ALTA TENSIÓN I. CONTENIDO – Campos Electrostáticos – Introducción a la aislación de Equipo de Alta Tensión – Comportamiento de aislantes sólidos, líquidos.

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1 ALTA TENSIÓN I

2 CONTENIDO – Campos Electrostáticos – Introducción a la aislación de Equipo de Alta Tensión – Comportamiento de aislantes sólidos, líquidos y gaseosos – Voltaje Continuo – Voltaje Alterno

3 CAPITULO 1 1.1 CAMPOS ELECTROSTATICOS

4 Un campo eléctrico es un campo de fuerza creado por la atracción y repulsión de cargas eléctricas (la causa del flujo eléctrico) y se mide en Voltios por metro (V/m).

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6 Campo Eléctrico: Cada punto P del espacio que rodea a la carga Q tiene una nueva propiedad, que se denomina campo eléctrico E que describiremos mediante una magnitud vectorial, que se define como la fuerza sobre la unidad de carga positiva imaginariamente situada en el punto P.

7 La ley de Coulomb nos describe la interacción entre dos cargas eléctricas del mismo o de distinto signo. La fuerza que ejerce la carga Q sobre otra carga q situada a una distancia r es. La fuerza F es repulsiva si las cargas son del mismo signo y es atractiva si las cargas son de signo contrario.

8 Relaciones entre fuerzas y campos Una carga en el seno de un campo eléctrico E experimenta una fuerza proporcional al campo cuyo módulo es F=qE, cuya dirección es la misma, pero el sentido puede ser el mismo o el contrario dependiendo de que la carga sea positiva o negativa

9 La relación entre campo eléctrico y el potencial es. En la figura, vemos la interpretación geométrica. La diferencia de potencial es el área bajo la curva entre las posiciones A y B. Cuando el campo es constante Nota: El campo eléctrico E es conservativo lo que quiere decir que en un camino cerrado se cumple Entonces dado el potencial V podemos calcular el vector campo eléctrico E, mediante el operador gradiente. Esto de materia vectorial.

10 La relación entre campo eléctrico y el potencial es. En la figura, vemos la interpretación geométrica. La diferencia de potencial es el área bajo la curva entre las posiciones A y B. Cuando el campo es constante Nota: El campo eléctrico E es conservativo lo que quiere decir que en un camino cerrado se cumple Entonces dado el potencial V podemos calcular el vector campo eléctrico E, mediante el operador gradiente. Esto de materia vectorial. Nota: Observamos que el campo eléctrico esta en función de la diferencia de voltaje.

11 Campo Magnético: El campo magnético B es una magnitud vectorial. Puede estar producido por una carga puntual en movimiento o por un conjunto de cargas en movimiento, es decir, por una corriente eléctrica. Nota: Mediante la ley de Biot-Savart, permite calcular el campo magnético B creado por un circuito de forma cualesquiera recorrido por una corriente de intensidad i.

12 Utilizamos la ley de Biot-Savart para calcular el campo magnético B producido por un conductor rectilíneo indefinido por el que circula una corriente de intensidad i. B es el vector campo magnético existente en un punto P del espacio, u t es un vector unitario cuya dirección es tangente al circuito y que nos indica el sentido de la corriente en la posición donde se encuentra el elemento dl. u r es un vector unitario que señala la posición del punto P respecto del elemento de corriente

13 El campo magnético B producido por el hilo rectilíneo en el punto P tiene una dirección que es perpendicular al plano formado por la corriente rectilínea y el punto P, y sentido el que resulta de la aplicación de la regla de la mano derecha al producto cruz u t  u r Para calcular el módulo de dicho campo es necesario realizar una integración. Nota: Observamos que el campo magnético esta en función de la corriente eléctrica

14 1.2 INTRODUCCIÓN AL AISLAMIENTO DE EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN

15 Según la localización el aislamiento se clasifica como externo o interno: EXTERNO: puede estar situado en exteriores o en interiores pero está en contacto directo con el medio ambiente y, por tanto, bajo cambios de presión, temperatura y humedad. INTERNO: puede ser cualquier tipo de material aislante que no está expuesto a las condiciones atmosféricas.

