Introducción ¿Qué es un dieléctrico?

Introducción ¿Qué es un dieléctrico?
Es un material usado principalmente para aislar componentes eléctricamente entre si o con tierra, o para actuar como elemento capacitivo en un aparato, circuito o sistema. Tipos: Sólidos, líquidos y gaseosos. ¿Qué parámetros caracterizan a un dieléctrico? - Conductividad o su inversa resistividad. - Constante dieléctrica o permitividad. Jl E s e C

Introducción ¿Qué parámetros caracterizan a un dieléctrico?
Conductividad en donde Jl es la densidad de corriente de fugas en A·cm-2 y E es el campo eléctrico aplicado en V·cm-1. Por lo tanto las unidades de la conductividad son S·cm-1 o Ω-1·cm-1 . La conductividad normalmente se mide en términos de resistencia de aislamiento R en Ω; siendo su valor viene dado por donde d es la profundidad del aislante en cm y A la superficie en cm2. Muchos materiales aislantes tienen un rango de conductividad desde 10-6 a S·cm-1. A menudo el parámetro más usado para clasificar los dieléctricos es la resistividad ρ que es la inversa de la conductividad. Jl E s

Introducción ¿Qué parámetros caracterizan a un dieléctrico?
La constante dieléctrica o permitividad representa la cantidad de energía electroestática que puede ser almacenada por unidad de volumen y por unidad de gradiente de potencial. Permitividad o constante dieléctrica C representa la medida de la capacidad en F y C0 es la capacidad equivalente en vacio, que se calcula según la siguiente expresión siendo ε0 la permitividad del vacio y es igual a 8,854·10-14 F·cm-1. En la practica el valor de ε0 en espacio libre es esencialmente el mismo que para un gas ( para el aire ε0 = 1,000536). La mayor parte de los materiales dieléctricos sólidos y líquidos, actualmente en uso, tienen constantes dieléctricas que van desde 2 hasta 10. e C e0 C0

Perdidas dieléctricas
Las perdidas en un dieléctrico en alterna se producen principalmente por: - el movimiento de los portadores de carga libres (electrones e iones) - por la polarización de la carga espacial - la orientación de los dipolos Dependen de: - la temperatura - la frecuencia En las medidas de los valores de la conductividad σ y la permitividad ε se observa dicha dependencia. Se define el factor de disipación Esta ecuación siguiere que el comportamiento de un material dieléctrico se puede describir por medio de un circuito eléctrico equivalente a) y el diagrama de fase de la tensión y corriente b). Para una tensión aplicada V en el dieléctrico, la corriente de fuga viene dada por Il=V/R y la corriente por el condensador equivalente es Ic=jωCV ya que tanδ =Il/IC. Hay que tener en cuenta que los valores de C y R son función de la temperatura y la frecuencia.

Perdidas dieléctricas
En la figura, se muestra las características de perdidas de un modelo de cable aislado con papel impregnado en aceite mineral para dos temperaturas. El mecanismo de perdidas iones explica el incremento del factor de perdidas con el incremento de la tensión a temperatura ambiente de 20oC. Mientras que a 85oC una disminución de la tanδ al principio indica el efecto de la carga espacial para luego predominar el efecto iónico. Valor medio de la tensión (KV/cm) Factor de disipación (tanδ)

Ruptura dieléctrica Se produce cuando la tensión aplicada al material dieléctrico por medio de dos electrodos alcanza el valor necesario para producir la conducción entre los electrodos, cortocircuito. - Solido se produce un conducto de conducción permanente - Líquido y gaseoso el material se “auto-cicatriza” (vaporización) produciéndose una nueva re-aplicación de la tensión hasta que otro proceso de ruptura ocurre. Jl E s Jl E s

Ruptura dieléctrica En un dieléctrico solido la ruptura depende:
- Estructura molecular y la morfología del material - Geometría del material, la temperatura y el entorno ambiental. - Área y el espesor del espécimen debido al incremento de la incidencia de los fallos sobre grandes volúmenes. - Forma de onda de la tensión aplicada. Resistencia dieléctrica es mayor en continua o con pulso que en alterna ( Efectos térmicos).

