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Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión
Introducción
Con el incremento de la demanda de energía eléctrica, el sistema de potencia ambos
están creciendo en tamaño y complejidad.
El mecanismo que rige la descarga en los gases es el comportamiento de la corriente en
función de la tensión entre los electrodo.
Este mecanismo con lleva a una ruptura de la rigidez dieléctrica del medio circundante y
es ampliamente conocido como “Descarga de Townsend”.
Atte. El autor.
1
Calcina Añacata, Javier Edgar
Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión
Ley de Townsend
Descarga de Townsend o descarga oscura, en la cual la magnitud de la corriente, para
condiciones normales, no sobrepasa los 10-6
A.
Coeficiente de la primera Ionización de Townsend
Las descargas eléctricas, tanto las disruptivas como las parciales, tienen lugar debido a
la ionización de los átomos del aislante o dieléctrico que separa dos superficies con
diferente potencial.
Townsend descubrió que existe una relación entre la corriente que atraviesa el espacio
entre dos conductores planos y la diferencia de potencial aplicada en los mismos. Esta
relación se muestra en la Figura 1, mostrada a continuación.
Figura 1. Relación entre la corriente y la tensión entre dos conductores planos de la descarga.
Tal y como muestra en la figura anterior, Townsend descubrió que el aumento de la
corriente con la tensión tiene tres tramos diferenciados, hasta que se produce la descarga
eléctrica o ruptura del aislante. En el primer tramo (0-V1), la corriente aumenta casi
directamente proporcional a la tensión aplicada. Este transporte de la corriente es debido
a la formación natural de los iones libres en el aire. Cuando se alcanza el valor de
corriente de saturación, representado en la figura por i0, comienza el segundo tramo
(V1-V2) en el cual la corriente permanece casi constante. Si se aplican tensiones
mayores a V2 de forma mantenida, se alcanzan valores de corriente superiores a i0. En
2
Calcina Añacata, Javier Edgar
Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión
este tercer tramo, a partir de V2, la corriente aumenta de forma exponencial al aumentar
la tensión aplicada.
Townsend atribuyó el aumento de la corriente a partir de V2 (Figura 1) a la ionización
del gas (aislante que separa los conductores) por la colisión de los electrones. Supuso
que al aumentar la tensión y aumentar por lo tanto el campo eléctrico, los electrones
adquirían más velocidad y alcanzaban suficiente energía en los choques para poder
ionizar a las partículas del gas por colisión.
Para explicar este comportamiento Townsend definió el valor α, conocido como
“coeficiente de la primera ionización de Townsend”. Este coeficiente representa el
número de electrones libres que es capaz de producir un electrón por unidad de longitud
de camino libre, en la dirección del campo eléctrico aplicado. La Ecuación (1)
representa su aplicación y significado a la hora de comprender el comportamiento de la
multiplicación electrónica en las descargas eléctricas. En dicha ecuación n es el número
de electrones a una distancia x del cátodo en la dirección del campo eléctrico aplicado;
dn representa el incremento de electrones en la longitud dx, ver Figura 2(a):
(1)
Si integramos esta expresión en función de la distancia obtenemos la Ecuación (2).
(2)
O en términos de corriente:
(3)
Donde n0 es el número de electrones que abandonan inicialmente el cátodo y eα*d
es
conocido como “avalancha” y representa el número de electrones libres producidos por
un electrón en el viaje desde el cátodo hasta el ánodo. La Figura 2 muestra un esquema
de este proceso de avalancha.
Figura 2. Creación de electrones libres en el proceso de avalancha.
3
Calcina Añacata, Javier Edgar
Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión
Segundo Coeficiente de Ionización de Townsend
Cuando Townsend representó el log I frente a la distancia de separación de los
electrodos d, para una presión dada ρ y manteniendo el campo eléctrico E constante, se
percató de que a partir de cierto valor de d el crecimiento de la corriente era mayor al
esperado por la Ecuación (4). La representación se puede apreciar en la Figura 3.
Figura 3. Variación de la corriente en función de la separación entre los electrodos con campo y
presión uniformes.
Para explicar el alejamiento de la linealidad, Townsend postuló que un segundo
mecanismo debía estar afectando a la corriente de la descarga eléctrica. La conclusión a
la que llegó fue que nuevos electrones estaban participando en el proceso de descarga
aparte de los producidos por la ionización del gas aislante.