16 El aislamiento externo debe soportar una gran variedad de esfuerzos eléctricos, mecánicos y los que se deriven de la acción del medio, sin que en él se presenten fallas. Esfuerzos eléctricos: 1. Esfuerzos de corta duración y de gran intensidad 2. Esfuerzos de larga duración y de relativamente poca intensidad

17 1. Esfuerzos de corta duración y de gran intensidad: provocados por pasar el sistema de una condición de estado estable a otra y provocan la brusca ruptura del aislamiento. 2. Esfuerzos de larga duración y de relativamente poca intensidad: asociado al envejecimiento de los aislantes.

18 Esfuerzos que se derivan de la acción del medio ambiente: Debidos a la contaminación, la acción físico-química del medio sobre los materiales aislantes y la corrosión de sus herrajes metálicos. Esfuerzos mecánicos: Están definidos por el viento, sobrecargas por averías, etc. Se debe tener cuidado de los esfuerzos cortantes mecánicos para proteger partes aislantes como herrajes metálicos.

19 Características del aislamiento externo: Uno de los problemas que más importa en el desarrollo de los sistemas eléctricos es el de garantizar un aislamiento apropiado a las líneas y subestaciones, pues de ello depende en gran medida la confiabilidad del sistema, responsabilidad ésta que recae sobre los aisladores que conforman el mismo.

20 Los aisladores que conforman el aislamiento externo de los sistemas de transmisión y de distribución deben ser capaces de soportar la tensión normal de trabajo del sistema, así como las sobretensiones que se produzcan, tanto por rayos como por problemas internos del sistema, es decir, los aisladores deben cumplir los parámetros de aislamiento establecidos para el sistema de que se trate y deben mantener en todo momento la corriente de filtración a través de ellos en valores bajos, aun bajo condiciones de alta humedad, a fin de evitar descargas superficiales y pérdidas de energía

21 Las partes aislantes de los aisladores para exteriores deben ser capaces de soportar la acción del medio ambiente sobre ellos sin que se altere su composición ni se dañe su superficie, es decir, deben ser capaces de soportar el efecto térmico de las descargas, la acción de las radiaciones solares, los cambios bruscos de temperatura debido a las lluvias, etc., sin que se alteren sus características aislantes en forma apreciable. Además sus partes metálicas deben ser capaces de soportar la acción corrosiva del medio ambiente y de la corriente de filtración por efecto electrolítico, sin que se produzca debilitamiento mecánico alguno que pueda poner en peligro su operación

22 En el caso de las sobretensiones el esfuerzo a que está sometido el aislamiento es cambiante, ya que la magnitud de las sobretensiones varía dentro de límites muy amplios, por lo que para determinar la probabilidad de que el aislamiento falle ante una condición de sobretensión dada es necesario recurrir a pruebas de laboratorio para determinar la distribución del esfuerzo (E) y su comportamiento ante la rigidez del aislamiento (R). Si se cumple que E > R el aislamiento fallará.

23 Los fenómenos que pueden hacer que se presenten descargas disruptivas en el aislamiento externo son las descargas superficiales debido a la contaminación y las sobretensiones, correspondiendo al primero la primacía a la hora de seleccionar la forma y longitud de la línea de fuga del aislamiento. Pero una vez determinados estos parámetros, teniendo en consideración este fenómeno, es necesario determinar su comportamiento ante las sobretensiones a fin de determinar si la distancia disruptiva en aire de los mismos es la adecuada.

24 1.3 AISLANTES SÓLIDOS Y GASEOSOS

25 Un gas dieléctrico excelente debe tener las siguientes características: Alta resistencia: oposición al paso de electrones y por lo tanto al establecimiento de corriente eléctrica. Alta estabilidad térmica e inercia química: Estabilidad térmica hace referencia a que la temperatura en los distintos puntos no difieren en más de 3°C, mientras que inercia química se refiere a la poca tendencia del gas en este caso, a reaccionar químicamente con otros materiales. De baja toxicidad: Es decir que no sea tóxico. Bajo punto de ebullición Buenas propiedades de transferencia de calor Bajo costo AISLANTES GASEOSOS

26 Algunos de los gases más comunes para el aislamiento en equipos de alta y baja tensión son: El aire Nitrógeno Hexafloruro de azufre Dióxido de Carbono Los gases aislantes más usados en los transformadores son el aire y el nitrógenos, este último a presiones de 1 atmósfera.