Ruptura dieléctrica En un material cristalino (NaCl) la resistencia eléctrica aumenta con la temperatura hasta un máximo para luego disminuir. En un material amorfo-cristalino (PE) el aumento de la temperatura produce siempre una disminución del la resistencia dieléctrica. El concepto de avalancha de electrones ha sido también aplicado para explicar la rotura en sólidos, dado que se ha observado la disminución en la resistencia de rotura con el espesor de aislamiento. Resistencia dieléctrica (MV cm-1 Temperatura (oC) Características de rotura dieléctrica del cloruro sódico y el polietileno.

Ruptura dieléctrica El proceso de rotura en los gases se puede explicar en términos de la teoría de avalancha. Las características de ruptura de los gases se representan en las curvas de Paschen, en donde se dibujan la tensión de ruptura en función de la presión p y de la distancia de los electrodos d. 1 Torr = 1 mmHg

Ruptura dieléctrica La ruptura en los líquidos se ve afectada por:
- impurezas electrolíticas - por el contenido en agua y oxigeno - Particulas macroscopicas pueden formar un puente entre los electrodos y favorecer la rotura de aislamiento. - Área y el espesor del espécimen debido al incremento de la incidencia de los fallos sobre grandes volúmenes. - La viscosidad. Se incrementa ligeramente. Tanto en los sólidos como en los líquidos, la resistencia dieléctrica es mayor en continua o con pulso que en alterna. Esto sugiere que bajo condiciones de alterna la ruptura puede ser debida parcialmente a efectos de naturaleza térmica.

Ruptura dieléctrica Causas que pueden modificar la tensión de ruptura extrinseca: Particulares defectos en el dieléctrico Condiciones ambientales bajo las que el material dieléctrico es empleado Algunos dieléctricos pueden contener cavidades llenas de gas y que de forma inadvertida se puede introducir en el material, debido a las características porosas del material dieléctrico. El gas, con una tensión suficiente puede sufrir descargas, puede provocar en el dieléctrico degradación eléctrica y física por las descargas parciales y llevar al material si el proceso de mantiene durante un periodo de tiempo suficientemente largo, a la ruptura dieléctrica del material.

Ruptura dieléctrica En aislamientos de líneas aéreas de alta tensión o en pasamuros de equipos eléctricos, la ruptura del aislamiento puede producirse en la superficie del aislamiento y no solo en el material. Las superficies de las aislantes suelen ser de porcelana, cristal, o materiales polimericos (elastomeros). Conductividad Perforación Descarga

Ruptura dieléctrica La contaminación de dichas superficies por la polución, sal de ambiente marino o suciedad pueden producir la ruptura por debajo del valor normal. La degradación superficial se ve aumentada por la presencia de humedad, que incrementa la conductividad superficial, particularmente en presencia de contaminantes iónicos. La degradación superficial se puede prevenir con la limpieza de la superficie y la aplicación de grasa de silicona. Jl E s´ d R´>R Contaminación superficial Jl d´ E

Envejecimiento del aislante
Todos los materiales aislantes sufren diferentes grados de envejecimiento bajo condiciones normales de funcionamiento. El grado de envejecimiento depende de la magnitud del estrés eléctrico, térmico y mecánico al que el material esta sujeto; también tiene influencia la composición y estructura molecular del material en si mismo, así como que el entrono físico, químico y de radiación bajo el que el material debe funcionar. El envejecimiento mediante la aplicación del estrés eléctrico depende de una serie de variables como: valor medio y valores máximos de tensión aplicados, su frecuencia y del grado de repetición de impulsos superpuestos o transitorio de sobretensión. Para el estrés térmico, el valor superior e inferior de la temperatura ambiente, el gradiente de temperatura en el aislante y la máxima temperatura permitida de funcionamiento.

