Teoria

1. INVESTIGACION: Dielectricos Y Aislantes, Tangente De Perdidas, Conductores Para Alatas Y Bajas Frecuencias.
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ESCUELA DE MECÁNICA ELÉCTRICA
FACULTAD DE INGENIERÍA
Líneas De Transmisión
Ing. Edgar Chaj Ramírez
“Dieléctricos y Aislantes”
“Tangente de Pérdidas”
“Conductores para altas y bajas frecuencias”
Byron Quelex Simaj
Carnet: 2008 18 85 7
e-mail: byron_f46@hotmail.com
3 Dieléctricos y Aisladores
RESUMEN:
3.1 Dieléctricos
En esta investigación obtendremos una perspectiva Se denomina dieléctrico al material mal conductor de
general sobre los dieléctricos y aislantes eléctricos, los electricidad, por lo que puede ser utilizado como aislante
diferentes tipos, características y la diferencia entre eléctrico, y además si es sometido a un campo eléctrico
ellos, además la aplicación de tangente de perdidas y la externo, puede establecerse en él un campo eléctrico
selección de tipos de conductores ideales para altas y interno, a diferencia de los materiales aislantes con los
bajas frecuencias. que suelen confundirse. Todos los materiales
dieléctricos son aislantes pero no todos los materiales
aislantes son dieléctricos.
PALABRAS CLAVE: Dieléctricos, aislantes, tangente 3.1.1 Tipos de Dieléctricos
de pérdidas, conductores para altas y bajas frecuencias.
Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el
vidrio, la cerámica, la goma, la mica, la cera, el papel, la
madera seca, la porcelana, algunas grasas para uso
1 INTRODUCCIÓN industrial y electrónico y la baquelita. En cuanto a los
gases se utilizan como dieléctricos sobre todo el aire, el
El propósito de esta práctica es conocer el tipo de nitrógeno y el hexafluoruro de azufre.
dieléctricos y aisladores eléctricos las características y
diferencias entre los mismos, así como también la 3.1.2 Características de los dieléctricos
aplicación de tangente de perdidas y los tipos de
conductores para altas y bajas frecuencias que existen.. Los dieléctricos se utilizan en la fabricación de
condensadores, para que las cargas reaccionen. Cada
material dieléctrico posee una constante dieléctrica k.
Tenemos k para los siguiente dieléctricos: vacío tiene k
2 OBJETIVOS = 1; aire (seco) tiene k = 1,00059; teflón tiene k = 2,1;
nylon tiene k = 3,4; papel tiene k = 3,7; agua
 Conocer los tipos de dieléctricos. (Químicamente pura) tiene k = 80.
 Conocer los tipos de aislantes.
 Conocer la aplicación de tangente de Los dieléctricos más utilizados son el aire, el papel y
perdidas. la goma. La introducción de un dieléctrico en un
 Conocer los conductores para altas y condensador aislado de una batería, tiene las siguientes
bajas frecuencias. consecuencias:
 Disminuye el campo eléctrico entre las placas
del condensador.
 Disminuye la diferencia de potencial entre las
placas del condensador, en una relación Vi/k.
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 Aumenta la diferencia de potencial máxima que puede llevar a cabo más rápido. Son ideales para
el condensador es capaz de resistir sin que aplicaciones de fabricación a gran escala debido a su
salte una chispa entre las placas (ruptura bajo costo y versatilidad. Los aisladores de porcelana
dieléctrica). pueden romperse fácilmente y pueden ser voluminosos.
 Aumento por tanto de la capacidad eléctrica del De goma y otros aisladores compuestos, también
condensador en k veces. llamada no-aislantes de cerámica, por lo tanto más
ampliamente utilizado para el propósito de la ingeniería.
 La carga no se ve afectada, ya que permanece
la misma que ha sido cargada cuando el
condensador estuvo sometido a un voltaje. 3.2.2 Características de los aisladores
Normalmente un dieléctrico se vuelve conductor Los aisladores eléctricos, son materiales que pueden
cuando se sobrepasa el campo de ruptura del soportar el flujo de corriente eléctrica. En otras palabras,
dieléctrico. Esta tensión máxima se denomina rigidez son materiales no conductores. Ellos son lo contrario de
dieléctrica. Es decir, si aumentamos mucho el campo los conductores eléctricos que permiten que la
eléctrico que pasa por el dieléctrico convertiremos dicho electricidad fluya a través de un material. Los aisladores
material en un conductor. eléctricos ayudar abrigo, protección o apoyo de
conductores eléctricos de manera que los flujos de
corriente eléctrica a través de el director de orquesta.
