DESCARGAS EN MATERIALES AISLANTES Y ACEITES DIELÉCTRICOS

DESCARGA EN ACEITES Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano

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PRACTICA 8: DESCARGAS EN MATERIALES AISLANTES Y ACEITES DIELÉCTRICOS

Luis E. Ardila Diego M. Calderón José F. Lozano

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ACTIVIDADES PARA ANTES DE INICIAR LA PRACTICA

1. Defina los siguientes términos: nivel de aislamiento, disrupción, tensión de

disrupción y rigidez dieléctrica.

Nivel de Asilamiento: Es la correlación de esfuerzos dieléctricos en los asilamientos de

los distintos componentes de un sistema eléctrico de potencia e alta tensión con el

objetivo de minimizar los riesgos de pérdida del suministro de energía eléctrica, causado

por sobretensiones que pudieran causar daños en los equipos y en los diferentes

elementos de la red eléctrica.

Disrupción: Se define como la ruptura en el equilibrio de un sistema es decir cuando en

un aislante o material dieléctrico se presenta una conducción eléctrica debido al

aumento progresivo en el campo eléctrico presentando ionizaciones que producen una

descarga o arco eléctrico. .

Tensión de Disrupción: Es el Voltaje mínimo en el cual se produce una perforación o

ruptura en un material aislante o dieléctrico permitiendo el paso de corriente o

conducción en dicho material.

Rigidez Dieléctrica: Es el valor el valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el

cual un material pierde su propiedad aisladora y pasa a ser conductor por lo tanto

genera corrientes.

2. ¿Cuáles son los factores que influyen en el valor de la rigidez dieléctrica de un

líquido y un sólido?

Los valores más determinantes en la rigidez dieléctrica son el tipo de material dieléctrico

que sea analizado, las impurezas que este presente, la presión atmosférica y humedad

el ambiente así como la Temperatura de donde se quiera evaluar la rigidez del material,

el tiempo y el tipo de señal que se le aplique al material.

3. ¿Cuál es el valor de la tensión disruptiva del aceite mineral utilizado como

aislante en transformadores de distribución? ¿Qué relación tiene la presión, la

estructura molecular, el contenido de agua y la presencia de partículas solidas

sobre este valor?


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4. Según las características del material bajo prueba, existen tres (3) formas

normalizadas (ASTM) de aplicar la tensión de ensayo: Ensayo de breve duración,

Ensayo de ritmo suave de elevación de la tensión y Ensayo “paso a paso” o

escalonado. Explique brevemente en qué consiste cada uno de estos métodos,

apóyese de imágenes si lo considera necesario.

Según el estándar americano ASTM-D149i donde se especifican los métodos

normalizados para determinar la tensión de disrupción de materiales dieléctricos a

frecuencias comerciales, este menciona en su apartado doce, los distintos

procedimientos que se deben seguir a la hora de realizar pruebas de este tipo, los tres

métodos se mencionan brevemente a continuación.

Ensayo de breve duración: Esta prueba normalizada consiste en aplicar tensión

uniforme a los electrodos de prueba desde cero hasta que ocurra la disrupción a

una tasa de incremento de la tensión constante como se observa en la Figura 1.

Se debe utilizar este tipo de prueba si no se especifica alguna otra. Se debe

seleccionar una tasa de crecimiento de tal forma que la disrupción ocurra entre

los 10 y 20 segundos de la prueba, por lo que generalmente es necesario hacer

una o dos pruebas preliminares con el fin de definir la razón de crecimiento de la

tensión más adecuada.

Figura 1. Perfil de voltaje para la prueba de breve duración.

Ensayo paso a paso o escalonado: Consiste en aplicar voltaje a los electrodos

de prueba empezando con una tensión inicial de aproximadamente el 50 % del

valor de tensión disruptiva estimada mediante una prueba de corta duración, y

continuando la prueba con incrementos escalonados de aproximadamente el 10

% del valor final como se muestra en la figura 2.