Con el estrés mecánico las variables que influyen son torsión, compresión, tensión o doblado del material. El grado de envejecimiento afectará de forma diferente si todos los estrés (eléctrico, mecánico y térmico) actúan simultáneamente, separadamente o en alguna determinada secuencia. La influencia ejercida por el entorno dependerá si el sistema de aislamiento esta sujeto a corrosión química, fluidos derivados del petróleo, agua o humedad alta, aire u oxigeno, radiación ultravioleta del sol y radiación nuclear. El envejecimiento eléctrico implica los mecanismos de treeing, descargas parciales y calentamiento dieléctrico. (Treenig : degradación interna irreversible por la formación de caminos carbonizados conductores)

Los fallos por calentamiento dieléctrico son más característicos de las perdidas de aislamiento o cuando están involucrados contaminantes altamente conductores. En el mecanismo de treeing hay que diferenciar entre el eléctrico y el water trees. Mientras que en el primero las ramificaciones o canales del material aislantes están vacios; en el segundo se requiere la presencia de humedad y sus ramificaciones consisten de canales filamentados finos, junto con pequeñas cavidades conteniendo todos ellos agua. En un ambiente seco este problema eventualmente desaparece.

Pasos en la selección del material
Determinar las condiciones del entorno en las que el material va a trabajar incluyendo (Temperatura, humedad, elementos químicos y radiación). Eliminar de la lista de materiales candidatos aquellos que no sean suficientemente resistentes a las condiciones de trabajo, por ejemplo de temperatura. Considerar solamente aquellos materiales que posean las requeridas cualidades dieléctricas y mecánicas (Maleabilidad, deformabilidad y dureza ante impactos). Compatibilidad con otros componentes en un sistema aislante. Fácil fabricación, tiempo y coste del sistema aislante, junto con el coste del material son aspectos a considerar en la elección del aislante. construcción y prueba del prototipo. Este es el paso final a realizar, con rediseño y nuevas pruebas si fuse necesario. Las propiedades listadas en las hojas de características deben servir solo de comparación entre los materiales candidatos y mostrar donde las diferencias son significantes.

Materiales dieléctricos
Los materiales dieléctricos pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos. La resistencia dieléctrica generalmente se incrementa con la densidad del material (los sólidos tienen mas resistencia dieléctrica que los gases). Esta misma tendencia se observa en las perdidas dieléctricas y en la permitividad. Gases: Aire. A 60Hz la resistencia de ruptura con 1cm de distancia de entre los electrodos, 25oC y presión atmosférica es de 31,7 KV cm-1. El aire es usado como aislante en las líneas de alta tensión. Nitrogeno. Tiene una resitencia de ruptura de 33,4KV cm-1. Es usado comprimido en condensadores con aislante de gas de bajas perdidas. Hexafluoruro de Sulfuro (SF6). Comprimido sustituye al aire en circuitos de ruptura (interruptores) ya que tiene una resistencia de ruptura de 79,3 KV cm-1. La resistencia de ruptura en los gases se ve ligeramente afectada con el incremento de la frecuencia hasta que el periodo es comparable con el tiempo de transito de los iones y electrones entre los electrodos, a partir de este punto se produce una sustancial reducción.

Liquidos: Los aislantes líquidos son raramente utilizados por si mismos, son usados principalmente para empapar o impregnar materiales como la celulosa o papeles sintéticos. A una frecuencia de 60Hz la resistencia de ruptura de líquidos aislantes prácticos es mayor que la de los gases y para 1cm de separación de los electrodos es del orden de 100kV cm-1. Dado que la resistencia de ruptura se mide con una distancia de 0,254cm (la resistencia de ruptura aumenta con la disminución de la distancia de los electrodos “gap”) el valor que normalmente aparece en los datos de los líquidos tendrá un rango de valores desde 138 a 240 kV cm-1. Los valores de la resistencia de ruptura están más influenciados por la humedad y el contenido de las partículas que por su estructura molecular.

Liquidos: Aceites minerales. Altamente usados en aparatos eléctricos de alta tensión. Son hidrocarburos líquidos obtenidos refinado del crudo del petróleo. Se usan principalmente en cables y transformadores. Su composición consiste en parafinas, naftalinas y constituyentes aromáticos y es dependiente de la fuente del crudo así como del proceso de refinado. Los constituyentes aromáticos son deseables debido asus propiedades de absorción del gas y de las características de oxidación. Tienen una constante dieléctrica que va desde 2,10 a 2,25 y un factor de disipación de que va desde a 6·10-5 a temperatura ambiente, dependiendo de la viscosidad y del peso molecular. Su factor de disipación aumenta apreciablemente altas temperaturas cuando la viscosidad es reducida. Los aceites se deterioran en servicio debido a la oxidación y a la absorción de humedad.

