Monday, November 29, 2004

Ventanas de Observación

Última actualización: 8 de Abril de 2007

Ante un problema, el buen electricista debería ser capaz de moverse en varias direcciones. A lo largo del eje del tiempo: desde los milisegundos de los regímenes transitorios y subtransitorios, hasta los años de la planificación a largo plazo, pasando por el tiempo real del régimen permanente. A lo largo del eje del "espacio", atravesando los distintos niveles de tensión de las redes eléctricas y su cobertura geográfica: desde la red nacional de transporte hasta las acometidas de las viviendas, pasando tanto por los anillos de circunvalación y las redes de reparto para la alimentación de las grandes aglomeraciones urbanas, que desescalonan tensión y sectorizan la potencia de cortocircuito, como por las redes de distribución de media y baja tensión. También el buen electricista debe ser capaz de desenvolverse en planos de distintos grados de abstracción: tanto sobrevolar las "magnas" teorías regulatorias a la moda que marcan desde hace unos años el destino del Sector Eléctrico, como ponerse el traje de faena para descender hasta el nivel molecular cuando el problema así lo requiera. Finalmente, el buen electricista debe saber moverse por el "espacio económico" y tener siempre presente la afirmación de aquel británico que nunca amó a España pero nos ayudó a sacarnos de encima a Napoleón, el primer Duque de Wellington: "ingeniería es hacer bien por una libra, lo que un chapucero haría por dos imitándolo" -"To define it rudely but not ineptly, engineering is the art of doing that well with one pound, which any bungler can do with two after a fashion." De esta manera, el electricista dispondría de una "ventana de observación" muy completa para focalizar el problema que tenga entre manos en cada ocasión.

Una magnitud complementaria muy importante sería el "grado de compatibilidad" o posición relativa de su "ventana de observación" respecto a las "ventanas de observación" de otros, porque ese grado puede simplificar o complicar el problema. La "ventana de observación" de cada uno dependerá de sus conocimientos, edad, experiencia y responsabilidad. Cuanto mayor sea la "compatibilidad" entre las "ventanas de observación" de las partes interesadas, o "stockholders" como se les dice ahora, tanto mejor estará focalizado el problema, o "mutatis mutandi", este se verá más borroso. Como un óptico cuando gradua la vista, la mejor lente para observar el problema debería obtenerse superponiendo las "ventanas de observación" de todos los interesados. Así mismo, factores no eléctricos, como la moda o elementos organizacionales por poner un par de ejemplos, pueden hacer que unas "ventanas de observación" primen más que otras, aumentando o disminuyendo así la "compatibilidad" relativa entre ellas, y contribuyendo a enfocar o desenfocar más o menos el problema.

Siempre se ha dicho que el papel lo aguanta todo, incluso impregnado en aceite ha sido históricamente un magnífico dieléctrico, supongamos que ahora el dieléctrico se perfora, y el fenómeno precisa una "ventana de observación". Descendamos pues hasta el nivel molecular.

Rigidez dieléctrica

En lo que respecta a su comportamiento eléctrico, los materiales pueden dividirse en dos categorías: conductores de electricidad y aislantes (dieléctricos). Un material dieléctrico ideal no tiene cargas libres y no muestra conductividad en presencia de un campo eléctrico exterior. En los dieléctricos reales típicos la conductividad es 10 elevado a 20 veces menor que en un buen conductor, y como este es un factor tremendo, por lo general es suficiente decir que los dieléctricos son no conductores.

Tormenta sobre Seattle


Sin embargo, todos los materiales se componen de moléculas, y las de los dieléctricos son de hecho afectadas por la presencia de un campo eléctrico externo, de modo que las partes positivas y negativas de cada molécula se desplazan de sus posiciones de equilibrio en sentidos opuestos. Estos desplazamientos en el caso de los materiales aislantes están limitados a fracciones muy pequeñas del diámetro molecular debido a las intensas fuerzas restauradoras que se forman por el cambio de configuración de carga de la molécula. El efecto total desde el punto de vista macroscópico se visualiza con mayor claridad como un desplazamiento de toda la carga positiva en el dieléctrico con relación a la carga negativa. Se dice que el dieléctrico está polarizado, y que sus moléculas tienen un momento dipolar inducido.