Otros procesos causantes del aumento de la corriente en la Figura 3 es el debido a la
fotoionización del gas, la emisión secundaria de electrones del cátodo por el impacto de
fotones, e incluso el efecto de los metaestables. El mecanismo secundario predominante
depende de las condiciones del entorno, tales como la presión, el campo eléctrico
aplicado, la forma y composición de los electrodos... Además puede haber más de un
mecanismo que participe en la ionización secundaria dentro del gas que separa los
electrodos. El coeficiente de la segunda ionización descrito por Townsend (γ) incluye a
todos los mecanismos que están participando en la ionización secundaria. La corriente
puede expresarse mediante la Ecuación (4)
4
Calcina Añacata, Javier Edgar
Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión
(4)
Donde I es la corriente que atraviesa el aislante, I0 es la corriente que inicialmente
abandona el cátodo (sin tener en cuenta el efecto de la ionización secundaria), α es el
coeficiente de la primera ionización de Townsend, d es la distancia de separación entre
electrodos y γ es el coeficiente de la segunda ionización de Townsend. Éste coeficiente
está muy influenciado por la naturaleza de la superficie del cátodo. Cuanto menor es la
función de trabajo (energía necesaria para liberar un electrón de la superficie del
cátodo), mayor será la emisión de electrones producida, ante las mismas condiciones. El
valor de γ es pequeño para valores pequeños de E/P y aumenta al aumentar E/P.
Esto es debido a que cuanto mayor sea E/P habrá mayor número de iones positivos y
fotones con la energía suficiente para liberar los electrones de la superficie del cátodo.
En la Tabla 1 se ve la influencia de la superficie del cátodo en el valor de γ.
Tabla 1. Influencia de la superficie del cátodo en el valor de γ
5
Calcina Añacata, Javier Edgar
Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión
Criterio de formación de descarga de Townsend
Al aumentar la tensión entre dos electrodos separados por aire, la corriente responde a la
Ecuación (4). A partir de dicha ecuación y mediante un desarrollo matemático se
obtiene que el criterio de descarga de Townsend es:
(6)
Donde representa el coeficiente de la primera ionización de Townsend efectivo y γ esᾱ
el coeficiente de la segunda ionización. Si γ(e *dᾱ
- 1) = 1 el número de pares de iones
producidos en el aire por el paso de la avalancha electrónica es suficientemente grande
como para que los iones positivos resultantes puedan, por el bombardeo del cátodo,
liberar un electrón secundario de la superficie del mismo que cause un nuevo proceso de
avalancha. Éste electrón secundario puede provenir también de la fotoionización. Si esto
sucede la descarga puede auto sustentarse, es decir, puede mantenerse sin el aporte de la
fuente que la originó (produjo I0). Por lo que la Ecuación (6) representa el umbral para
la descarga. Si γ(e *dᾱ
- 1) es mayor que uno, la descarga crece muy rápidamente, es
decir, el número de avalanchas sucesivas producidas es cada vez mayor. Si por el
contrario tenemos que γ(e *dᾱ
- 1) < 1 la descarga no se auto sustenta, es decir, que si
eliminas la fuente de energía que crea I0 la descarga termina por extinguirse.
Teoría de canales para la descarga eléctrica en gases
La teoría sobre el mecanismo de descargas eléctricas formulado por Townsend no tiene
en cuenta el campo eléctrico creado por los portadores de carga en el transcurso de la
avalancha. La teoría de canales surge para explicar algunos fenómenos de la ruptura
dieléctrica, que bajo ciertas condiciones de presión, la teoría de Townsend no aclara
satisfactoriamente. Según Townsend la ruptura debe producirse después del tiempo de
tránsito del electrón ti, o por lo menos en ese tiempo. Sin embargo en ocasiones la
ruptura tiene lugar en un tiempo inferior a ti y sin presentarse efectos secundarios o de
emisión catódica. La teoría de canales explica este tipo de ruptura tanto si los canales
están dirigidos al cátodo como si están dirigidos al ánodo.
.
6
Calcina Añacata, Javier Edgar
Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión
Conclusiones:
 Townsend definió el valor α, conocido como “coeficiente de la primera
ionización de Townsend”. Este coeficiente representa el número de electrones
libres que es capaz de producir un electrón por unidad de longitud de camino
libre, en la dirección del campo eléctrico aplicado.
 El primer coeficiente de ionización de Townsend (α), depende tanto de la
densidad del gas aislante o presión p como de la energía que es capaz de ganar el
electrón en las colisiones con los átomos del gas.