Liquidos: (Alkyl benzenes) Alquil benzenos. Son usados como impregnantes en cables de alta tensión, a veces son sustitutos de aceites minerales de baja viscosidad en cables llenos de aceite autocontenidos. Sus características son comparables a las del los aceites minerales, además poseen una buena características de absorción de gas. Debido a su carácter detergente, tienden a se mas susceptibles a la contaminación que los aceites minerales. (Polybutenes) Polibutenos. Son aceites sintéticos. Sus características eléctricas son comparables a las de los aceites minerales; debido a su bajo coste se usan en tubos de cables llenos de aceite. Polibutenos de alta viscosidad se han usado como impregnantes en condensadores. Mezclas de polibutenos y alquil benzenos han sido usados par obtener ata resistencia de ruptura en alterna con sistemas con papel impregnado en aceite.

Liquidos: Se han desarrollado una variedad de líquidos sintéticos para aplicarlos en condensadores a partir del momento en el que se ha dejado de usar el PCB (polychlorinated biphenyls) no inflamable, para su uso donde debido a su alto stress pueden aparecer gases y llegar a descargas parciales. Muchos de estos fluidos tienen capacidad de absorción de gas con pesos moleculares bajos derivados del benzeno; además, tienen una permitividad comprendida entre 2,66 5,25 a temperatura ambiente (3,5 en PCBs). Estos fluidos no son inflamables por lo que tienen alto el punto de ebullición. (Halogenated aliphatic hydrocarbons) Hidrocarbonos alifaticos halogenados. El rango de su constante dielectrica va desde 1,8 a 3. Tiene mejores propiedades térmicas que el aceite mineral y es altamente resistente a la llama. Fluorcarbonos. Han sido usados en transformadores de gran potencia, donde la inflamabilidad y la evacuación de calor es lo primordial.

Liquidos: Líquidos de silicona. Fluidos de plydimethylsiloxane se usan para aplicaciones eléctricas, primariamente para transformadores (sustituyen al PCB) debido a sus inherente altos puntos de encendido y de inflamabilidad. Tiene menor valor de tanδ que los aceites minerales per sin embargo una mayor constante dieléctrica. La viscosidad de los fluidos de silicona tienen poca variación con la temperatura y por tanto la resistencia de ruptura. Hay un gran numero de esteres orgánicos pero solo unos pocos utilizables en aplicaciones eléctricas. Sus propiedades se ven seriamente afectadas por la hidrólisis, oxidación y contenido de agua. Debido a su reducidas perdidas dieléctricas a frecuencias elevadas, se han usado en condensadores de alta frecuencia. Aceite Castor tiene aplicaciones especializadas en condensadores de almacenamiento de energía debido a su excepcional resistencia a descargas parciales. Las constantes dieléctricas de los esteres son sustancialmente mayores que la de los aceites minerales.

Liquidos:

Sólidos: Los materiales aislantes sólidos se clasifican en dos principales categorías, orgánicos e inorgánicos. Sólidos inorgánicos: Alumina (Al2O3). Es ampliamente usado como relleno para aislamiento cerámico. También como substrato dieléctrico en microcircuitos. Titanio de bario (BaTiO3). Es un dieléctrico extraordinario por debajo de 120oC y su comportamiento es ferroeléctrico. Posee hiséresisdieléctrica. La constante dieléctrica, por ejemplo a 20oC, es diferente en el eje x (ε´>4000)y en el eje z (ε´<300). Porcelana. Es un material cerámico multifase, obtenido por el calentamiento de los silicatos de aluminio (3AL2O3·2SiO2) hasta llegar a la fase mullite. Barnizado con un cristal con el punto de ebullición alto se usa como aislante en líneas de alta tensión. Para aplicaciones de alta frecuencia, se usan cerámicas de fase simple y bajas perdidas como las esteatita (3MgO·4SiO2·H2O).