El grado de polarización depende no sólo del campo eléctrico exterior aplicado, sino también de las propiedades de las moléculas que forman el material dieléctrico. La relación entre la polarización P del dieléctrico y el campo eléctrico E se denomina susceptibilidad eléctrica y especifica completamente el comportamiento del material.

Tormenta sobre Belgorod

Si el campo eléctrico aplicado a un dieléctrico se hace muy intenso, empezará a sacar electrones de las moléculas, y el material se convertirá en un conductor. En el caso de un dieléctrico sólido, una chispa, o una descarga disruptiva, atraviesa el material y el dieléctrico se perfora en el proceso que tiene lugar. La chispa deja a su paso una huella en el material carbonizado y esa zona afectada del dieléctrico queda inservible como material aislante. En el caso de un dieléctrico líquido la chispa también origina una traza de material conductor a su paso, pero la violencia de la explosión basta normalmente para dispersar los productos de la combustión.

Para cada dieléctrico existe un cierto límite de la intensidad de campo eléctrico por encima del cual el material pierde sus propiedades aislantes y se convierte en conductor. La intensidad máxima de campo eléctrico que un dieléctrico puede soportar sin rotura se denomina rigidez dieléctrica, medida normalmente en Voltios/cm.


La rigidez dieléctrica o tensión de perforación de un dieléctrico no es una constante porque depende de las propiedades físicas del material, condiciones del medio ambiente y naturaleza y duración de la tensión aplicada así como de la frecuencia con que el material la sufre.

Se pueden distinguir dos tipos de perforación: eléctrica y térmica. Junto a estos dos tipos es necesario considerar también la perforación por ionización, que es el resultado de la ionización del gas alojado en las pequeñísimas cavidades o burbujas que pueden tener los materiales dieléctricos sólidos o líquidos.

En definitiva, la rigidez dieléctrica de los materiales depende principalmente de:
- La heterogeneidad del campo eléctrico aplicado, y por extensión de la forma de los conductores,
- Naturaleza e intensidad de la ionización de las incrustaciones de gas, y
- Cambios químicos que pueda experimentar el material.


Efectivamente, la forma es importante. Imaginemos un conductor de forma puntiaguda como el capirote de un nazareno, el campo en la punta será mucho mayor que en el resto del capirote. La razón es, cualitativamente, que las cargas tratan de extenderse hacia fuera de la superficie del conductor tanto como les es posible: la punta del capirote. La punta representa por tanto una densidad superficial de carga grande, lo que implica un campo intenso en esta región.

Una forma de ver que el campo es más intenso en aquellas regiones del conductor de menor radio de curvatura es la de considerar dos esferas, una grande y otra pequeña. Imaginemos ahora una esfera del tamaño de un balón de baloncesto y otra como una bola de golf, separadas unos 30 centímetros en el espacio y unidas por un delgado hilo de cobre. La función del hilo es la de mantener ambas esferas al mismo potencial. Se puede demostrar que los campos están aproximadamente en proporción inversa de los radios de las esferas, (despreciando los efectos que cada esfera origina en la distribución de carga de la otra). Por lo tanto el campo es mayor en la superficie de la esfera pequeña.

Este resultado es técnicamente muy importante, porque el aire se perforará si el campo eléctrico es muy intenso. Lo que ocurre es que alguna carga suelta (electrón o ión) en algún lugar del aire es acelerada por el campo, y si el campo es muy grande, la carga puede adquirir suficiente velocidad antes de impactar otro átomo. El resultado es que empiezan a producirse cada vez más iones cuyo movimiento constituye una descarga disruptiva o arco eléctrico. [Véase Video de un arco eléctrico en alta tensión (1,5 Mb)] Una superficie más redondeada evitaría la perforación.

La temperatura también es importante. El deterioro de los aislantes a temperaturas elevadas es gradual. Se manifiesta principalmente por resecarse o carbonizarse el material, lo que lo hace quebradizo, haciéndole perder resistencia mecánica más que rigidez dieléctrica. Tras una carbonización severa, la rigidez dieléctrica puede quedar muy perjudicada, pero el fallo se asocia más generalmente a defectos mecánicos del aislante originado por vibraciones o esfuerzos mecánicos en los cortocircuitos.

Conclusión

Con el tema anterior hemos puesto un ejemplo para ilustrar el "descenso" de un electricista hasta el nivel molecular, y la "ventana de observación" utilizada en este "descenso". La cuestión es ahora, en estos agitados tiempos que hoy atraviesa el sector eléctrico, si existe siempre el "fenestraje compatible" necesario en cada caso y para cada asunto que se trata. O dicho de otra manera, si las "ventanas de observación" de las partes interesadas, o stakeholders, convergen de tal manera que es posible obtener una imagen suficientemente nítida del asunto que se trate... Esto es importante porque en algunos casos una imagen distorsionada de la situación que se estudia puede conducir a tomas de decisión que con el tiempo resultan equivocadas. Las leyes físcas no cambian porque se sancione una ley. Las crisis del mercado de California y el Apagón del Noreste de los Estados Unidos así lo prueban. Un conocimiento limitado de los asuntos puede hacer pensar que una imagen focalizada a un nivel lo está a todos los demás, y sin embargo pudiera ser que estando focalizada a nivel político, económico, financiero, legal o regulatorio se encuentre distorsionada a nivel dieléctrico. En estos casos, no se debería olvidar la ingeniería, por molesta que pueda resultar a algunos.


PARA SABER MÁS

Campos Esrudio Dielectricos

Interrelaciones entre los diversos campos de estudio y aplicación de los dieléctricos


UNOS LINKS

DEFINICIONES: Wikipedia

Dielectric strength Rigidez Dieléctrica
Dielectric constant Constante Dieléctrica
Electrical breakdown Perforación Eléctrica
Breakdown voltage Tensión de Perforación

Terminología

FUNDAMENTOS

Video Online en inglés con una Dielectric Lesson del Monterey Institute for Technology and Education (nivel de High School)

NASA: A Lightning Primer

El campo electrostático y cuasielectrostático en medios materiales. Conducción Grupo Microondas. Universidad de Sevilla.

Campos Cuasi-Estáticos Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería - Universidad de Buenos Aires. (Argentina)

Ecuaciones Fundamentales de Campo Electromagnético. Capítulo IV de Principios de electrotecnia; tomo III: Teoría del campo electromagnético. A. V. Netushil - K. M. Polianov. Buenos Aires, AR, Grupo Editor de Buenos Aires, 1980. 385 p.

Propiedades Microscópicas de dieléctricos. Diego Boll. Univ. Nacional Rosario. Argentina. 2003.

Dielectrics CASE Western Reserve Univ.

High Voltage Engineering Washington State University. By Dr. Patrick D. Pedrow. (These notes were written Fall 1997.)

Corona Discharge (Efecto Corona)

Dielectrics – how they work and fail U. of Cambridge. UK.

Miscellaneous Dielectrics

Materiales eléctricos de alta tensión Electro Córdoba S.A. Argentina.


BIBLIOGRAFÍA

Google Books: Dielectrics

ALGUNOS CENTROS UNIVERSITARIOS Y DE INVESTIGACIÓN

DIAMAT (Grupo de Diagnóstico de Máquinas Eléctricas y Materiales Aislantes). Universidad Carlos III de Madrid.

Grupo de Investigación de Electrohidrodinámica de la Universidad de Sevilla

Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. Consejo Superior de Investigaciones Científicas.

ALGUNOS ARTICULOS

Artículo que presenta la tecnología de cable XLPE de ABB por Red Eléctrica de España en el soterramiento de la línea de 400 kV desde la Subestación de San Sebastian de los Reyes a las de Loeches y Mejorada (Madrid).

Finding the Root Cause of Power Cable Failures Vern Buchholz, P.Eng., Director of Electrical Technologies, Powertech Labs Inc

Condition Assesment Of 12 And 24 kV XLPE Cables Installed During The 80’s. Results From A Joint Norwegian /Swedish Research Project 2002-2004.

Cobertores para Trabajos en Tensión en Líneas de Media TensiónJonatan Reisin (U.N.S.J. – I.E.E.)

Electrical Insulation Magazine List of Articles since 1985

SOCIEDADES Y CONFERENCIAS

DEIS IEEE Dielectrics and Electrical Insulation Society

International Dielectric Society

Nordic Insulation Symposium (Nord-Is 2007)

9th IEEE International Conference on Solid Dielectrics 8th-13th July, 2007

2006 IEEE Conference On Electrical Insulation And Dielectric Phenomena Kansas City, Missouri USA October 15-18, 2006

ISEIM2005 International Symposium on Electrical Insulating Materials

ISEI 2004 2004 IEEE International Symposium on Electrical Insulation

APTADM 2004 International Conference on Advances in Processing, Testing and Application of Dielectric Materials. Wroclaw, Poland, 15.-17. September 2004

NORMAS, PRUEBAS, ENSAYOS, Etc.

Laboratorios del Instituto de Tecnología Eléctrica de Valencia.

Northern Technology and Testing: Dielectric Breakdown Voltage

US National Institute of Standards and Technology - Mathematical and Computational Science Division.

Dielectric Breackdown- Scientific Visualization
Dielectric Breackdown- Parallel Computing


On-line Condition Monitoring and Diagnosis for Power Transformers their Bushings, Tap Changer and Insulation System (pdf)

Criterios de Homogeneización en la Interpretación de Ensayos y Requisitos de Seguridad Ambiguos

The Latest On-Site Non Site Non-Destructive Technique for Insulation Analysis of Electrical Power Apparatus (ppt)

High Voltage Experimenter's Handbook Jim Lux's Web site.

APUNTE SOBRE EL DBM

El análisis de fotografías de relámpagos revela que estas maravillas de la Naturaleza tienen dimensión fractal. Estos fenómenos se pueden estudiar mediante el Modelo de Ruptura Dieléctrica o DBM, sus siglas en inglés. El DBM es un modelo matemático macroscópico desarrollado por Niemeyer, Pietronero, y Weismann en 1984. El modelo describe las pautas de ruptura dieléctrica de sólidos, líquidos e incluso gases, explicando la formación de ramificaciones de forma similar a las figuras de Lichtenberg.

La idea básica es que la dirección en la que se desplaza la descarga eléctrica es aleatoria, pero está influenciada por la intensidad del campo eléctrico en cada punto por el que pasa. Cuanto mayor sea la diferencia en los campos eléctricos entre dos puntos, mayor es la probabilidad de que la descarga se mueva en esa dirección. Este simple mecanismo permite reproducir estructuras fractales muy similares a las observadas en los sistemas reales. Estas estructuras son de hecho muy parecidas a las generadas por el mecanismo de Agregación Limitada por Difusión (DLA) explicado por Witten y Sander en 1981

L. Niemeyer, L. Pietronero, and H. J. Wiesmann, Fractal dimension of dielectric breakdown, Phys. Rev. Lett. 52, 1033 (1984).
T. A. Witten , L. M. Sander, Diffusion-Limited Aggregation, a Kinetic Critical Phenomenon, Phys. Rev. Lett. 47, 1400 (1981).


Difusion in disordered media Shlomo Havlin (Department of Physics, Bar-Ilan University, Ramat-Gan, Israel), and Daniel Ben-Avraham (Center for Polymer Studies, Boston University. USA). Advances in Physics, 2002, Vol. 51, No. 1, 187-292.

Modelling And Simulation Of Lightning Discharge Patterns Tesis de Jillian Cannons presentada en la Universidad de Manitoba, Canadá. Marzo de 2000.

Nuevo Modelo Integral del canal de la Descarga Eléctrica Atmosférica Y Su Enlace Con Estructuras En Tierra Tesis Doctoral de Fabio Mauricio Vargas Lezama, leída en la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá. 2006.

An Approach To Fractal Dimension of Lightning PatternD. P. Agoris, V. P. Charalambakos, A. L. Kupershtokh. 26th. ICPL 2002. Poland

An approach to the modelling of partial discharges in electrical trees J V Champion and S J Dodd. London Guildhall University, J. Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998) 2305–2314.

Electrical treeing in XLPE insulation in frequency range between 20 and 500 Hz G Chen (School of Electronics and Computer Science University of Southampton, UK) y C H Tham (SP Powergrid Ltd, Singapore)

Water Treeing in Chemically Crosslinked Polyethilene F. Ciuprina, G. Teissèdre, J. C. Filippini, P. V. Notingher, A. Campus, T. Zaharescu. Journal of Optoelectronics and Advanced Materials Vol. 6, No. 3, September 2004, p. 1077 - 1080

_________________
GoTo Comprehensive List of Posts in this Blog (Ir a Lista Completa de Todos los Comentarios del Blog)
GoTo Last Comment in Main Page (Ir al Último Comentario en la Página Principal del Blog)

0 Comments:

Post a Comment

<< Home