Tag Archives: rigidez dielectrica

Aceites – Material No Conductor

Los aceites son ampliamente usados como aislantes, pueden clasificar en 3 grandes grupos:

aceites aislantes dielectrico

Aceites Minerales

Cuerpos grasos insaponificables (indescomponibles por los ácidos) derivados del petróleo. Los aceites para ser empleados como aislantes deben ser depurados de las sustancias que hacen disminuir su resistencia de aislamiento y rigidez dieléctrica y aumentar el factor de potencia, sustancias que, por otra parte son químicamente alterables y corrosivas.
La constante dieléctrica de los aceites aislantes tiene un valor medio de 2,3; su resistividad de masa es de Ε16 Ωcm, la rigidez dieléctrica de 500KV/cm, y el factor de potencia de 0,001 a 0,005%.

Aceites Sintéticos

A este grupo de aceites aislantes pertenecen algunos hidrocarburos clorados, como los clorodifenilos y los clorobencenos, que han sido estudiados para sustituir los aceites minerales como dieléctricos en los condensadores de papel y en los transformadores. Tiene una constante dieléctrica de 4 a 6, doble que la de los aceites minerales, y una rigidez dieléctrica parecida a la de éstos.
A su notable estabilidad térmica y química se añade su difícil inflamabilidad y la ventaja de ser más estables contra la oxidación y la de no dar lugar bajo la acción del arco a productos inflamables o explosivos (Askarel).
Dado su precio elevado se prefieren a los aceites minerales cuando deben emplearse en transformadores que forman parte de equipos electrónicos, que no deben correr riesgo de incendio o bien en los condensadores, por su elevada constante dieléctrica. En este caso, las reducidas dimensiones del condensador y la pequeña cantidad de material requerido, compensan el superior costo.

Aceites Vegetales

Contrariamente a los aceites minerales, los aceites vegetales tienen la propiedad de secarse por reacción con el oxígeno, el secado es una reacción química.
El mecanismo de la solidificación de los aceites secantes es químicamente complejo: consta de una oxidación y de una polimerización, que tiene lugar simultáneamente.
Estos aceites están constituidos por distintos ácidos orgánicos; los glicéridos, derivados de algunos de estos ácidos (como el linoleico, de aceite de linaza (semilla del lino), y el oleosteárico, del aceite de madera chino), poseen pronunciadas propiedades secantes.
La película obtenida por el secado de una capa de aceite está constituida por una sustancia elástica y gomosa que se endurece con el tiempo, llamada linocina en el caso del aceite de linaza. El aceite de linaza debe ser claro, con densidad, número de yodo y acidez bien determinadas y no debe dejar residuos cuando se calienta a mas de 300ºC.
El aceite de madera chino (Tung–oil) debe tener también características bien determinadas para ser empleados en los barnices. No puede calentarse a temperaturas superiores a 200ºC, y puede solidificarse por completo, aún en capas de cierto espesor, lo que no sucede con el aceite de linaza.


Mas información en “Breve Descripción de Materiales No Conductores Electricos, Aislantes y Dieléctricos

Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC

Papel – Material No Conductor Dielectrico

papel dielectrico

El papel es uno de los materiales mas usados como aislante o dieléctrico, su importancia se deriva de sus notables cualidades intrínsecas y su bajo precio, su principal desventaja reside en que generalmente, debe ser impregnado.
En cables, las ventajas que ofrece son: temperatura de trabajo relativamente elevada (hasta los 70ºC) la que es apreciablemente mas elevada que para la goma; las bajas pérdidas dieléctricas y la alta rigidez dieléctrica.

Se pueden utilizar:

  • Simplemente secados: están aislados así los cables bajo plomo empleados en las líneas telefónicas.
  • Impregnados: con aceite mineral, o con aceite mineral y colofonia, y protegido con vaina de plomo, generalmente usados para la distribución de energía eléctrica en mediana y baja tensión.

Es usado en capacitores (para este uso el papel es secado y tratado con parafina o cera, o bien se impregna al vacío con aceites minerales o sintéticos). También es usado en forma de estratificados (dispuestos en capas superpuestas o estratos) en planchas o tubos fabricados mediante resinas sintéticas o goma laca.

capacitor papel dielectrico

Capacitor con Papel Impregnado como Dielectrico

 

El papel está constituido por fibra de celulosa (C6H10O3)n elemento esencial de la estructura de la celulosa vegetal. En estado puro se presenta como una masa blanca, amorfa (el papel de fibra de lino, sometido a un proceso de blanqueado y no encolado, puede considerarse prácticamente como celulosa pura).