 Se concluye que las descargas Townsend se producen cuando la resistividad de
la superficie está entre 108
– 109
Ω/cm2 (este dato ayuda a diferenciar mejor los
dos tipos de avalanchas), y la constante de tiempo que distribuye las cargas entre
descargas debe ser:
ρs = resistividad superficie , τ = ρs · C
C = capacitancia por unidad de área.
7
Calcina Añacata, Javier Edgar
Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión
Bibliografía:
 Temas de Ingeniería Eléctrica - Dr. Juan Almirall Mesa - Conducción en los
gases.
 HIGH VOLTAGE ENGINEERING – C.L. Wadhwa
 TECNICA DE LA ALTA TENSION - Por los Ings. Jorge N. L. Sacchi –
Alfredo Rifaldi
 Técnicas de la Alta Tensión – Ing. Justo Yanque.
 Técnicas de Alta Tensión – Conducción en Aislantes Gaseosos. – Ing. Ramiro
Herrera Vargas.
8
Calcina Añacata, Javier Edgar
Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión
Anexos:
 HIGH VOLTAGE ENGINEERING – C.L. Wadhwa - Pag.34-40.
 Temas de Ingeniería Eléctrica - Dr. Juan Almirall Mesa - Conducción en los
gases - Pag.37-45.
 PFC David Lopez del Moral Hdez – 2.1 Coeficiente de la primera ionización
de Townsend – Pag.25-36.
 Técnicas de Alta Tensión - Comportamiento de los Dieléctricos – Ing. Ramiro
Herrera Vargas – Pag.7-8.
 Técnicas de la Alta Tensión – Ing. Justo Yanque.
 Descripción del Fenómeno de Descargas Parciales – Pag.7-8.
 Descargas en los Gases - Pag.3-7.
 Técnica de la Alta Tensión - Ings. Jorge N. Sacchi – Alfredo Rifaldi - Pag.158.
9
Calcina Añacata, Javier Edgar
Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión
Anexos:
 HIGH VOLTAGE ENGINEERING – C.L. Wadhwa - Pag.34-40.
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 PFC David Lopez del Moral Hdez – 2.1 Coeficiente de la primera ionización
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tema ley de townsend

  • 1. Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión Introducción Con el incremento de la demanda de energía eléctrica, el sistema de potencia ambos están creciendo en tamaño y complejidad. El mecanismo que rige la descarga en los gases es el comportamiento de la corriente en función de la tensión entre los electrodo. Este mecanismo con lleva a una ruptura de la rigidez dieléctrica del medio circundante y es ampliamente conocido como “Descarga de Townsend”. Atte. El autor. 1 Calcina Añacata, Javier Edgar
  • 2. Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión Ley de Townsend Descarga de Townsend o descarga oscura, en la cual la magnitud de la corriente, para condiciones normales, no sobrepasa los 10-6 A. Coeficiente de la primera Ionización de Townsend Las descargas eléctricas, tanto las disruptivas como las parciales, tienen lugar debido a la ionización de los átomos del aislante o dieléctrico que separa dos superficies con diferente potencial. Townsend descubrió que existe una relación entre la corriente que atraviesa el espacio entre dos conductores planos y la diferencia de potencial aplicada en los mismos. Esta relación se muestra en la Figura 1, mostrada a continuación. Figura 1. Relación entre la corriente y la tensión entre dos conductores planos de la descarga. Tal y como muestra en la figura anterior, Townsend descubrió que el aumento de la corriente con la tensión tiene tres tramos diferenciados, hasta que se produce la descarga eléctrica o ruptura del aislante. En el primer tramo (0-V1), la corriente aumenta casi directamente proporcional a la tensión aplicada. Este transporte de la corriente es debido a la formación natural de los iones libres en el aire. Cuando se alcanza el valor de corriente de saturación, representado en la figura por i0, comienza el segundo tramo (V1-V2) en el cual la corriente permanece casi constante. Si se aplican tensiones mayores a V2 de forma mantenida, se alcanzan valores de corriente superiores a i0. En 2 Calcina Añacata, Javier Edgar
  • 3. Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión este tercer tramo, a partir de V2, la corriente aumenta de forma exponencial al aumentar la tensión aplicada. Townsend atribuyó el aumento de la corriente a partir de V2 (Figura 1) a la ionización del gas (aislante que separa los conductores) por la colisión de los electrones. Supuso que al aumentar la tensión y aumentar por lo tanto el campo eléctrico, los electrones adquirían más velocidad y alcanzaban suficiente energía en los choques para poder ionizar a las partículas del gas por colisión. Para explicar este comportamiento Townsend definió el valor α, conocido como “coeficiente de la primera ionización de Townsend”. Este coeficiente representa el número de electrones libres que es capaz de producir un electrón por unidad de longitud de camino libre, en la dirección del campo eléctrico aplicado. La Ecuación (1) representa su aplicación y significado a la hora de comprender el comportamiento de la multiplicación electrónica en las descargas eléctricas. En dicha ecuación n es el número de electrones a una distancia x del cátodo en la dirección del campo eléctrico aplicado; dn representa el incremento de electrones en la longitud dx, ver Figura 2(a): (1) Si integramos esta expresión en función de la distancia obtenemos la Ecuación (2). (2) O en términos de corriente: (3) Donde n0 es el número de electrones que abandonan inicialmente el cátodo y eα*d es conocido como “avalancha” y representa el número de electrones libres producidos por un electrón en el viaje desde el cátodo hasta el ánodo. La Figura 2 muestra un esquema de este proceso de avalancha. Figura 2. Creación de electrones libres en el proceso de avalancha. 3 Calcina Añacata, Javier Edgar
  • 4. Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión Segundo Coeficiente de Ionización de Townsend Cuando Townsend representó el log I frente a la distancia de separación de los electrodos d, para una presión dada ρ y manteniendo el campo eléctrico E constante, se percató de que a partir de cierto valor de d el crecimiento de la corriente era mayor al esperado por la Ecuación (4). La representación se puede apreciar en la Figura 3. Figura 3. Variación de la corriente en función de la separación entre los electrodos con campo y presión uniformes. Para explicar el alejamiento de la linealidad, Townsend postuló que un segundo mecanismo debía estar afectando a la corriente de la descarga eléctrica. La conclusión a la que llegó fue que nuevos electrones estaban participando en el proceso de descarga aparte de los producidos por la ionización del gas aislante. Otros procesos causantes del aumento de la corriente en la Figura 3 es el debido a la fotoionización del gas, la emisión secundaria de electrones del cátodo por el impacto de fotones, e incluso el efecto de los metaestables. El mecanismo secundario predominante depende de las condiciones del entorno, tales como la presión, el campo eléctrico aplicado, la forma y composición de los electrodos... Además puede haber más de un mecanismo que participe en la ionización secundaria dentro del gas que separa los electrodos. El coeficiente de la segunda ionización descrito por Townsend (γ) incluye a todos los mecanismos que están participando en la ionización secundaria. La corriente puede expresarse mediante la Ecuación (4) 4 Calcina Añacata, Javier Edgar
  • 5. Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión (4) Donde I es la corriente que atraviesa el aislante, I0 es la corriente que inicialmente abandona el cátodo (sin tener en cuenta el efecto de la ionización secundaria), α es el coeficiente de la primera ionización de Townsend, d es la distancia de separación entre electrodos y γ es el coeficiente de la segunda ionización de Townsend. Éste coeficiente está muy influenciado por la naturaleza de la superficie del cátodo. Cuanto menor es la función de trabajo (energía necesaria para liberar un electrón de la superficie del cátodo), mayor será la emisión de electrones producida, ante las mismas condiciones. El valor de γ es pequeño para valores pequeños de E/P y aumenta al aumentar E/P. Esto es debido a que cuanto mayor sea E/P habrá mayor número de iones positivos y fotones con la energía suficiente para liberar los electrones de la superficie del cátodo. En la Tabla 1 se ve la influencia de la superficie del cátodo en el valor de γ. Tabla 1. Influencia de la superficie del cátodo en el valor de γ 5 Calcina Añacata, Javier Edgar
  • 6. Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión Criterio de formación de descarga de Townsend Al aumentar la tensión entre dos electrodos separados por aire, la corriente responde a la Ecuación (4). A partir de dicha ecuación y mediante un desarrollo matemático se obtiene que el criterio de descarga de Townsend es: (6) Donde representa el coeficiente de la primera ionización de Townsend efectivo y γ esᾱ el coeficiente de la segunda ionización. Si γ(e *dᾱ - 1) = 1 el número de pares de iones producidos en el aire por el paso de la avalancha electrónica es suficientemente grande como para que los iones positivos resultantes puedan, por el bombardeo del cátodo, liberar un electrón secundario de la superficie del mismo que cause un nuevo proceso de avalancha. Éste electrón secundario puede provenir también de la fotoionización. Si esto sucede la descarga puede auto sustentarse, es decir, puede mantenerse sin el aporte de la fuente que la originó (produjo I0). Por lo que la Ecuación (6) representa el umbral para la descarga. Si γ(e *dᾱ - 1) es mayor que uno, la descarga crece muy rápidamente, es decir, el número de avalanchas sucesivas producidas es cada vez mayor. Si por el contrario tenemos que γ(e *dᾱ - 1) < 1 la descarga no se auto sustenta, es decir, que si eliminas la fuente de energía que crea I0 la descarga termina por extinguirse. Teoría de canales para la descarga eléctrica en gases La teoría sobre el mecanismo de descargas eléctricas formulado por Townsend no tiene en cuenta el campo eléctrico creado por los portadores de carga en el transcurso de la avalancha. La teoría de canales surge para explicar algunos fenómenos de la ruptura dieléctrica, que bajo ciertas condiciones de presión, la teoría de Townsend no aclara satisfactoriamente. Según Townsend la ruptura debe producirse después del tiempo de tránsito del electrón ti, o por lo menos en ese tiempo. Sin embargo en ocasiones la ruptura tiene lugar en un tiempo inferior a ti y sin presentarse efectos secundarios o de emisión catódica. La teoría de canales explica este tipo de ruptura tanto si los canales están dirigidos al cátodo como si están dirigidos al ánodo. . 6 Calcina Añacata, Javier Edgar
  • 7. Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión Conclusiones:  Townsend definió el valor α, conocido como “coeficiente de la primera ionización de Townsend”. Este coeficiente representa el número de electrones libres que es capaz de producir un electrón por unidad de longitud de camino libre, en la dirección del campo eléctrico aplicado.  El primer coeficiente de ionización de Townsend (α), depende tanto de la densidad del gas aislante o presión p como de la energía que es capaz de ganar el electrón en las colisiones con los átomos del gas.  Se concluye que las descargas Townsend se producen cuando la resistividad de la superficie está entre 108 – 109 Ω/cm2 (este dato ayuda a diferenciar mejor los dos tipos de avalanchas), y la constante de tiempo que distribuye las cargas entre descargas debe ser: ρs = resistividad superficie , τ = ρs · C C = capacitancia por unidad de área. 7 Calcina Añacata, Javier Edgar
  • 8. Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión Bibliografía:  Temas de Ingeniería Eléctrica - Dr. Juan Almirall Mesa - Conducción en los gases.  HIGH VOLTAGE ENGINEERING – C.L. Wadhwa  TECNICA DE LA ALTA TENSION - Por los Ings. Jorge N. L. Sacchi – Alfredo Rifaldi  Técnicas de la Alta Tensión – Ing. Justo Yanque.  Técnicas de Alta Tensión – Conducción en Aislantes Gaseosos. – Ing. Ramiro Herrera Vargas. 8 Calcina Añacata, Javier Edgar
  • 9. Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión Anexos:  HIGH VOLTAGE ENGINEERING – C.L. Wadhwa - Pag.34-40.  Temas de Ingeniería Eléctrica - Dr. Juan Almirall Mesa - Conducción en los gases - Pag.37-45.  PFC David Lopez del Moral Hdez – 2.1 Coeficiente de la primera ionización de Townsend – Pag.25-36.  Técnicas de Alta Tensión - Comportamiento de los Dieléctricos – Ing. Ramiro Herrera Vargas – Pag.7-8.  Técnicas de la Alta Tensión – Ing. Justo Yanque.  Descripción del Fenómeno de Descargas Parciales – Pag.7-8.  Descargas en los Gases - Pag.3-7.  Técnica de la Alta Tensión - Ings. Jorge N. Sacchi – Alfredo Rifaldi - Pag.158. 9 Calcina Añacata, Javier Edgar
  • 10. Ingeniería Eléctrica Técnicas de Alta Tensión Anexos:  HIGH VOLTAGE ENGINEERING – C.L. Wadhwa - Pag.34-40.  Temas de Ingeniería Eléctrica - Dr. Juan Almirall Mesa - Conducción en los gases - Pag.37-45.  PFC David Lopez del Moral Hdez – 2.1 Coeficiente de la primera ionización de Townsend – Pag.25-36.  Técnicas de Alta Tensión - Comportamiento de los Dieléctricos – Ing. Ramiro Herrera Vargas – Pag.7-8.  Técnicas de la Alta Tensión – Ing. Justo Yanque.  Descripción del Fenómeno de Descargas Parciales – Pag.7-8.  Descargas en los Gases - Pag.3-7.  Técnica de la Alta Tensión - Ings. Jorge N. Sacchi – Alfredo Rifaldi - Pag.158. 9 Calcina Añacata, Javier Edgar