27 La tensión de ruptura de los gases es aproximadamente proporcional a su densidad, entendiendo como densidad a la cantidad de masa en un determinado volumen de la sustancia. El valor de la tensión de ruptura aumenta con la presión del gas.

28 La rigidez dieléctrica en los aislantes líquidos a más de estar ligada a las propiedades físicas, están ligadas a factores externos cómo lo son: impureza en suspensión, en solución humedad, etc., Los valores de la resistencia de ruptura están más influenciados por la humedad y el contenido de las partículas contaminantes, que por su estructura molecular. DIELÉCTRICOS LÍQUIDOS

29 El líquido dieléctrico más empleado es el aceite mineral, que además de actuar como medio aislante también lo hace como refrigerante. Están formados básicamente por carbono e hidrógeno, entre los más conocidos están: parafínicos, nafténicos aromáticos. Las moléculas nafténicas, definen la calidad del aceite, y sus propiedades dieléctricas son mejores por tener mayor solubilidad. Las moléculas aromáticas, conocidas como benceno, se distinguen de los demás en su estructura química, y en sus propiedades físico- químicas en comparación con las moléculas naftenicas y parafínicas.

30 Pueden poseer una polarización permanente dentro de ellos, aun cuando no se aplique un campo eléctrico externo, y presentan una mayor resistencia al paso de la corriente. Son quizá los más usados generalmente en la ingeniería eléctrica. Algunos de ellos son la porcelana, cristal, el papel, la goma y la mayoría de los plásticos así como las cintas sintéticas, estás ultimas se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados, tienen excelentes propiedades magnéticas y buena adherencia sobre los alambres magnéticos. DIELÉCTRICOS SÓLIDOS

31 1.4 VOLTAJE CONTINUO 1.5 VOLTAJE ALTERNO

32 CONDUCTIVIDAD DE LOS DIELECTRICOS.  La corriente que circula a través de los dieléctricos comúnmente se le denomina corriente de fuga y la magnitud de ella dependerá de la magnitud de la corriente de conducción propia de la tensión q se trate.  La conductividad en dieléctricos para corriente alterna se puede definir partiendo del análisis de un condensador de placas paralelas.

33 CONDUCTIVIDAD EN DIELECTRICOS.

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36 PERDIDA DE ENERGIA EN DIELECTRICOS

37 Corriente que circula por un material aislante bajo la acción de campo de corriente alterna y de corriente directa, variación de la corriente en el tiempo.

38 CONDUCCION EN LOS GASES. Esta es comúnmente llamada descarga en gases, no es más que el flujo corriente eléctrica a través de un medio gaseoso. Los requerimientos necesarios para que circule una corriente a través de un gas son 2:  Que por cualquier causa alguna de sus partículas sea ionizada  Que exista un campo eléctrico que ponga en movimiento dichas partículas.

39 CONDUCCION EN LOS GASES.

40  La descarga de Townsend se caracteriza por una corriente muy pequeña y por lo tanto invisible debido a que la densidad de átomos excitados. Esta no es una descarga auto sostenida, se requiere de una fuente externa de energía de campo eléctrico, para la producción de los electrones requeridos para iniciar la conducción.  Si la tensión aplicada a un tubo de descarga en el cual está presente la descarga de Townsend se incrementa, para una magnitud de tensión dada la corriente aumentara bruscamente, alcanzando el punto de ruptura., después de la descarga esta pasa hacer auto sostenida y puede ser una descarga luminosa o de tipo arco.

41 CONDUCCION EN LOS GASES.  Para bajas presiones la descarga más probable es la luminosa, pero para presiones cercanas a la atmosféricas estas serán descargas tipo arco.  Las características de un gas sometida a los efectos de un campo eléctrico se pueden ver a continuación, el circuito que se muestra tiene el juego de electrodos inmersos en un gas cualquiera, si se mantiene un nivel de irradiación fijo y se varia la tensión se puede obtener la característica de variación de la corriente de conducción a través del gas

42 Característica de conducción de un gas para 2 niveles de irradiación diferentes.

43 Característica general de corriente contra tensión para un aislante gaseoso. Al aumentar más la tensión se llegará a un valor en el cual la corriente comienza a aumentar en forma exponencial hasta llegar a la zona de ruptura como se puede ver en la gráfica.

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47 Primer Coeficiente de Ionización de Townsend Para que un electrón que viaja a través de un gas pueda ionizarlo al chocar con las moléculas del mismo es necesario: Donde: = Energía de ionización del gas. Eq = Energía del cinética electrón. = Tensión de ionización del gas.

48 Primer Coeficiente de Ionización de Townsend La distancia mínima entre choque y choque de un electrón en un campo de valor determinado, para la ionización de un gas es: La capacidad de ionizaci ó n de una haz de electrones, depende del campo aplicado y la presi ó n del gas que es quien determina el valor de. Determina el número n de electrones que es capaz de recorrer, entre choque y choque, una distancia media m  i está dada por: n0 = el número de electrones en el haz. m = distancia media.

49 Primer Coeficiente de Ionización de Townsend La efectividad del proceso de ionización debido a choques entre los electrones en movimiento y las moléculas o átomos del gas depende:  La energía del electrón  Las características propias del gas  La reducción del área probable de choque  La polarización Teniendo en cuenta estos factores, se define el primer coeficiente de Townsend (  ). Este coeficiente define para cada gas el número de electrones producidos por un electrón cuando recorre una distancia de un centímetro en la dirección preferencial que le impone el campo eléctrico en el interior del gas.

50 Primer Coeficiente de Ionización de Townsend La energía que puede alcanzar un electrón moviéndose en el interior de un gas, depende de la intensidad de campo eléctrico y la presión del gas, entonces se tiene: En el límite de las regiones I y II, el incremento en el número de electrones dn debido a la ionización por choques cuando el haz de electrones ha recorrido una distancia dx está dado por:

51 Primer Coeficiente de Ionización de Townsend Despejando: Resolviendo la integral: Si x=0 obtenemos n o que es los electrones emitidos por el cátodo: Entonces sustituyendo la constante c nos queda:

52 Primer Coeficiente de Ionización de Townsend Despejando n: Expresando la ecuación en función de la corriente: Donde: I o =Corriente saliendo del cátodo. d = Separación total entre los electrodos.

53 Segundo Coeficiente de Ionización de Townsend La ionización por choque permite un aumento de los electrones emitidos por el cátodo, ya que los iones generados en este, son acelerados por el campo eléctrico, teniendo la energía suficiente para arrancarle electrones. Estos nuevos electrones repiten el proceso. La corriente de descarga también se incrementa debido a la generación extra de electrones. a)El coeficiente de emisión secundaria  i permite identificar el número de electrones producidos. Los fotones producen la fotoionización al chocar con las moléculas del gas que se encuentran regresando de la excitación a su estado de equilibrio, para su ionización.

54 Segundo Coeficiente de Ionización de Townsend b)El efecto de los fotones se tiene en cuenta mediante el coeficiente de emisión secundaria  p. Existen moléculas metaestables que han sido excitadas y que por si no pueden ionizarse pero al chocar con otra molécula la ioniza o cuando choquen con el cátodo desprendan electrones a éste. c)Este tipo de emisión secundaria se tiene en cuenta por el coeficiente de emisión secundaria  m.

55 Segundo Coeficiente de Ionización de Townsend El efecto total de los fenómenos de emisión secundaria antes descrito se tiene en cuenta por en segundo coeficiente de emisión secundaria de Townsend  La emisión secundaria es directamente proporcional a la intensidad del campo eléctrico aplicado e inversamente proporcional a la presión del gas: Debido a estos tipos de ionización el gas pasa a una descarga autosostenida

56 Segundo Coeficiente de Ionización de Townsend Sea: n1 = Número total de electrones emitidos por el cátodo. n0 = Número de electrones emitidos por el cátodo debido a una fuente de energía externa n2 = Número de electrones emitidos por el cátodo debido a la misión secundaria. El análisis matemático es el siguiente: Por lo tanto:

57 Segundo Coeficiente de Ionización de Townsend El número total de electrones e iones formados en una capa dx del gas está dada por:  n  x  dx El número de iones que al chocar con el cátodo desprenden electrones vendrá dado por:  n  x  dx El número n(x) de electrones producidos por choques en el gas debido a todos los electrones emitidos por el cátodo está dado por:

58 Segundo Coeficiente de Ionización de Townsend Sustituyendo en ecuación anterior: Por lo tanto: El número total de electrones emitidos es: Despejando n1:

59 Segundo Coeficiente de Ionización de Townsend El número total de electrones que lleva el ánodo: La ecuación anterior en función de corrientes: Para que se dé una descarga autosostenida se debe cumplir que:

60 Contenidos 1.6 - Conducción eléctrica en aire y vacío 1.7 - Descarga dependiente en los gases 1.8 - Ionización y efecto Corona 2.1 - Propiedades de los aislantes líquidos 2.2 - Rigidez y pérdida dieléctrica 2.3 - Materiales cerámicos, vidrio, polímeros

61 Conductividad eléctrica en el aire La conducción de electricidad se produce en los gases ionizados. Se llama ionización de una molécula (átomo) la separación de uno o varios electrones de ella y su transformación en un ion positivo. Si la molécula (átomo) de un gas captura electrones, surgen iones negativos.

62 Se tiene que considerar los siguientes fenómenos: Excitación: Es cuando un átomo en su estado estable, recibe una energía externa que lleva a uno de sus electrones a un orbital o estado energético superior. La energía absorbida para la excitación es exactamente igual a la radiada cuando el electrón cae o retorna de nuevo a su estado estable o de menor energía. La energía de excitación debe ser exactamente igual a la diferencia de la energía de los dos niveles del salto Potencial crítico: Energía mínima para hacer saltar un electrón desde su orbital normal al inmediato superior expresado en eV.

63 Como puede intuirse el camino libre medio (clm) depende de la Presión a la que se encuentra el del gas. Cuando las presiones son altas el clm es pequeño entonces el electrón no podrá adquirir suficiente energía para excitar o ionizar el átomo, salvo que se esté trabajando con potenciales muy grandes que originen campos eléctricos también muy grandes. Cuando las presiones son bajas el clm aumenta, entonces los electrones podrán adquirir suficiente energía para excitar o ionizar el átomo aún con valores del campo eléctrico mucho menores. Si la presión disminuye mucho más, esto no se cumple y es necesario campos mayores para alcanzar la ionización. Esto se explica por que hay menos átomos de gas por unidad de volumen y por lo tanto disminuye la probabilidad de que un electrón choque con un átomo (Ley de Paschen).

64 Con la ionización se produce una descarga en un gas, el cual es un proceso de paso de la corriente eléctrica a través de dicho gas A este proceso se le conoce como descarga y este descompone en el aire en plasma a intensidades de campo eléctrico por encima de 30 kilovoltios por centímetro Caracterización general de la corriente contra la tensión para un aislante gaseoso

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66 Disrupción en el vacío La ausencia de partículas con carga desplazándose en el tiempo en el vacío se traducirá en hacer de este un perfecto aislante. La realidad es diferente y la presencia de superficies metálicas, gases absorbidos, etc.; harán que un voltaje suficientemente alto produzca una disrupción Un voltaje adecuado entre las distancias pequeñas en “gaps”, da una corriente relativamente constante en el equipo. Un incremento adicional de voltaje en el microdescargas nos da al sistema una corriente constante.

67 Corriente constante En espaciamientos pequeños, la corriente constante es producida principalmente por emisión de electrodos, cuyos principales mecanismos de emisión en el vacío son: Emisión termoiónica.- Hace disminuir la energía interna del metal, causada por una energía térmica de tipo vibraciones, que provoca una fuerza electrostática que empuja a los electrones hacia la superficie. Emisión de Schotty (T-F).- Aplica en el campo eléctrico, que es moderadamente fuerte puede influir en el escape de los electrones y por tanto en la corriente de saturación, se determina la densidad de la corriente. Emisión de campo o fría.- Las intensidades de campo superiores, producen la denominada emisión fría, debido a la barrera de potencial es despreciable frente al efecto del campo aplicado por la emisión que produce a bajas temperaturas.

68 Factores que afectan el voltaje de disrupción

69 Material del electrodoVoltaje de aislamiento kV Acero122 Acero inoxidable120 Niquel96 Aluminio60 Cobre37

70 Área y configuración.- El incremento en el área de los electrodos reduce considerablemente el voltaje de disrupción Influjo de la frecuencia del voltaje aplicado.- Para espaciamientos menores que 0,5 mm se encontró que el voltaje de disrupción de impulso era mayor que aquel con voltaje alterno y este que el continuo como puede apreciarse

71 Efectos de la presión.- Por definición, “región de disrupción al vacío” es aquel voltaje disruptivo es independiente producido por la presión del gas formado por electrodos; por lo tanto no puede producirse un incremento del voltaje de disrupción para una descarga mayor en vacío, este es el caso, para los espaciamientos menores que 1 mm, para espaciamientos mayores en cambio hay una decisiva influencia de la presión, por lo cual el voltaje de disrupción se incrementa al reducir el vacío

72 DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES Una descarga eléctrica en un medio gaseoso, es un fenómeno en el que un gas, que normalmente, no conduce la electricidad, empieza a hacerlo debido a la ionización de sus átomos, como consecuencia de la influencia de una fuente energética (de calor, de radiación o de un campo eléctrico, que provoca una diferencia de potencial entre los electrodos entre los que se sitúa el gas). La conducción eléctrica a través de este gas ionizado (en adelante, plasma) no sigue la ley de Ohm, sino que se rige por los procesos físicos elementales que se dan entre las partículas cargadas (electrones, iones, átomos y moléculas excitadas) transportadas en el plasma y producidas y absorbidas en los electrodos. De hecho, para poder realmente comprender las descargas eléctricas en gases, se deben analizar el comportamiento de dichas partículas y los procesos fundamentales que se producen en y entre dos zonas

73 Zonas fundamentales de las descargas eléctricas Plasma Región de electrodos Formada por la ionización del medio gaseoso Región de los electrodos, región anódica (próxima al ánodo (+)) y región catódica (próxima al cátodo (-)), esta última, de gran importancia, ya que es donde surgen los electrones, que junto con los iones, son las partículas fundamentales en los procesos de descarga.

74 Clasificación de las descargas eléctricas en gases En el actual estado de la técnica, las descargas eléctricas en gases se clasifican genéricamente, atendiendo a dos criterios:

75 Descargas eléctricas parciales Las descargas parciales son descargas eléctricas de pequeña energía y duración transitoria, en las que el medio gaseoso no es atravesado por completo por la corriente, no produciéndose la ruptura del mismo.

76 Descargas eléctricas destrutivas Las descargas disruptivas son aquellas descargas eléctricas, en las que la corriente consigue atravesar por completo el gas que separa a los electrodos a diferente potencial.

77 En las descargas disruptivas, el gas ionizado produce un camino que permite el paso de la corriente de un electrodo a otro. Atendiendo a la tensión y corriente producidas durante las descargas disruptivas, se pueden diferenciar cinco fases, mostradas esquemáticamente en la siguiente figura

78 Otra importante forma de clasificar las descargas eléctricas en medios gaseosos, es analizando su respuesta tensión - corriente (en adelante, v-i) característica: Se suele hablar de respuesta v-i a presión atmosférica o a baja presión, pero en verdad, los diferentes regímenes y tipos de descarga, no dependen sólo de la presión, sino que dependen del producto p·d, es decir, de la presión del gas (p) y de la separación entre electrodos (d).

79 En la siguiente figura, se representa de forma esquemática, la respuesta v- i característica de los distintos tipos de descarga eléctrica en gases:

80 Descarga eléctrica disruptiva en gases: Chispa y arco eléctrico Como se ha visto en el apartado anterior, los diferentes regímenes en los que se puede encontrar una descarga eléctrica, es decir, descarga Townsend, descarga luminiscente, descarga corona o arco eléctrico, son estados estables o cuasi-estables. Por el contrario, las descargas de chispa (en adelante, se denominaran simplemente chispas), es un régimen de descarga inestable, es decir, es un régimen de transición hacia un periodo más estable, como es el régimen de arco eléctrico.

81 Descargas disruptivas de chispa Los fenómenos de ruptura eléctrica que llevan a la creación de los plasmas de las chispas son fenómenos complejos. Un streamer se forma por una intensa avalancha primaria de electrones, que comienza en el cátodo. Dicha avalancha, genera un campo eléctrico debido a la distribución espacial de carga interna. Dicha distribución se incrementa con la propagación y el desarrollo de la avalancha.

82 Descargas destrutivas de arco: Arco Eléctrico Si la corriente de la descarga se mantiene, se pasa de la chispa al arco eléctrico. Los fenómenos en el cátodo son extremadamente complejos, debido a los procesos eléctricos, térmicos y la interacción con el plasma generado y mantenido durante la descarga.

83 Región del cátodo La descarga de arco se organiza de tal forma que crea una fuerte emisión de electrones desde el cátodo, por ejemplo, mediante aumento de la temperatura o creando un campo eléctrico en su superficie. Esta alta densidad de corriente es verdaderamente una de las características esenciales del arco eléctrico. En el cátodo se generan los electrones necesarios para la supervivencia del arco eléctrico.

84 Una gran cantidad de energía se disipa en la columna de arco debido al efecto Joule, conducción térmica y radiación. En el eje de la columna, la temperatura del plasma ronda los 5 eV (60.000 oK) y la densidad de electrones es de aproximadamente 1016 cm-3, pero estos valores dependen del tipo de gas, de la corriente y presión. Las temperaturas del plasma y la densidad de electrones en el mismo, decrecen radialmente. El plasma de la columna del arco es menos denso que el plasma de la región del cátodo. Debido a las frecuentes colisiones y al intenso intercambio energético entre partículas en el plasma, los arcos de alta presión, se encuentran en equilibrio térmico local, con un nivel de ionización muy alto (cercano al 100%). Columna de Plasma

85 Ionización y efecto corona

86 Ionización Es el fenómeno en el que las partículas alfa y beta al recorrer un material le ceden parte de su carga arrancándole electrones a sus átomos y dejándolos cargados positivamente a estos se les llama iones

87 Efecto corona Es un efecto eléctrico que se produce en los conductores de las líneas de alta intención y se manifiesta de halo luminoso a su alrededor. Dado que los conductores suelen ser de sección circular el halo adopta una forma de corona El campo eléctrico localizado cerca de un conductor puede ser suficientemente concentrado para ionizar el aire que esta cerca de los conductores. Esto puede resultar en una descarga parcial de energía eléctrica llamada descarga corona

88 Donde ocurre Alrededor de conductores de línea (Alta tensión) En espaciadores y amortiguadores Aislante eléctrico dañados - de cerámica o un material diferente de la cerámica. En alta tensión Aislantes contaminados En los extremos vivos de ensambles de aislantes y manguitos aisladores En cualquier punto de su equipo eléctrico, donde la fuerza del po eléctrico exceda los 3MV/m En ciertos árboles de gran tamaño. Esto origina temor supersticioso en la gente que no conoce el tema.

89 Efectos Generación de luz Ruido audible Vibración resultante de viento eléctrico Deterioro de los materiales como consecuencia del bombardeo de iones Generación de ozono, ácidos de nitrógeno, acido nítrico. Disipación de la energía

90 Cálculo El umbral para que se produzca el efecto corona se denomina gradiente crítico y esta en función del diámetro y la superficie del conductor. Adicionalmente, el aire húmedo y especialmente la lluvia provocan un aumento muy sensible de las pérdidas por efecto corona. El ingeniero norteamericano F.W. Peek desarrolló un modelo matemático general para el cálculo del gradiente crítico para la iniciación del efecto corona, el cual se muestra a continuación.

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92 y=Altitud sobre el nivel del mar (m) Por otra parte, el gradiente de tensión superficial presente en un conductor se determina por la siguiente relación: Para evitar la manifestación del efecto corona debe cumplirse con el siguiente criterio:

93 La siguiente tabla resume las secciones mínimas típicas que aseguran la no aparición del efecto corona a distintos valores de tensión, y los valores de los parámetros utilizados para su cálculo.

94 Bibliografía: Küchler, High Voltage Engineering Ravindra, Wolfgang Mosch, High Voltage and Electrical Isulation ANALISIS DE COMPORTAMIENTO DE MEDIOS DIELÉCTRICOS ANTE LAS ALTAS TENSIONES ELECTRICAS, Milton Favian – Ramiro Augusto, Universidad de Cuenca, Facultad de ingeniería eléctrica,2008. www.fisica.ru/theory/electro_III_9.php transmisionelectrica.wordpress.com/2014/09/28/que-es-el-efecto-corona www.sysred.cl/files/434609019.pdf es.slideshare.net/peterodas/ruptura-dielctrica-y-efecto-corona dcb.fi-c.unam.mx/Publicaciones/Naturalis/bfyq_22.pdf docplayer.es/3454854-Materiales-ceramicos-vidrios-y-polimeros.html http://repositorio.utc.edu.ec/bitstream/27000/861/1/T-UTC-0617.pdf