El papel mas fino es usado para elaborar capacitores, se lo hace tan fino como es posible, siempre compatible con las buenas propiedades de aislación eléctrica. Es usual aplicar varias capas de papel y raramente una sola, para que la presencia de pequeñas partículas conductoras no tengan mucha importancia. El papel de capacitores se elabora con espesores desde 7,5mm a 10mm. A los efectos de que no queden espacios vacíos en las estructuras del papel para capacitor éste se elabora con fibras cortas las que a su vez aseguran gran impermeabilidad. Por su parte la resistencia a la tracción es baja pero suficiente para soportar las tareas requeridas, o sea el arrollado sobre formas cilíndricas a alta velocidad.

El papel para cables es resistente y se usa en la aislación de cables de alta y media tensión, de transformadores, bobinas, etc.

Papel no Impregnado

Las propiedades eléctricas del papel no impregnado no son muy importantes. El papel no impregnado tiene una baja rigidez dieléctrica, solamente unas pocas veces mayor que la de una película de aire del mismo espesor. Esto es comprensible dado que en un papel de gran densidad (1,1 a 1,2gr/cm3) por lo menos el 20% del volumen del papel es ocupado por canales de aire, y con un papel de densidad media (0,7gr/cm3) el porcentaje de aire es de alrededor del 50%. Esta rigidez se puede estimar entre 6 y 11kV/mm (valor eficaz).

La constante dieléctrica relativa de la celulosa pura es de alrededor de  εr=6,5 y de la fibra de papel aproximadamente εr=5,5. La constante dieléctrica de un papel aumenta con el aumento del contenido de humedad, aumenta ligeramente con la temperatura y disminuye ligeramente con la frecuencia.Tiene una gran dependencia con la densidad, para densidades entre 0,6 a 1,12gr/cm3la constante dieléctrica varía de εr=1,7 a εr=3,2.

Hay gran divergencia entre los valores señalados por los distintos fabricantes, debido no solamente por el uso de diferentes técnicas de medida, sino también por diferencias en frecuencia, temperatura y principalmente contenido de humedad, la cual en el caso del papel es extremadamente difícil de definir y medir.

Papel Impregnado

No es posible dar detalles completo de las características dieléctricas del papel impregnado sin especificar completamente el tipo de impregnante, construcción de aislante, etc. Con un buen impregnante se obtienen muy altas resistividades (en corriente continua). En el caso del papel parafinado es 10000 TΩ·cm, y en el
caso de papel impregnado para cables se tienen valores de 300 a 500 MΩ-cm. Aunque esto disminuye 1000 veces a 100ºC de temperatura y hay una pequeña
disminución al aumentar el gradiente de potencia.

La rigidez dieléctrica del papel de uso eléctrico impregnado en sus formas comerciales es influenciado por factores tales como presión de electrodos, tipos de electrodos, presencia de cavidades gaseosas, etc. En los buenos papeles para cables se obtienen generalmente valores de rigidez de 200KV/mm.
La constante dieléctrica varía según la sustancia utilizada en la impregnación, valores normales son εr=2,5 a εr=3,5.

Principales Tipos de Papeles Aislantes

  • Papel Kraft: Obtenido de pasta química de madera, en espesores desde 0,05 a 0,15mm. Cuando es muy satinado se denomina Express. Se emplea como aislante en capas y para la fabricación de laminados fenólicos (resinas fenolicas).
  • Papel para capacitores: (papel Tisú). Se obtiene de pulpas de madera y fibras de algodón, en espesores de hasta 0,013mm. Su pureza debe ser máxima.
  • Papel Manila: Hecho con fibra de cáñamo en espesores de 0,05 a 0,1mm. Se denominan papel 100%Manila. También existen papeles con 60%Manila–40%Kraft o 50%Manila–50%Kraft.
  • Cartón Presspan: Se obtiene de pasta química de madera. Es un material muy denso y su rigidez dieléctrica es de 6KV/mm. Barnizado se logra8KV/mm. Se tiene en espesores de hasta 1,5 o 2mm.
  • Cartón Presboard: De pasta de madera y fibra de algodón; su rigidez varía de acuerdo a los espesores, normalmente es del orden de 11KV/mm.Se tiene en espesores de 0,2 a 12mm. Apto para impregnación en aceite.
  • Papel Japonés: Hecho con pulpa de la morera, es un papel finísimo y se emplea principalmente como soporte en la fabricación del papel micro–papel.