Sólidos inorgánicos: Oxido de Magnesio(MgO). Debido a su relativamente alta conductividad térmica se usa como aislamiento para el dispositivo (resistencia) de calentamiento en hornos. La resistencia de calentamiento se coloca concéntricamente dentro de tubos de acero inoxidable con oxido de magnesio alrededor para dar aislamiento. Cristales de grado eléctrico (SiO2,B2O3 y P2O3). Estos cristales tienen tendencia a tener pérdidas a altas temperaturas, sin embargo a bajas temperaturas se pueden utilizar como aislantes de líneas de alta tensión y en transformadores , condensadores y circuitos pasacables con interruptor. A alta temperatura su principal aplicación se encuentra en las lámparas incandescentes y fluorescentes así como recubrimiento de tubos de rayos catódicos. Mica (muscovita KAl2(OH)2Si3AlO10). Dieléctrico del tipo laminado. Su carácter laminado prevé la formación de caminos conductores a través de la mica, dando lugar a una gran resistencia dieléctrica. Tiene una excelente estabilidad térmica y debido a su naturaleza inorgánica es altamente resistente a las descargas parciales. Es usado en carretes en motores y transformadores en forma de hojas, láminas y cinta.

Sólidos inorgánicos: Oxido de silicio. SiO2 es usado en los MOS como aislante, junto con una capa de Si3N4 (Silicon nitride). Este último se caracteriza por sus bajas perdidas y su relativamente estructura cerrada lo que produce una completa pasivación del dispositivo semiconductor. La alta resistencia dieléctrica de ambos compuestos da efectividad dieléctrica en aplicaciones con FET. En circuitos integrados, una variedad de materiales son útiles para aplicaciones de condensadores de capa fina. Junto con la alumina (Al2O3) en pentoxido de tantalo (Ta2O5) se ha utilizado de forma extensa. Se caracteriza por su estabilidad a altas temperaturas y por ser resistente a los ácidos excepto al acido hidrofluorico (HF). También se ha usado en condensadores de película fina el material hafnia (HfO2) que tiene una alta constante dieléctrica.

Sólidos orgánicos: Están compuestas por moléculas de polímero grandes, con pesos moleculares mayores de 600. Son materiales dieléctricos orgánicos obtenidos sintéticamente, salvo el papel que consiste de celulosa que consta de una serie de unidades de glucosa. Polietileno (PE). Es quizás uno de los dieléctricos sólidos mas comunes, y es ampliamente usado como aislante extrudado dieléctrico solido en potencia y en cables de comunicaciones. PE lineal se clasifica como polímero de densidad baja (0,910-0,925), media (0,926-0,940) o alta (0,941-0,965). Mediante enlaces covalentes del PE se produce un polímero termoestable con una temperatura de funcionamiento mayor, una mejora a la resistencia a la tensión y una resistencia mejorada a las descargas parciales. Muchos de los PE utilizados cables conformados son del tipo polietileno con enlaces covalentes (XLPE). Etileno-propileno rubber(EPR). Es un elastómero amorfo sintetizado del etileno y del propileno. Como aislante extrudado en cables su composición tiene un contenido de hasta un 50%, siendo el resto arcilla con pequeñas cantidades de silicato y carbón negro. Las perdidas dieléctricas son incrementadas por la presencia del relleno por lo que no es utilizable en aplicaciones de muy alta tensión. Se utiliza e media baja tensión (<138kV) donde es necesario cables de alta flexibilidad.

Sólidos orgánicos: Polipropileno. Es un material termoplástico que tiene propiedades similares a las del PE de alta densidad, por lo que debido a su baja densidad tiene también baja constante dieléctrica. Tiene muchas aplicaciones en forma de molde, en bloque o extrudado, así mismo como en forma de película en aislantes para condensadores con tomas, transformadores y cables. Politetrafluoroetileno (PTFE). También llamado teflón. Se caracteriza por su baja constante dieléctrica, extremadamente bajas perdidas, una excelente estabilidad térmica y resistencia a la degradación térmica. Ha sido usado de forma extensa en aislamiento, hilos cables, transformadores, motores y generadores. Su relativamente alto coste se debe a sus compuestos y proceso de fabricación. Poliesteres. Pueden ser termoestables o termoplásticos. La forma de empleo mas usual es en lamina de vidrio y moldes reforzados de fibra de vidrio (termoestable), mientras que los poliésteres termoplásticos son usados para aplicaciones con moldes de inyección. Se usan tanto en pequeños como grandes aparatos eléctricos así como en aplicaciones electrónicas.

Sólidos orgánicos: Polyimides (kapton) y Polyamides (Nylon). Están constituidas por un vidrio de termoplastico a alta temperatura y se puede exponer a temperaturas de 480oF (249oC). Cuando se refuerza con vidrio su temperatura puede alcanzar los 700oF (371oC). Se usa en forma de moldes, hilos estirados y película. Policarbonatos. Son termoplásticos que tienen una relación muy cercana a los poliésteres. Se emplean principalmente en el aislamiento de herramientas eléctricas y en carcasa de aplicaciones eléctricas. Los policarbonatos pueden ser modeados por compresión o inyección y estrudados como hojas o películas. Resinas epoxy. Se caracterizan por alta resistencia mecánica y su baja capacidad de contracción. Puede ser reforzado con fibra de vidrio y mezclado con copos de mica. Las aplicaciones que tiene son, por ejemplo, los aislamientos de barras en estator maquinas rotatorias (motores), transformadores de estado solido, espaciadores para busbars aislados con gas comprimido y cables. Goma de silicona. Es clasificado como un elastómero inorgánico-orgánico. Diferentes rellenos son añadidos para obtener el compuesto gomoso de silicona deseado; los enlaces covalentes son obtenidos con peroxidos. Ya que no son necesarios suavizantes ni flexibilizantes, las gomas de siliconas son menos quebradizas y puede ser empleados an aplicaciones a bajas temperaturas -120oC . Se puede usar de forma continua hasta 500oF, y de forma intermitente hasta 700oF.

Sistemas de aislamiento Sólidos-líquidos: Los aislantes de papel impregnados constituyen uno de los sistemas de aislamiento mas antiguos utilizados en aparatos eléctricos de potencia y cables. Aunque en algunas aplicaciones en las que se pueden alternar el uso de aislamiento solido o gases a presión, el uso de papel impregnando sigue constituyendo uno de los métodos mas seguros de aislamiento disponibles. Una adecuada impregnación del papel posibilita la eliminación de las cavidades del aislante, por lo tanto elimina la posibilidad de las descargas parciales que inevitablemente llevan al deterioro y rotura del sistema de aislamiento. La estructura de la celulosa tiene un contenido de acidez finito así como residuos en suspensión o agua atrapada. Por lo tanto papel basado en celulosa impregnada se caracterizan por valores de tanδ algo mas elevados del orden de 2·10-3 a 30kV cm-1. El liquido impregnante empleado es aceite mineral o fluido sintético. Ya que la constante dieléctrica de estos fluidos es mas o menos 2,2 y la de la celulosa seca 6,5 a 10, la constante dieléctrica resultante es de 3,1 a 3,5 aproximadamente.

Sistemas de aislamiento Sólidos-líquidos: En un intento por reducir las perdidas dieléctricas en los sistemas solido-líquidos, los papeles de celulosa han sido sustituidos en algunas aplicaciones por papel sintético (ver siguiente tabla). Por ejemplo en cables de extra alta tensión, se han utilizado cintas compuestas por papel de celulosa y polipropileno. Un cierto contenido de papel es necesario en la cinta para mantener algo de la capacidad de impregnación de un medio de papel de celulosa poroso y de mantener la relativa fácil capacidad de deslizamiento de las cintas de celulosa con hasta celulosa. En transformadores, el nylon sintético o papel de poliamida (nomex) ha sido usado en forma de película y en forma de bloque. Puede funcionar de forma continua a temperaturas de hasta 220oC

Sistemas de aislamiento Sólidos-líquidos:

Ejemplos de pérdida de aislamiento

Bibliografía H. Wayne Beaty. “Electrical Engineering Materials Reference Guide” Ed. McGraw & Hill ISBN: W. Tillar Shugg. “Handbook of Electrical and Electronic Insulating Materials” Ed. IEEE PRESS ISBN:

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