1, 2004. [Online]. Available: http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/dielectrics/breakdown.php[4] D. Rocha, “Efecto Corona y Ruptura Dieléctrica,” p. 1, 2011. [Online]. Available: https://sites.google.com/site/danirocha51/home/ videos-sobre-fenomenos-electricos-y-demostracion-de-diversas-leyes-electricas/ efecto-corona-y-ruptura-dielectrica[5] B. Lucas G. and E. Spitzer, “Visualización del efecto corona,” pp. 1–2, 2009. [Online]. Available: http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot. com/2009/12/visualizacion-del-efecto-corona-parte-1.html[6] J. Lux, “Corona,” p. 1, 1998. [Online]. Available: http://home.earthlink. net/~jimlux/hv/corona.htm[7] R. G. Brown, “Dielectric Breakdown and the Corona Effect,” p. 1, 2002. [Online]. Available: http://www.phy.duke.edu/~rgb/Class/potential/node7. html

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