Mas información en “Breve Descripción de Materiales No Conductores Electricos, Aislantes y Dieléctricos

Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC

Perdidas en los Materiales No Conductores

materiales dielectricos

Los materiales no conductores no son ni aislantes ni dieléctricos perfectos; entendiéndose como tal, la energía eléctrica por unidad de tiempo transformada en calor, cuando el material está sometido a un campo eléctrico. perfectos, y por lo tanto presentan

Fundamentalmente las pérdidas pueden clasificarse en:

  • Pérdidas por conductividad eléctrica
  • Pérdidas dieléctricas

Pérdidas por Conductividad

Están vinculadas a las corrientes relativamente pequeñas que pueden circular por los materiales llamados no conductores, cuando están sometidos a campos eléctricos (generalmente continuos). El fenómeno de conducción en estos materiales es relativamente complejo (sobre todo en los sólidos), pues a los fenómenos de conducción electrónica (asociados a los electrones de conducción) hay que agregar la conducción iónica, la conducción debido a las impurezas y muchas veces hay que tener en cuenta la acumulación de cargas que modifican el campo interno.

Las pérdidas por conductividad son generalmente despreciables en corrientes alternas.

A continuación se analizarán cada uno de los factores que intervienen en la conducción:

1) Los electrones de conducción: Están presentes en casi todos los materiales no conductores, y aún los mejores aislantes adquieren bajo la influencia de radiaciones de longitud de onda adecuada, cierta conductividad que sólo puede ser electrónica (Ej: conductividad del cuarzo bajo la influencia de los Rayos X).

2) Los iones: La conducción iónica puede tener importancia en los líquidos, y también en las sales. En éstas últimas, las moléculas pueden descomponerse en iones, y si bien las sales pueden comportarse como buenos aislantes a temperatura ambiente, esto se debe simplemente a una gran viscosidad que hace que los iones sólo pueden moverse con extrema lentitud. Un aumento de temperatura disminuye la viscosidad aumentando la conductividad. Por ejemplo el vidrio (por su naturaleza química una sal; silicato), al rojo, es tan conductor como un metal.

3) Las impurezas: Aumentan notablemente la conductividad de los llamados no conductores, un 1% de impurezas puede aumentar en varios cientos de veces, en muchos casos la gran resistividad de un material es un índice de su pureza.

4) Las cargas acumuladas en el dieléctrico: Modifican el campo interno pudiendo provocar una disminución de la corriente que atraviesa un material.
La acumulación de cargas provoca el llamado fenómeno de absorción del dieléctrico.

La absorción dieléctrica puede definirse como la propiedad de ciertos dieléctricos en los cuales se producen acumulación de cargas eléctricas en el material, cuando el mismo está sujeto a la acción de campos eléctricos y se manifiestan en un capacitor, por ej durante el proceso de carga, por una lenta disminución de la corriente hasta el valor final correspondiente a la corriente de conducción, y en el proceso de descarga por una lenta disminución de la corriente hasta el valor nulo correspondiente a la completa descarga del dieléctrico; es decir que la descarga total de un capacitor no es instantánea.

Resistividad

Partiendo del hecho de que en los llamados no conductores hay corrientes de conducción, se puede hablar de ciertos valores de conductividad, y consecuentemente, de valores de resistividad. En estos materiales se distinguen dos tipos de resistividad:

  • Resistividad interna o volumetria
  • Resistividad superficial.

Resistividad Interna o Volumetrica

Puede definirse como el valor de la resistencia entre dos cargas opuestas de un volumen unitario de la muestra. Se suele expresar en [MΩ·cm²/cm], o
simplemente en [MΩ/cm].
Para su determinación se puede recurrir a un dispositivo similar al de la Fig 1. A es la probeta del material a ensayar; B, C y D electrodos circulares prensados sobre la probeta. D es un electrodo de guardia que evita que el instrumento acuse las corrientes superficiales.

La tensión de ensayo aplicada a los terminales a y b pueden ser del orden de 500V a 1000V, y la corriente aplicada que circula a través de la muestra se mide con un microamperímetro o un galvanómetro.

resistencia volumetrica

Fig 1

El coeficiente térmico de la resistividad interna o volumétrica es generalmente negativo, lo que pone de manifiesto la naturaleza electrolítica de la conducción.

