Ruptura Dielectrica

RUPTURA DIELECTRICA

CONCEPTO

Es un fenómeno que tiene lugar en un dieléctrico (material aislante), como sabemos, un campo eléctrico da lugar a pequeños desplazamientos de las cargas ligadas en las moléculas del dieléctrico. Si el campo eléctrico al que se ve sometido es muy fuerte, es decir se le aplica a través de él una diferencia de potencial que supera un valor crítico Ec, las corrientes eléctricas, normalmente muy pequeñas se incrementan rápidamente y puede sacar a los electrones de las moléculas, que se aceleraran bajo la acción del campo eléctrico. De este modo, se da lugar a la ruptura dieléctrica del material (ha tenido lugar una descarga eléctrica), con lo que el dieléctrico se puede volver conductor. Este campo crítico fija el límite de utilización del material como aislante. La ruptura dieléctrica puede ser reversible, el material recupera su carácter aislante al bajar de Ec ó irreversible cuando ya no se recupera el carácter aislante. El campo eléctrico máximo que puede resistir un material dieléctrico sin que se produzca ruptura recibe el nombre de rigidez dieléctrica del material o campo de ruptura.

La medida del potencial de ruptura suele hacerse mediante la aplicación sobre la muestra de tensiones crecientes en forma de escalón con una duración determinada. A medida que aumenta la tensión aumentan las inestabilidades de la corriente, definiéndose el potencial de ruptura como el valor del voltaje por encima del cual la corriente supera un cierto valor establecido previamente.

En el lugar donde se produce la ruptura, aparece una chispa o un arco eléctrico que puede provocar la fusión, quemadura, agrietamiento y otras alteraciones del dieléctrico. Después de quitar la tensión aplicada, en el dieléctrico, si es sólido, puede detectarse una traza de perforación en forma de orificio perforado, fundido, quemado, etc. La rotura, pues, del aislamiento en una máquina eléctrica, un aparato, cable, etc, significa una avería que pone al dispositivo fuera de servicio y requiere una seria reparación. Si la perforación sucede en un dieléctrico líquido o gaseoso, entonces, después de quitar la tensión, el sector perforado del dieléctrico restablece por completo su valor inicial debido a la movilidad de las partículas de líquidos o gases (claro, esto si la potencia y duración del arco eléctrico no fueron tan significantes para provocar variaciones esenciales del dieléctrico en todo su volumen).

Por lo tanto la tensión aplicada al material dieléctrico por medio de dos electrodos alcanza el valor necesario para producir la conducción entre los electrodos, cortocircuito.

En un condensador, definimos el potencial de ruptura como la máxima diferencia de potencial que podemos establecer entre sus placas antes de que se produzca la ruptura del dieléctrico situado entre las mismas (notar que el potencial de ruptura corresponde al valor de la diferencia de potencial entre las placas del condensador cuando se ha alcanzado el campo de ruptura en el dieléctrico). El potencial de ruptura determina la máxima carga Qmax que se puede almacenar en las placas del condensador:

Qmax = C Vr

Donde:

C es la capacidad del condensador y Vr el potencial de ruptura.

En un condensador, es conveniente tener un dieléctrico entre las placas con un campo de ruptura grande, de modo que el potencial de ruptura sea grande y, así, la carga máxima que puede almacenarse en el condensador.

Un modelo formal, ignorando los detalles físicos de los procesos, fue propuesto en 1984 por Niemeyer, Pietronero, and Weismann.

SEGÚN SU ESTADO

En sólido se produce un conducto de conducción permanente

En líquido y gaseoso el material se “auto-cicatriza” (vaporización) produciéndose una nueva re-aplicación de la tensión hasta que otro proceso de ruptura ocurre.

En un dieléctrico sólido 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).

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.

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.

La ruptura en los líquidos se ve afectada por:

Impurezas electrolíticas

Por el contenido en agua y oxigeno

Partículas macroscópicas 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.

Causas que puedan modificar la tensión de ruptura extrínseca:

• 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.

En aislamientos de líneas aéreas de alta tensión o en pasamuros de equipos eléctricos, la ruptura

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