Definiciones fundamentales:
a) Descarga parcial (DP)
Según
IEC 60270 "Medida de Descargas Parciales", una DP es una descarga
eléctrica localizada que cortocircuita sólo parcialmente el aislamiento entre
dos electrodos y que puede producirse adyacente o no a uno de ellos. El resto
del material que no sufre la descarga es capaz de continuar su función
dieléctrica sin que se produzca la perforación del aislamiento. Se dice que es
parcial, puesto que existe un aislamiento en serie con la parte defectuosa que
evita una ruptura completa del dieléctrico.
b) Magnitudes relativas a descargas
parciales:
Carga aparente (q)
Es
el valor absoluto de la carga que inyectada de modo instantáneo entre los
bornes del objeto en ensayo, cambiaría momentáneamente la tensión entre esos
bornes en la misma medida que con la propia descarga parcial.
La
carga aparente se expresa en picoCulombios (pC)
Frecuencia de repetición (n)
La
frecuencia de repetición, n, de los impulsos de descargas parciales es el
número medio por segundo, de impulsos debidos a descargas parciales, medido en
un tiempo dado.
A
efectos prácticos puede ocurrir que solo se consideren impulsos que rebasen una
amplitud especificada o estén comprendidos dentro de un intervalo de amplitud
especificado. Los resultados se expresan en ocasiones como curvas de
distribución acumulada de la frecuencia de repetición, en función de la
amplitud de las descargas parciales.
Corriente media de descargas (I)
Es
la suma de los valores absolutos de las descargas aparentes durante un cierto
intervalo de tiempo dividida por ese mismo intervalo.
Valor medio cuadrático (D)
Es
la suma de los cuadrados de las descargas aparentes durante un cierto intervalo
de tiempo, dividida por ese intervalo de tiempo.
Potencia de descarga (P)
Es
la potencia media suministrada en bornes del objeto en ensayo por las descargas
parciales.
Intensidad de las descargas
parciales especificada (I)
Es
el valor de la magnitud escogida para caracterizar las descargas parciales en
el objeto en ensayo, en las normas o especificaciones correspondientes, a una
tensión dada.
Tensión de aparición de las
descargas parciales (Ui)
Es
la menor tensión para la cual el dispositivo de ensayo detecta descargas
parciales, cuando la tensión aplicada al objeto en ensayo se incrementa
progresivamente desde un valor inferior en el que no se observan descargas.
Desde
un punto de vista práctico, es la menor tensión para la cual la intensidad de
las descargas iguala o supera un valor mínimo especificado.
Tensión de extinción de las
descargas parciales
Es
la menor tensión para la cual la intensidad de las descargas es igual o
inferior a un valor mínimo especificado.
Tensión de ensayo de descargas
parciales (Ue)
Es
la tensión especificada que se aplica según el procedimiento de ensayo
especificado y durante el cual el objeto en ensayo no debe sufrir descargas por
encima de la intensidad especificada.
Naturaleza del fenómeno de descarga
parcial
Como
se ha indicado en la definición de DP, una descarga parcial es la que se
produce entre dos electrodos sometidos a tensión, pero sin establecer puente
completo o directo entre dichos electrodos. Cada impulso de descarga contiene
una determinada energía que es disipada en las superficies aislantes de las
cavidades por la acción de un bombardeo iónico en cada cavidad. Estos
bombardeos pueden provocar calentamientos localizados y la aparición de
productos químicos que conjuntamente con el fenómeno de descarga provocan la
degradación progresiva y localizada del aislamiento. Esta degradación es lenta
y el aislamiento finalmente puede perforarse (Figura 1).
Figura 1: Avalancha inicial para la formación de una
descarga parcial.
Esta
descarga se produce normalmente en el aire (o en otro gas) y es limitada por la
presencia de algún material aislante sólido, intercalado en serie en la
trayectoria de la descarga.
La
presencia de dicho material aislante limita mucho el valor efectivo de la
intensidad que circula como consecuencia de la descarga parcial (fig. 2).
Esta
figura representa un sistema muy simple, con dos aislantes de igual espesor
(unos 0,6 mm. de PVC) entre los cuales existe un tercer espesor de aire. Como
el PVC tiene una constante dieléctrica más elevada que el aire, el
"stress" eléctrico se concentra en la separación interelectródica en
el aire, que se denomina "gap". Como sea que la tensión de descarga
en el aire es de unos 25 kV/cm, el "gap" o separación que nos ocupa
podrá resistir un campo eléctrico ("stress") de 1,5 KV. En el sistema
descrito, esto se producirá cuando la tensión entre los electrodos exteriores
X1 y X2 sea de 2,5 KV. En realidad, cuando el aire se rompe bajo la influencia
del campo eléctrico (fig. 3), las moléculas del gas aire se ionizan, en iones
positivos con carca positiva y electrones libres, con carga negativa. Los
iones, cargados positivamente, son atraídos hacia la cara del aislante más
próximo al electrodo negativo mientras que los electrones serán atraídos hacia
la cara opuesta, que es positiva. Cuando estas cargas eléctricas llegan a la
superficie aislante, no pueden continuar su marcha hacia los electrodos debido
al aislamiento. Así pues, estas cargas iónicas se acumularán en las superficies
de los aislantes (Fig. 4).
Ahora,
al proseguir la descarga, existirán en el "gap" dos componentes del
campo eléctrico, El primero, debido a la tensión aplicada que actúa desde X1 a
X2 y el segundo, debido a la acumulación de cargas eléctricas depositadas en la
superficie de los aislantes, que obra en sentido contrario, desde X2 hacía X1.
Estos dos campos opuestos, tienden a contrarrestarse mutuamente y cuando más
dure la descarga, mayor será la carga eléctrica que se depositará, Esto
continuará hasta que el campo resultante en el aire del "gap" haya
disminuido hasta no poder mantener la conducción por el aire, con lo cual la
descarga se extinguirá.
Esta acción de descarga es muy rápida y este sencillo proceso puede
completarse entre 10 y 100 n.segs. Mientras que para iniciar el proceso es
necesario un campo eléctrico muy elevado una vez se ha formado un canal de
descarga, éste persiste hasta que el campo quede reducido a 1/10 aprox. de su
valor inicial.
Si
la tensión aplicada es en corriente continua las cargas eléctricas depositadas
prohibirán cualquier descarga posterior hasta que las cargas se hayan eliminado
por fugas, para lo cual pueden ser necesarios muchos segundos; el campo opuesto
se reducirá y el campo resultante aumentará hasta que se
produzca una nueva descarga.
Por
lo que, en tensión continua el fenómeno es irrelevante pues solo ocurre una
descarga al conectar el voltaje y otra al desconectarlo. Mucho mayor interés
tiene el estudio de las descargas bajo tensiones de corriente alterna, en donde
se producirán al menos dos descargas en cada ciclo.
En
corriente alterna se produce el mismo mecanismo físico básico, pero ahora la
tensión aplicada varía y se invierte constantemente de modo que cuando haya
tenido lugar una descarga mientras la tensión aplicada es positiva, se
depositará carga en la forma descrita anteriormente. Entonces, la tensión
aplicada no afectará a las cargas depositadas existentes en las superficies de
los aislantes, las cuales durante pocos milisegundos, permanecerán fijas.
Cuando la tensión aplicada se ha reducido a cero, el campo eléctrico
subsiguiente en el “gap” o distancia interelectródica será totalmente debido a
la presencia de las descargas depositadas. Al invertirse, ahora, la tensión
aplicada, dicho campo debido a las cargas de sumará al campo creado por la
tensión aplicada. (fig. 5). Ahora, el “stress” eléctrico resultante en el “gap”
puede ser suficiente para producir la ruptura del aire, y ser causa de otra
descarga en sentido contrario, incluso cuando la tensión aplicada sea muy baja.
Como la tensión en el “gap” continua aumentando hacia su valor máximo negativo,
puede producirse una nueva descarga (fig. 8).
Así
cuando la tensión aplicada es de corriente alterna, se produce descarga en cada
semiperiodo de la alimentación. La figura 10 indica de qué modo la tensión en
el “gap” aumenta y disminuye durante todo el periodo y también, que la descarga
se producirá normalmente cuando la tensión aplicada está aumentando desde cero
a su valor máximo o “pico”, tanto positivo como negativo.
Figura 10: Formas de onda de voltaje y corriente
generadas por DPs.
Estos
puntos o situaciones de descarga pueden presentarse en el interior del
aislamiento de cualquier equipo de alta tensión o cables, aparamenta,
“bushings” (aisladores pasatapas), transformadores de medida (de tensión y de
intensidad), transformadores de potencia, etc.
El
ejemplo que se ha indicado, de un “air gap” encerrado, es un ejemplo típico de
una situación de descarga. Existen otros muchos puntos o situaciones de
descarga, descargas superficiales, descargas en el aire (efecto corona),
descargas en aceite y cualquier otro caso en el cual la trayectoria de la
descarga sólo parcialmente establece puente entre los electrodos.
RESUMEN
Una
descarga parcial es una ruptura de tensión que no pone en cortocircuito la fuente
o alimentación de tensión, en general, es una consecuencia de concentraciones
locales de campo eléctrico en el seno del aislamiento o en la superficie del
mismo. Su aparición está ligada a la presencia de zonas que están completa o
parcialmente en fase gaseosa; estas zonas se pueden corresponder por ejemplo
con oclusiones en aislamientos sólidos, con burbujas formadas por la
vaporización de un líquido o con gases que rodean puntas conductoras con radios
de curvatura pequeños.
El
efecto corona es una forma de DP que se produce en un entorno gaseoso alrededor
de un electrodo que se encuentra parcialmente alejado de cualquier aislamiento
sólido o líquido.
Las
descargas parciales pueden ocurrir bajo “stress” tanto de corriente continua
como de corriente alterna.
En
el caso de corriente alterna las descargas se repiten en todos los periodos y,
normalmente se producen cuando la tensión aplicada está aumentando desde cero
al valor de pico.
FUENTES:
Robinson
Instruments
Laboratorio Oficial
de Electrotecnia (LCOE)
Tettex
Instruments
International Standard IEC 60270. High voltage test techniques - partial discharge measurements.
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