La duración de cada intervalo de tiempo debe ser de 60 +- 5 segundos de tal

forma que se garantice que la tensión de disrupción se encuentre entre el paso 4

o 5 de la prueba y entre 120 y 720 segundos de empezada.

Si la disrupción sucede cuando se está incrementando la tensión para el

siguiente paso, se dice que la tensión disruptiva fue ese último paso, mientras


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que si la disrupción se produce cuando la tensión permanece los 60 segundos

en el paso actual la tensión de ruptura será el valor de dicho paso.

Figura 2. Perfil de voltaje para la prueba paso a paso.

Ensayo de ritmo suave de elevación de la tensión: Consiste en aplicar tensión de

acuerdo a la figura 3, en donde debemos seleccionar una tensión inicial de

aproximadamente el 50% de la tensión de ruptura estimada, luego de esto se

incrementa la tensión a una tasa tal que se produzca la disrupción luego de 120

segundos de prueba (tbd), si se produce disrupción antes de este tiempo se debe

reducir la tensión inicial o la tasa de crecimiento, si la disrupción se produce a

menos de 1.5 veces la tensión inicial se debe reducir la tensión inicial, finalmente

si la disrupción se produce a más del 2.5 veces la tensión inicial se debe

aumentar dicha tensión inicial.

Figura 3. Perfil de voltaje para la prueba de ritmo suave de elevación de la tensión.

5. ¿Qué es la distancia de fuga? ¿Qué relación tiene con la perforación dieléctrica

de un material y una descarga superficial o flash-over?


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La distancia de fuga es aquella que se mide entre dos elementos conductores a través

de la superficie de un elemento aislanteii, se trata del camino más corto, por lo tanto es

el más probable de que ocurra la disrupción, normalmente en líneas de media y alta

tensión, podría recorrer una descarga entre conductores, o entre conductor y tierra,

sobre el aislante interpuesto entre dichos conductores.

Dado que es probable que los aislantes bien se degraden con el tiempo, bien se

contaminen por suciedad de cualquier tipo, hay que introducir un margen de seguridad

en el cálculo de las distancias mínimas admisibles ("líneas de fuga") entre conductores

para prever tal posibilidad.

Cuando se producen descargas superficiales, o flash-over, esta puede dañar la

superficie del aislador, tanto así, que dichos daños pueden llegar a ser

significativamente importantes como para disminuir la tensión de la descarga superficial

hasta lograr dejar el aislador completamente inútil.iii

Dichas descargas superficiales son altamente dependientes de la distancia de fuga, ya

que de esta depende que se produzcan a una tensión mayor, lo que las hace menos

probables, es por esto que los fabricantes diseñan sus aisladores de tal forma que estos

tengan grandes distancias de fugaiv como se muestra en la figura 6.

Figura 6. Perfil Aislador alta distancia de fuga.

ACTIVIDADES Y DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

I. Prepare el recipiente para el ensayo y cerciórese de que sea de un material

aislante, no higroscópico e inatacable por el aceite. (Acrílico, vidrio, etc.). Tome

las dimensiones del recipiente, calcule el volumen máximo que puede contener,

mida sus paredes, determine las dimensiones de los electrodos y revise que no

posea fugas.


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II. Explique el funcionamiento y configuración de cada uno de los métodos de medición

empleados, muestre el valor de sus componentes y la relación de transformación de

cada uno.

Para llevar a cabo esta práctica satisfactoriamente es necesario contar con sistemas de

medida los cuales nos permitan transformar las altas tensiones en voltajes reducidos los

cuales se puedan medir mediante equipo convencional, este trabajo lo realizan los

divisores de tensión, en este caso utilizaremos dos tipos de estos divisores.

En primera medida tenemos un divisor capacitivo puro, el cual consiste en una

capacitancia de alta de 100 pF, con un ramal de baja de 200 nF, este divisor nos servirá

para medir la tensión a la salida del transformador, y así mediante la relación de

transformación tener un estimado si la tensión esta correcta entre el primario y

secundario del transformador.