Resistividad Superficial

Puede definirse como el valor de la resistencia entre los lados opuestos de un elemento unitario de superficie. Para su determinación puede recurrirse
al montaje anterior con distinto conexionado o al dispositivo de la Figura 2. A es el material a ensayar, B y C dos electrodos en forma de cuchillos y dispuestos paralelamente y D es un electrodo de guardia que evita que la corriente que fluye a través del soporte que fija a B con C, sea acusada por el instrumento
.

resistencia superficial

Fig 2

El valor medio es lo que se designa como resistencia superficial (resistividad superficial), aunque conceptualmente no sea muy exacto, pues las líneas de fuerza del campo eléctrico se extienden en el interior del cuerpo.
La resistividad superficial está muy influenciada por la humedad, el polvo depositado o adherido, etc., es decir que a las características propias del dieléctrico, se agregan las características y el estado de la superficie.

Resistencia de Aislación

Se define como resistencia de aislación, al cociente entre la tensión aplicada, y la corriente circulante entre dos electrodos sumergidos o en contacto con un material. La naturaleza de la muestra y la forma de los electrodos puede determinar si el valor de la resistencia de aislación representa principalmente la resistencia interna o la resistencia superficial.

Pérdidas Dieléctricas

Las perdidas dieléctricas están vinculadas, en muchos casos, a los fenómenos de polarización, también pueden ser debido a impurezas, pero aún las sustancias rigurosamente puras presentan pérdidas considerables, sobre todo en un determinado rango de frecuencia. Estas pérdidas se deben en gran parte, a una imperfecta elasticidad eléctrica de los dieléctricos, de manera que la tensión aplicada tiene que vencer, además de las fuerzas elásticas,  cierta especie de rozamiento molecular o viscosidad (pérdidas por orientación de dipolos). Muchas veces se observa también un retraso de la polarización respecto a la intensidad del campo aplicado con la consecuente pérdida de energía (pérdidas por histéresis dieléctricas). La histéresis dieléctrica esta vinculada al fenómeno de absorción del dieléctrico.
Las pérdidas dieléctricas no son muy apreciables en corrientes continuas o de baja frecuencia.

Circuito Equivalente

perdidas dielectricas circuito equivalente

Fig 3.

Partiendo del hecho de que los materiales no conductores tienen pérdidas, puede plantearse el circuito de la Figura 3 como circuito equivalente de los mismos.
En este circuito, C representa la permitancia del material; R1 representa las pérdidas dieléctricas y R2 las pérdidas por conductividad. En la práctica, estas dos resistencias se combinan en una sola, colocadas en paralelo o en serie con C, siempre que se las elija de un valor adecuado.

diagrama vectorial perdidas dielectricas

Fig 4

Los valores de C, R1 y R2 son función de la temperatura, de la frecuencia, de la humedad, de la tensión, etc. En el circuito equivalente paralelo de la Figura 4 se puede plantear el siguiente diagrama de vectores de corrientes y tensiones: φ es el ángulo de fase (menor de 90º) y δ es el ángulo de pérdida (complemento del ángulo de fase) φ + δ =90º.

Factor de Potencia

Se denomina factor de potencia al coseno del ángulo de fase (cos φ ), y es la relación entre la potencia activa y la potencia aparente.

factor potencia dielectricos

Factor de Disipasión

Se denomina factor de disipación D a la tangente del ángulo de pérdida (tg δ), y es la inversa del factor de mérito Q.

factor disipacion dielectricos

En la práctica, δ puede ser muy chico, y en ese caso: tg δ ≈ sen δ = cos φD = FP y el factor de disipación es sensiblemente igual al factor de potencia.
El producto εr·tg δ se denomina factor de pérdida.

Rigidez Dieléctrica

Cuando un dieléctrico esta sometido a la acción de un campo eléctrico, su estructura sufre ciertas deformaciones, que pueden compararse con las deformaciones de un cuerpo elástico bajo la acción de fuerzas mecánicas.
Mientras el campo no llegue a un determinado valor, el dieléctrico puede, desaparecido el campo, recobrar su estado de equilibrio, pero si se sobrepasa este determinado valor, se produce la ruptura del dieléctrico, y la corriente pasa a través del mismo. Este fenómeno se llama descarga disruptiva.
Se define como rigidez dieléctrica de un material, al máximo gradiente de potencial que el mismo puede resistir sin que se produzca la descarga disruptiva. Se expresa generalmente en V/cm, o KV/cm.

Tabla Comparativa de Materiales Dieléctricos

tipos materiales dielectricos

Materiales No Conductores – Colección

Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC