Resistencia dieléctrica

Resistencia dieléctrica Llave de datos

Unidades SI	V / m
Otras unidades	kV / mm, MV / m
Base SI	V / m
Naturaleza	intensivo
Símbolo habitual	E c
Enlace a otros tamaños	mi=UD{\ Displaystyle E = {\ frac {U} {d}}}

La rigidez dieléctrica de un medio aislante representa el valor máximo del campo eléctrico que el medio puede soportar antes de la activación de un arco eléctrico (por lo tanto de un cortocircuito). Esto se conoce como ruptura del aislamiento. Esta es una de las principales características de los aisladores.

También se usa la expresión campo disruptivo , que es sinónimo pero se usa con más frecuencia para calificar la resistencia de una instalación, mientras que el término rigidez dieléctrica se usa más para calificar un material.

Definición

En la práctica, la rigidez dieléctrica se define por la relación entre la tensión máxima sin ruptura y la distancia que separa los electrodos entre los que se aplica esta tensión. Así podemos escribir:

mivs=UD{\ Displaystyle E_ {c} = {\ frac {U} {d}}}

con :

U: voltaje de ruptura dado (kV)

d: Distancia entre electrodos (mm)

E c (V / m): rigidez dieléctrica (se expresa en V / mo más comúnmente en kV / mm o MV / m).

Si el voltaje aplicado entre los dos electrodos es mayor que la rigidez dieléctrica , el aislante ya no se vuelve aislante y se establece una corriente entre los dos electrodos en forma de arco eléctrico , esto se denomina ruptura . Cuando se produce una avería en un material o en una instalación, sus propiedades físicas pueden modificarse de forma reversible o irreversible. Por ejemplo, para un condensador cuando se excede este valor, el elemento se destruye. El valor máximo de la tensión eléctrica aplicada a los terminales se denomina tensión de ruptura del condensador.

Ejemplo

En el caso de un disyuntor de alta tensión , este es el valor máximo del campo que puede resistir después de la extinción del arco (interrupción de la corriente). Si la rigidez dieléctrica es menor que el campo impuesto por la restauración de la tensión, se produce un reencendido del arco, de ahí el fracaso del intento de interrumpir la corriente.

Factores que influyen en el valor de la rigidez dieléctrica.

Para un material dado, la rigidez dieléctrica depende de varios factores o parámetros. Los factores que influyen en la rigidez dieléctrica se pueden dividir en dos grupos: factores relacionados con la técnica o método de medición y factores relacionados con la fabricación del material .

• Factores relacionados con el método de medición :
  • Formas de voltaje  : directo , alterno, choque, etc.
  • Electrodo  geometría: la geometría de los electrodos influye en la distribución de los campos eléctricos en el espacio (campos no homogéneos) que hace que las descargas locales, donde el campo es la más intensa.
  • Distancia entre electrodos  : en general, la variación de la rigidez dieléctrica no es lineal en función de la distancia.
  • Polaridad de voltaje
  • Condiciones atmosféricas de la medida  : Temperatura, Presión y Humedad.
• Factores relacionados con la fabricación del material (intrínsecos a la muestra medida):
  • La presencia de burbujas  : es posible que haya burbujas de aire o agua en el aislamiento líquido o polimérico.
  • La presencia de impurezas.
  • La absorción de agua en los plásticos reduce el valor de la rigidez dieléctrica.
  • Envejecimiento térmico : un aislante a menudo se somete a una variación de temperatura durante su funcionamiento, esta variación de temperatura provoca un envejecimiento térmico que hace que varíe el valor de la rigidez dieléctrica.

Medida de rigidez dieléctrica

La rigidez dieléctrica de los aislantes líquidos y sólidos se mide aplicando un voltaje creciente al aislante, hasta que el material se descompone. La ruptura se puede detectar visualmente o mediante una medición física: ya sea observando una caída de voltaje en el material o observando un aumento en la corriente que fluye a través de él. Las pruebas se pueden realizar en tensión alterna, en tensión continua o en tensión de impulso dependiendo de la aplicación industrial a la que vayan destinados los aisladores.

En cuanto a las pruebas, los tipos de aislamiento dieléctrico se dividen en dos categorías: autoregeneradores y no autoregeneradores. Los primeros recuperan completamente sus propiedades aislantes después de una descarga disruptiva durante una prueba, los demás no.

Debido a los diversos parámetros y factores que influyen en el valor de la rigidez dieléctrica, la ruptura a menudo se produce en valores de campos eléctricos mucho más bajos que el valor de rigidez dieléctrica predicho por la teoría (esto se conoce como rigidez dieléctrica intrínseca ). Por lo tanto, para aplicaciones industriales, se mide una rigidez dieléctrica (llamada práctica ), cuyo valor es mucho más bajo que el valor teórico ( rigidez intrínseca ).

Las técnicas de medición para determinar este valor de rigidez dieléctrica se describen en normas como IEC 60243 para materiales sólidos e IEC 60156 para aislantes líquidos.

Ensayos sobre aislamiento sólido

Para la medición de la rigidez dieléctrica de un material sólido , se colocan muestras del aislante en forma de placas (de 3 mm) entre dos electrodos. Luego, se aplica un voltaje creciente a los terminales de los dos electrodos. Una vez observada la caída de tensión (o aumento de corriente), que indica la aparición de rotura en el aislamiento, se realiza una segunda prueba.

Si el segundo voltaje de ruptura es significativamente más bajo que el primero, entonces el objeto se considera perforado y el valor medido es representativo de la rigidez dieléctrica del material. De lo contrario, hubo un bypass de la muestra y la ruptura tuvo lugar en el aire, y esta medida de ruptura no corresponde a la rigidez dieléctrica del material. Para corregir esto, son posibles dos soluciones: aumentar el diámetro de la muestra, o tomar la medida en un medio más aislante que el aire (en un gas como SF6 o en un baño de aceite aislante).

Una vez realizada correctamente la medición, repetir la operación 5 veces en muestras idénticas. La media de los 5 valores obtenidos representa la rigidez dieléctrica del material.

Ensayos sobre aislamiento líquido

A diferencia de los aislantes sólidos, los aislantes líquidos son aislantes autoregeneradores , es decir, la rotura no destruye el material por completo y, por lo tanto, es posible realizar varias pruebas en la misma muestra. Para medir la rigidez dieléctrica , basta con sumergir los dos electrodos en el aislante líquido. Luego, de la misma manera que para los aislantes sólidos, se aumenta el voltaje hasta que aparece la ruptura. Sin embargo, se deben tomar precauciones durante la prueba, como evitar que el aislamiento se contamine con la humedad del aire u otras partículas que puedan influir en la medición.

Una vez que la primera medición se ha realizado correctamente, se deben realizar más mediciones en la misma muestra. Sin embargo, se debe tener cuidado de que entre dos mediciones se remueva el líquido aislante para disipar los residuos de la descomposición anterior, evitando la formación de burbujas en el interior del líquido. También es necesario esperar unos minutos entre dos pruebas mientras el líquido está en reposo (unos 5 minutos).

En el caso de los aislantes líquidos, la rigidez dieléctrica es la media de 6 valores de tensión de ruptura obtenidos según el protocolo descrito anteriormente.

Caso especial de un aislante gaseoso

En el caso de un aislante gaseoso, la rigidez dieléctrica depende de la presión del gas, según una relación no lineal. La Ley Paschen describió esta relación. De hecho, para un producto de presión constante y distancia entre electrodos, la rigidez dieléctrica es constante. Es por eso que las normas no recomiendan las pruebas de voltaje.

El campo disruptivo del aire

Comparativamente, el aire es un aislante fuerte. Pero bajo altos voltajes, los electrones que forman los átomos de las moléculas de aire son literalmente arrancados de su órbita de valencia para participar en la conducción eléctrica: luego, los rayos atraviesan la atmósfera. El valor más comúnmente aceptado del campo disruptivo del aire es:

‖mi→disruptivo(aire)‖≈3,6×106V⋅metro-1≈36000V⋅vsmetro-1{\ Displaystyle \ | {\ vec {E}} _ {\ text {disruptif}} ({\ text {air}}) \ | \ approx 3 {,} 6 \ times 10 ^ {6} \; {\ rm {V \ cdot m ^ {- 1} \ approx 36 \, 000 \; V \ cdot cm ^ {- 1}}}}

Podemos interpretar esta fórmula de manera muy simple diciendo que, en aire seco, se necesita una diferencia de potencial de 36,000 voltios para generar una chispa entre dos electrodos planos a 1 centímetro de distancia, o 3,600 voltios para generar una chispa. Chispa entre dos electrodos a 1 milímetro de distancia. Esta interpretación se conoce mejor como la "regla de los 30.000 V por cm  ".

La humedad ambiental es obviamente un factor importante, ya que el agua es un conductor mucho mejor que los gases en el aire. Para aire saturado de humedad, el campo disruptivo puede caer a 10,000 V por cm . Estos valores permiten estimar el orden de magnitud de las tensiones implicadas en el fenómeno del rayo .

Otros gases dieléctricos

En la aparamenta de alta tensión se utilizan gases distintos del aire para reducir su volumen. El hexafluoruro de azufre se usa ampliamente en alto voltaje porque su campo disruptivo es al menos dos veces mayor que el del aire.

Propiedades especiales

La rigidez dieléctrica también evoca el dieléctrico que es un aislante o una sustancia que no conduce electricidad y que es polarizable por un campo eléctrico. En la mayoría de los casos, las propiedades del dieléctrico se deben a la polarización de la sustancia.

• Cuando un dieléctrico, en este caso aire, se coloca en un campo eléctrico, los electrones y protones de sus átomos se reorientan y en algunos casos, a nivel molecular, se induce la polarización (fenómeno observado en dipolos ).
• Esta polarización genera una diferencia de potencial, o voltaje, entre los dos terminales del dieléctrico; esto luego almacena energía que se vuelve disponible cuando se elimina el campo eléctrico.
• La eficiencia de un dieléctrico es su capacidad relativa para almacenar energía en comparación con la del vacío. Se expresa por la permitividad relativa, determinada con respecto a la del vacío .
• La rigidez dieléctrica es la capacidad de un dieléctrico para resistir campos eléctricos sin perder sus propiedades aislantes.
• Un dieléctrico eficiente libera gran parte de la energía que tiene almacenada cuando se invierte el campo eléctrico.

Caja de cable

También podemos hablar de un campo disruptivo en el caso de los cables eléctricos, donde el núcleo (también llamado núcleo) está separado de la cubierta de tierra por un aislante. Aquí también, un campo eléctrico radial excesivamente alto conduce a la rotura de este aislante, dañando irreversiblemente el cable.

Valores numéricos

Rigidez dieléctrica de algunos dieléctricos comunes

Material	Rigidez dieléctrica (kV / mm)
Aire	3
Cuarzo	8
Titanato de estroncio	8
Neopreno	12
Nylon	14
Pirex	14
aceite de silicona	15
Papel	dieciséis
Baquelita	24
Poliestireno	24
Alto vacío	20–40 (depende de los electrodos)
Teflón	60
Mica	150
Vacío perfecto	10 12

Notas y referencias

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Ver también

enlaces externos

• Michel Chateau , "  mediciones dieléctricas, no te dejes influenciar  ", Mediciones , n o  669,Noviembre de 1994, p.  57-60 ( leer en línea )