Tenemos un segundo equipo de medida, el cual consiste en un divisor resistivo

compensado, el cual cuenta con una rama de alta de 52 pF conectados en paralelo con

243,6 MΩ y un ramal de baja, de un condensador de 50 nF conectado en paralelo con

una resistencia de 240 kΩ.

La configuración y valores de los dos equipos de medida a utilizar durante la práctica se

encuentran resumidos en la figura 9, la relación de transformación de cada uno de estos

divisores es de 1862 para el capacitivo puro y de 928 para el resistivo compensado.

Figura 9. Sistemas de medida, a) divisor capacitivo puro (1862) y b) divisor resistivo compensado (928).

También utilizamos un probador de aceites que corresponde a un aparato

especialmente diseñado para realizar las pruebas de rigidez dieléctrica de aceites

aislantes con congelamiento de la lectura de rompimiento, con sistema automático para

incremento de voltaje seleccionable en 3 rangos: 500/2000/3000 Volts/seg, el

funcionamiento es sencillo se vierte un aceite en un recipiente dentro del equipo y se


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aumenta la tensión a una razón determinada, cuando se produce la descarga en el

aceite este congela la lectura del voltaje de disrupción y muestra el valor de la

descarga.

Figura 10. Probador de Aceites (Hipotronics OC60D-A).

III. Monte un Circuito de generación AC y conecte al salida mediante una resistencia

(defina el valor) con el recipiente y los electrodos, llene el recipiente con el liquido a

ensayar de tal manera que quede cubierto al menos 3 o 4 cm por encima del eje de

electrodos.

Bueno para realizar la prueba de rigidez dieléctrica del aceite se monto un circuito de

generación AC común utilizado en las anteriores prácticas con una resistencia limitadora

de aproximadamente 10 MΩ y con un sistema de medida con un divisor resistivo

compensado de relación de transformación de 928. Como se muestra en al siguiente

figura.


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Figura 11. Montaje generación Ac para probar el aceite.

El recipiente utilizado para verter el aceite tiene las siguientes dimensiones y solo lo

usamos al comenzar la prueba para calibrar el probador de aceites este tiene un

volumen de 110 cm3.

Figura 12. Recipiente.

IV. Configure la distancia de los electrodos a 10 mm. A una velocidad constante de

2KV/segundo aplique tensión creciente desde cero hasta determinar el valor de la

tensión disruptiva a la muestra 1 del liquido a esa distancia. Repita este

procedimiento 6 veces y descarte la primera medida.

Primero se utilizo el recipiente de la figura 12 y el circuito de la figura 11 con el fin de

determinar el voltaje de disrupción del aceite y calibrar el probador de aceites de la

figura 10. Para tener en cuenta durante la prueba, primero se tomaron seis medidas de


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voltaje disruptivo para cada muestra de cada tipo de aceite y se descarta el primer dato

para luego realizar un promedio aritmético y calcular la tensión disruptiva del aceite,

segundo se utilizo 3 tipos diferentes de aceites y se realizaron medidas con tres

muestras diferentes para cada tipo de aceite, tercero se descartaron medidas que

tuviera un valor que difería en más de un 10% de las diferentes medidas.

Las primeras medidas que se tomaron fueron de acuerdo a lo mencionado

anteriormente con el circuito de generación Ac y solo con el fin de calibrar las medidas

del probador de aceites y tener un estimador de aproximadamente cual es el valor del

voltaje disruptivo del aceite, entonces en la siguiente tabla se va a mostrar los valores

que se obtuvieron y los que se utilizaron para hallar el voltaje disruptivo.

Aceite 1

Voltaje Rama Baja

Voltaje de Entrada

Resistivo Compensado (928)

Voltaje Disruptivo

36,80 16.707,20 16,00 20.998,24

34,80 15.799,20 15,30 20.079,57

35,98 16.334,92 16,60 21.785,68

37,83 17.174,82 17,30 22.704,35

36,16 16.416,64 16,80 22.048,16

Promedio 21.523,20

Tabla 1. Aceite 1 (Circuito de generación AC)

Como resultados de la prueba realizada en el primer aceite y en la primera muestra

podemos tener un estimador aproximado con el fin de calibrar el probador de aceites y

determinar las siguientes medidas, podemos ver que el voltaje de disrupción fue

aproximadamente de 21500 V.

Ahora nos disponemos a mostrar todas las medidas realizadas en el probador de

aceites el cual se le realizaron algunas calibraciones para mostrar la salida y luego se

procedió a verter el aceite 1 muestra 1 en el recipiente interno del probador, luego se

colocó el incremento de voltaje en una velocidad determinada de 3KV/segundo y se

procedió a iniciar la prueba, para la toma de cada muestra se espera aproximadamente

45 segundos, se realizan las seis muestras correspondientes y se cambia de muestra

esto se hace tres veces para cada tipo de aceite, luego se descarta una medida y se

calcula el promedio por muestra y luego por aceite.

Para el primer aceite también se tomo medida de tiempo para calcular que la velocidad

con la que se estuviera haciendo la prueba fuera la determinada y adecuada (3KV/s), a

continuación se muestra todas las medidas realizadas.


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Aceite 1

Muestra 1

Tiempo (s) Velocidad (Kv/s) Voltaje (kV)

9,50 3,27 31,10

10,55 3,14 33,10

11,65 3,07 35,80

11,30 3,08 34,80

10,50 3,29 34,54

Promedio 33,87

Tabla 2. Aceite 1 Muestra 1

Para la primera muestra de aceite de determino el tiempo desde que al tensión es 0

hasta la disrupción y se calculo la velocidad de crecimiento de la tensión que estaba

determinada en 3 KV/segundo además se tomaron los valores de voltaje disruptivo

entregados por el probador de aceites con un tiempo de espera de 45 segundos

después de cada disrupción y se procedió a hallar el promedio el cual resulta en

33,87KV, para las demás muestras se vierte del mismo tipo de aceite al recipiente

dentro del probador, se procede igual y so toman los valores como se muestra en las

siguientes tablas.

Muestra 2


8,70 3,77 32,80

9,80 3,18 31,20

11,23 3,15 35,40

10,60 3,16 33,50

9,50 3,33 31,60

Promedio 32,90


Muestra 3


11,8 3,14 37,1

11,7 3,21 37,5

12,2 3,39 41,3

13 3,22 41,8

12,3 3,21 39,5

Promedio 39,44


Por último para este Aceite se calcula el promedio total de todas las muestras para

determinar el voltaje disruptivo.


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.

Aceite 1 Voltaje Disruptivo

Muestra 1 33,87

Muestra 2 32,90

Muestra 3 39,44

Promedio 35,40 Tabla 5. Aceite 1 Voltaje Disruptivo.

Por lo tanto el voltaje disruptivo del aceite 1 fue de 35,4 KV si comparamos este valor

con el determinado para la prueba con el circuito generador AC de la figura 11 el valor

determinado de la tabla1, 21500 V, este valor es muy diferente esto se debe

principalmente a la calibración del equipo de medida en este caso el probador de

aceites y el divisor de tensión del circuito generador de alta AC, además de las

condiciones ambientales en el laboratorio y dentro del equipo probador de aceites, así

mismo las condiciones de los recipientes y del vertimiento del aceite en ellos.

Aceite 2

Ahora se procede a intercambiar el aceite y tomar la misma cantidad de datos, es decir,

tres muestras del aceite, 6 medidas en cada muestra con un tiempo de espera entre

cada voltaje de disrupción de 45 segundos y se descarta la primera medida en cada

muestra y se procede a calcular el valor promedio de voltaje disruptivo como se muestra

en la siguiente tabla.

Aceite 2

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

Voltaje (kV) Voltaje (kV) Voltaje (kV)

17,8 22,9 25,2

15,6 26,2 29,6

18,4 28,1 30,3

18,2 19,7 31,2

19,3 29,4 25,1

Promedio 17,86 25,26 28,28

Promedio Total Voltaje Disruptivo 23,80

Tabla 6. Aceite 2 Voltaje Disruptivo

El voltaje disruptivo del aceite número 2 es de 23,8 KV se puede observar que la

variación entre cada muestra es bastante considerable esto se debe a condiciones

ambientales, vertimiento no uniforme de aceite en el recipiente y presencia de

impurezas.


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Aceite 3

Finalmente se cambia el aceite al número 3 y se procede de igual manera que en los

otros tipos de aceites, tomando valores como se muestra en al siguiente tabla.

Aceite 3

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

Voltaje (kV) Voltaje (kV) Voltaje (kV)

13,1 13,1 17,9

15,3 14,8 16,7

15,2 19,5 23,7

10,8 18,5 19,2

12,9 15,4 19

Promedio 13,46 16,26 19,30

Promedio Total Voltaje Disruptivo 16,34

Tabla 7. Aceite 3 Voltaje Disruptivo

El voltaje disruptivo es de 16,34 KV para el aceite numero 3.

CONCLUSIONES

Una de las principales ventajas de los aceites aislantes a los cuales se les realizo la

prueba de rigidez dieléctrica es su propiedad de autorregenerarse después de una

perforación dieléctrica o una descarga disruptiva esto es de suma importancia para la

utilización de aceites como aislantes en los transformadores e interruptores, así como

en la fabricación de conductores eléctricos.

Las impurezas contenidas en el aceite disminuyen considerablemente su rigidez

dieléctrica, cada tipo de aceite tiene su determinada cantidad de impureza por lo tanto

su rigidez dieléctrica cambia, pero también el agua es la que más influye en esta

variación de rigidez dieléctrica, pues los aceites muy secos tienen elevada rigidez

dieléctrica, aunque contengan sustancias fibrosas o impurezas.

Le medida del voltaje disruptivo del aceite es muy susceptible a diferentes factores que

pueden afectar la medida y se puede tener muestras con valores muy dispersos como

se tuvieron durante el desarrollo del laboratorio esto se debe principalmente a

condiciones ambientales, un no esparcimiento total y uniforme del aceite en el

recipiente, la calibración de los sistemas de medida y pureza del aceite, entre otros

factores que afectaron de alguna forma la desviación y la dispersión de los voltajes de

disrupción tanto para un mismo aceite como para una misma muestra.

Las condiciones de Temperatura son las que más pueden afectar el valor del voltaje

disruptivo ya que esta varia la viscosidad del aceite el cual determina su rigidez


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dieléctrica, peor también la presencia de impurezas representas puentes por donde la

disrupción puede ocurrir.

Al comprar los valores de voltaje disruptivo con los dos sistemas de medida (Figura 10 y

Figura 11) estos valores son muy diferentes esto se debe principalmente a la

calibración del equipo de medida en este caso el probador de aceites y el divisor de

tensión del circuito generador de alta AC, además de las condiciones ambientales en el

laboratorio y dentro del equipo probador de aceites, así mismo las condiciones de los

recipientes y del vertimiento del aceite en ellos.

Desde el punto de vista de la seguridad eléctrica, disminución de costos de

mantenimiento, y optimo funcionamiento, es indispensable monitorear frecuentemente

la condición del aislante dieléctrico , para tomar acciones preventivas y algunas posibles

correctivas a que haya lugar antes de que le aceite alcance un grado de deterioro más

allá del punto donde la falla es inevitable, por esto es necesario tener conocimientos

sobre la rigidez dieléctrica de los aceites y los factores que pueden afectar esta rigidez.

REFERENCIAS

i ASTM-D149 Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of

Solid Electrical Insulating Materials at Commercial Power Frequencies. ii IEC Publication 664, 664A, Insulation Co-ordination within Low voltage Systems, Including

Clearances and Creepage Distances for Equipment, 1980, 1981. iii H. Craig Miller, ” Surface Flashover of Insulators”, IEEE Transactions on Electrical Insulation

Vol. 24 No. 5 , October 1989. iv GAMMA, Boletín Técnico N° 25 de 2005, Aisladores De Suspensión Adf, Con Alta Distancia

De Fuga Para Aplicación En Zonas Contaminadas V http://www.hipotronics.com/products/liquid-dielectric-test-equipment/

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