Tenemos que la capacitancia con un dieléctrico llenando Aisladores son materiales de protección que ayudan a
prevenir descargas eléctricas o chispas.
todo el interior del condensador esta dado por:
(donde Eo es la permisividad eléctrica del vacío). Aisladores eléctricos están compuestos de sustancias
con electrones, o partículas de energía que están
3.2 Aisladores comprimidos en conjunto mediante un proceso químico.
Es casi imposible conseguir el voltaje eléctrico para
pasar a través de estos materiales. Algunos aisladores
Los aisladores cumplen la función de sujetar se considera que tienen umbrales más elevados para el
mecánicamente el conductor manteniéndolo aislado de voltaje eléctrico que otros, y se llama acertadamente
tierra y de otros conductores. Deben soportar la carga aisladores de alta tensión.
mecánica que el conductor transmite a la torre a través
de ellos. Deben aislar eléctricamente el conductor de la 3.2.2.1 Características mecánicas
torre, soportando la tensión en condiciones normales y
anormales, y sobretensiones hasta las máximas
previstas (que los estudios de coordinación del Los aisladores de cadena deben soportar solo cierta
aislamiento definen con cierta probabilidad de tracción 7000, 16000 o mas kg.
ocurrencia). Los aisladores rígidos deben soportar cierta compresión,
y/o cierta flexión.
Los ensayos de características mecánicas se hacen con
3.2.1 Tipos de Aisladores solicitación eléctrica simultánea.
El vidrio se utiliza como aislante eléctrico antes. De Al estar sometidos a las inclemencias del tiempo una
vidrio, junto con otros materiales no metálicos tales característica muy importante es la resistencia al choque
como la porcelana, mica, y de cerámica pueden soportar térmico (que simula el pasar del pleno sol a la lluvia).
el más alto de voltaje de la corriente eléctrica. Desde la También por los sitios donde se instalan, los aisladores
década de 1800, el cristal ayuda a proteger el cableado son sometidos a actos vandálicos (tiros con armas,
del telégrafo expuestos. Goma fue inventada a proyectiles pétreos o metálicos arrojados), es entonces
mediados de la década de 1800, y como un aislante importante cierta resistencia al impacto.
eléctrico, que se aplicó inicialmente a partes de los Frente a estas solicitaciones el comportamiento de los
aisladores de vidrio utilizadas para proteger el cableado tres tipos de materiales es totalmente distinto, el vidrio
del telégrafo. Goma, junto con los plásticos, tiene un puede estallar, siendo una característica muy importante
umbral inferior de tensión de los de vidrio y porcelana, que la cadena no se corte por este motivo.
debido a su composición de electrones sueltos. La porcelana se rompe perdiendo algún trozo pero
Con el avance de las telecomunicaciones, Teflon ® y el generalmente mantiene la integridad de su cuerpo,
dióxido de silicio llegaron a ser utilizados como aislantes mecánicamente no pierde características, solo son
eléctricos de protección contra el cableado expuesto. afectadas sus características eléctricas.
Estos materiales ayudan a proteger las líneas eléctricas, Con los aisladores compuestos por su menor tamaño es
y el cableado interno de los transformadores y menos probable que la agresión acierte el blanco, los
generadores. materiales flexibles no se rompen por los impactos y las
También hay aisladores compuestos que se derivan de características del aislador no son afectadas.
una mezcla de diversos materiales. Aisladores eléctricos
compuestos son adecuados para una variedad de
propósitos de la ingeniería eléctrica que van desde
automóviles hasta electrodomésticos. Estos aisladores
compuestos tienden a carecer de la fuerza que el cristal
y la porcelana ha de soportar el voltaje eléctrico de alta y
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3.2.2.2 Características eléctricas 4 APLICACIÓN DE TANGENTE DE
PERDIDIAS
Los aisladores deben soportar tensión de frecuencia
industrial e impulso (de maniobra y/o atmosféricos), La tangente de perdidas o tangente delta es una
tanto en seco como bajo lluvia. medida del estado de un aislamiento. También se la
Influyen en la tensión resistida la forma de los electrodos denomina factor de disipación y es una medida de las
extremos del aislador. pérdidas dieléctricas de un aislante solido o liquido.
Una característica importante es la radiointerferencia, Por tanto, su magnitud depende del tipo de
ligada a la forma del aislador, a su terminación aislamiento y de las condiciones del mismo y es
superficial, y a los electrodos (morseteria). independiente de su volumen. La desventaja de esta
En las cadenas de aisladores, especialmente cuando el prueba es que sólo determina la condición promedio del
número de elementos es elevado la repartición de la aislamiento, es decir, no detecta el punto de peor
tensión debe ser controlada con electrodos adecuados, condición. Su valor puede verse afectado por la
o al menos cuidadosamente estudiada a fin de verificar humedad y suciedad en la superficie del aislamiento que
que en el extremo crítico las solicitaciones que se permita una circulación de corriente a tierra a través de
presentan sean correctamente soportadas. la superficie del mismo aumentando las pérdidas.
La geometría del perfil de los aisladores tiene mucha La idea es que cualquier aislante puede asimilarse a
importancia en su buen comportamiento en condiciones un condensador ideal en paralelo/serie a una resistencia
normales, bajo lluvia, y en condiciones de contaminación que representa sus pérdidas dieléctricas. El ángulo delta
salina que se presentan en las aplicaciones reales cerca (?) Entre la corriente capacitiva y la total se denomina
del mar o desiertos, o contaminación de polvos cerca de ángulo de pérdidas o factor de disipación. El ensayo de
zonas industriales. tangente de delta persigue la determinación de este
La contaminación puede ser lavada por la lluvia, pero en ángulo y está basado en una fuente de alta tensión
ciertos lugares no llueve suficiente para que se produzca alterna de potencia y un puente de Schering para
este efecto beneficioso, o la contaminación es muy determinar la tangente de delta y la capacidad del
elevada, no hay duda de que la terminación superficial dieléctrico estudiado a la tensión de ensayo.
del aislante es muy importante para que la adherencia
del contaminante sea menor, y reducir el efecto Objetivo de la Prueba:
(aumentar la duración). Determinar la medida del estado de aislamiento.
Una característica interesante de los materiales
compuestos siliconados es un cierto rechazo a la Equipo y conexión de la Prueba:
adherencia de los contaminantes, y/o al agua. Medidor de capacidad y Tg, tipo puente semiautomático.
La resistencia a la contaminación exige aumentar la
línea de fuga superficial del aislador, esta se mide en Normativa que aplica a la prueba:
mm/kv (fase tierra), y se recomiendan valores que pasan Se realiza según norma UNE 21322
de 20, 30 a 60, 70 mm/kv según la clasificación de la
posible contaminación ambiente.
3.3 Diferencia entre aislantes y dieléctricos
5 TIPOS DE CONDUCTORES IDEALES
La diferencia entre estos dos materiales es el campo PARA ALTAS Y BAJAS
eléctrico interno producido por los dieléctricos cuando es FRECUENCIAS
sometido a un campo eléctrico externo. Esto no sucede
con un aislante eléctrico. Al someterlo a un campo
eléctrico externo este no produce nada. Las características de una línea de transmisión se
determinan por sus propiedades eléctricas, como la
Un dieléctrico por lo que puede ser utilizado como conductancia de los cables y la constante dieléctrica del
aislante eléctrico, y además si es sometido a un campo aislante, y sus propiedades físicas, como el diámetro del
eléctrico externo, puede establecerse en él un campo cable y los espacios del conductor.
eléctrico interno, a diferencia de los materiales aislantes
con los que suelen confundirse. Todos los materiales Estas propiedades, a su vez, determinan las constantes
dieléctricos son aislantes pero no todos los materiales eléctricas primarias:
aislantes son dieléctricos.
* resistencia de CD en serie ( R ),
* inductancia en serie ( L ),
* capacitancia de derivación ( C ),
* y conductancia de derivación ( G ).
La resistencia y la inductancia ocurre a lo largo de la
línea, mientras que entre los dos conductores ocurren la
capacitancia y la conductancia.
Las constantes primarias se distribuyen de manera
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uniforme a lo largo de la línea, por lo tanto, se les llama La señal que se propaga a lo largo del cable se mide
comúnmente parámetros distribuidos. como la diferencia de potencial entre los dos cables. Las
corrientes que fluyen en direcciones opuestas por un par
Los parámetros distribuidos se agrupan por una longitud de cable balanceados se les llaman corriente de circuito
unitaria dada, para formar un modelo eléctrico artificial metálico.
de la línea.
Las corrientes que fluyen en las mismas direcciones se
Las características de una línea de transmisión se le llama corriente longitudinales. Un par de cables
llaman constantes secundarias y se determinan con las balanceados tiene la ventaja que la mayoría de la
cuatro constantes primarias. interferencia por ruido (voltaje de modo común) se
induce igual mente en ambos cables, produciendo
Las constantes secundarias son impedancia corrientes longitudinales que se cancelan en las carga.
característica y constante de propagación.
Cualquier par de cable puede operar en el modo
Impedancia Característica: balanceado siempre y cuando ninguno de los dos cables
esté con el potencial a tierra. Esto incluye al cable
coaxial que tiene dos conductores centrales y una
Para una máxima transferencia de potencia, desde la cubierta metálica.
fuente a la carga ( no hay energía reflejada ), una línea
de transmisión debe terminarse en una carga puramente La cubierta metálica general mente se conecta a tierra
resistiva igual a la impedancia característica de la línea. para evitar interferencia estática al penetrar a los
conductores centrales. Con una línea de transmisión
La impedancia característica ( Zo ), de una línea de desbalanceada, un cable se encuentra en el potencial de
transmisión es una cantidad compleja que se expresa en tierra, mientras que el otro cable se encuentra en el
Ohms, que idealmente es independiente de la longitud potencial de la señal.
de la línea, y que no puede medirse.
Este tipo de transmisión se le llama transmisión de señal
La impedancia característica ( resistencia a descarga ) desbalanceada o de terminación sencilla. Con la
se define como la impedancia que se ve desde una línea transmisión de una señal desbalanceada, el cable de la
infinitamente larga o la impedancia que se ve desde el tierra también puede ser la referencia a otros cables que
largo finito de una línea que se determina en una carga llevan señales.
totalmente resistiva igual a la impedancia característica
de la línea.
Líneas de Transmisión de Cable Abierto.
Una línea de transmisión almacena energía en su
inductancia y capacitancia distribuida . Una línea de transmisión de cable abierto es un
conductor paralelo de dos cables. Consiste simplemente
Pérdidas en la línea de transmisión: de dos cables paralelos, espaciados muy cerca y sólo
separado por aire.
Las líneas de transmisión frecuentemente se consideran Los espaciadores no conductivos se colocan a intervalos
totalmente sin perdidas. Sin embargo, en realidad, hay periódicos para apoyarse y mantenerse a la distancia
varias formas en que la potencia se pierde en la línea de entre las constantes entre los conductores. Las
transmisión, son; distancias entre los dos conductores generalmente está
entre 2 y 6 pulgadas.
* perdida del conductor,
* perdida por radiación por el calentamiento del El dieléctrico es simplemente el aire, entre y alrededor
dielectrico, de los conductores en donde se propaga la onda
* perdida por acoplamiento, transversal electromagnética, La única ventaja real de
* y descarga luminosa ( efecto corona ). este tipo de línea de transmisión de cable abierto es su
construcción sencilla. Ya que no hay cubiertas, las
Tipos de líneas de transmisión para altas y bajas pérdidas por radiación son altas y susceptibles a recoger
frecuencias ruido. Por lo tanto, las líneas de transmisión de cable
abierto normalmente operan en el modo balanceado.
Las líneas de transmisión se clasifican generalmente
como balanceadas o des balanceadas. Con líneas
balanceadas de dos cables, ambos conductores llevan
una corriente; un conductor lleva la señal y el otro es el
regreso.
Este tipo de transmisión se llama transmisión de señal y
el otro es el regreso. Este tipo de transmisión se llama
transmisión de señal diferencial o balanceada.
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Cables Gemelos.
Los cables gemelos son otra forma de línea de
transmisión para un conductor paralelo de dos cables.
Los cables gemelos frecuentemente son llamados cable
de cinta . Los cables gemelos esencialmente son igual
que una línea de transmisión de cable abierto, excepto
que los espaciadores que están entre los dos
conductores se reemplazan con un dieléctrico sólido
continuo. Esto asegura los espacios uniformes a lo largo
de todo el cable, es una característica deseable.
Típicamente, la distancia entre los dos conductores es
de 5/16 de pulgada, para el cable de transmisión de
televisión. Los materiales dieléctricos más comunes son
el teflón y el polietileno.
Línea de Transmisión Coaxial o Concéntrica.
Par de Cables Protegido con Armadura.
Las líneas de transmisión de conductores paralelos son
apropiadas para las aplicaciones de baja frecuencia. Sin
Para reducir las pérdidas por radiación e interferencia, embargo, en las frecuencias altas, sus pérdidas por
frecuentemente se encierran las líneas de transmisión radiación y pérdidas dieléctricas, así como su
de dos cables para lelos en una malla metálica susceptibilidad a la interferencia externa son excesivas.
conductiva. La malla se conecta a tierra y actúa como
una protección. Los conductores coaxiales se utilizan extensamente,
para aplicaciones de alta frecuencia, para reducir las
La malla también evita que las señales se difundan más pérdidas y para aislar las trayectorias de transmisión. El
allá de sus límites y evita que la interferencia cable coaxial básico consiste de un conductor central
electromagnética llegue a los conductores de señales. rodeado por un conductor exterior concéntrico (distancia
uniforme del centro).
A frecuencias de operación relativamente altas, el
conductor coaxial externo proporciona una excelente
protección más bajas, el uso de la protección no es
costeable. Además el conductor externo de un cable
coaxial generalmente está unido a tierra, lo que limita su
uso a las aplicaciones desbalanceadas.
Esencialmente, hay dos tipos de cables coaxiales: líneas
rígidas llena de aire y líneas sólidas flexibles, En una
línea coaxial rígida de aire, el conductor central está
rodeado de forma coaxial por un conductor externo
tubular y el material aislante es el aire. El conductor
externo físicamente está aislado y separado del
Cable de Par Trenzado. conductor central por un espaciador, que generalmente
está hecho de Pirex, poliestireno, o algún otro material
no conductivo.
Un cable de par trenzado se forma doblando ( trenzado )
dos conductores aisladores juntos. Los pares de trenzan En un cable coaxial sólido flexible, el conductor externo
frecuentemente en unidades, y las unidades, a se vez, estará trenzado, es flexible y coaxial al conductor
están cableadas en el núcleo. central. El material aislante es un material de poliestireno
sólido no conductivo que proporciona soporte, así como
Estas se cubren con varios tipos de funda, dependiendo aislamiento eléctrico entre el conductor interno y externo.
del uso que se les vaya a dar. Los pares vecinos se El conductor interno es un cable de cobre flexible que
trazan con diferente inclinación ( largo de la trenza ) para puede ser sólido o hueco. Los cables coaxiales rígidos
poder reducir la interferencia entre los pares debido a la llenos de aire son relativamente caros en su fabricación,
inducción mutua. Las constantes primarias del cable de y el aislante de aire debe de estar relativamente libre de
par trenzado con sus parámetros eléctricos ( resistencia, humedad para minimizar las pérdidas.
inductancia, capacitancia y conductancia ), que están
sujetas a variaciones con el ambiente físico como Los cables coaxiales son relativamente inmunes a la
temperatura, humedad y tensión mecánica, y que radiación externa, ellos en sí irradian muy poca, y
dependen de las variaciones en la fabricación. pueden operar a frecuencias más altas que sus
contrapartes de cables paralelos. Las desventajas
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básicas de la líneas de transmisión coaxial es que son 6 REFERENCIAS ELECTRONICAS
caras y tienen que utilizarse en el modo desbalanceado.
[1] G. Obregón-Pulido, B. Castillo-Toledo and A. Loukianov, “A
Longitud Eléctrica de una Línea de Transmisión globally convergent estimator for n frequencies”, IEEE
tangentedelta. No 5. pp 857-863. May 2002.
[2] http://es.wikipedia.org/wiki/resistenciasbajas
La longitud de una línea de transmisión relativa a la [3] ttp://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/7347.
longitud de onda que se propaga hacia abajo es una [4] http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:dielectricos
consideración importante , cuando se analiza el http://www.itlp.edu.mx/publica/tutoriales/instalacelectricas/42.ht
comportamiento de una línea de transmisión . A http://www.medicionycontrol.com/p-tierra.htm
frecuencias bajas ( longitudes de onda grandes ) , el http://www.lobos.com.mx/pg_lobos/ser_edu/condcutoresparaalt
voltaje a lo largo de la línea permanece relativamente aybajafrecuencia/inicio.htm
constante . Sin embargo , para frecuencias altas , varias
longitudes de onda de la señal pueden estar presentes
en la línea al mismo tiempo. Todas en línea consultadas el día 8 de agosto de 2012
Por lo tanto, el voltaje a lo largo de la línea puede variar
de manera apreciable . En consecuencia, la longitud de
una línea de transmisión frecuentemente se da en
longitudes de onda, en lugar de dimensiones lineales.
Los fenómenos de las líneas de transmisión se aplican a
las líneas largas. Generalmente, una línea de
transmisión se define como larga si su longitud excede
una dieciseisava parte de una longitud de onda; de no
ser así, se considera corta. Una longitud determinada,
de línea de transmisión, puede aparecer corta en una
frecuencia y larga en otra frecuencia.
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