Sexta 27q42

ALTA TENSION

CONDUCCION ELECTRICA

3.1. Conducción eléctrica en el vacío y en los gases

Para la circulación de corriente eléctrica en cualquier medio, es necesario que existan portadores de electricidad.



En los metales conductores. Los portadores de electricidad son los electrones de conducción, en los líquidos los portadores son los iones que aparecen en el líquido por ionización o disociación.



En el vacío se carece de portadores de electricidad, y sólo existe circulación de corrientes, si por medios externos se proporcionan los portadores de electricidad.



Es decir es esencial una acción externa y entonces se dice que la descarga es una corriente eléctrica dependiente.



En los gases existen eventuales electrones, que se ven sometidos a fuerzas cuando están a un campo eléctrico, estás fuerzas son: F=q.E -------------------------3.1.



Como la carga de un electrón es e



En términos generales se puede considerar el vacío técnico (10-9 atmósferas) como un gas conductor. Si consideramos que a un condensador de placas paralelas con un gas conductor entre placas, se le aplica una diferencia de potencial como se indica.



De hecho inicialmente el gas no está ionizado, aunque se puede hablar de una ionización preliminar debido a radiaciones cósmicas, de rayos, etc. Conocida también como fotoionización.



La fotoionización da lugar a partículas ionizadas (electrones) con movimientos libres, que chocan con los átomos neutros del gas, estos choques producen energías y en éstas condiciones se forman nuevas partículas, este fenómeno se conoce como ionización por impacto.



La curva característica de conducción en los gases se puede trazar de acuerdo con las consideraciones anteriores como una curva de tensión contra corriente.



De la siguiente curva se puede apreciar lo siguiente: Del origen al punto a la corriente varia en forma proporcional a la tensión, hay una dependencia lineal, es decir que se cumple la Ley de Ohm, después viene una zona en que ya no se producen más electrones, es decir la línea característica tiende a la horizontal, esta zona se conoce como zona de saturación.



Si la tensión se sigue aumentando, la corriente aumenta a partir del punto b alcanzando valores relativamente elevados a esta zona hasta el punto c se conoce como zonas de descarga dependiente (a parir hasta C) en ésta zona la corriente se produce sin efectos luminosos por lo que también se conoce como descarga obscura.



Las corrientes altas se producen en esta zona se deben a que con la elevación de tensión, la velocidad de los electrones aumenta considerablemente, alcanzando un valor que les permite ionizar la trayectoria de descarga, y los electrones chocan con las moléculas o átomos de gas, quitándoles electrones con formación simultánea de iones. (ionización por impacto), y estas partículas así formadas son capaces de ionizar a su vez, iniciándose una avalancha de portadores es decir una avalancha electrónica.



Esta avalancha no precisa de agentes externos ionizantes para la descarga, y entonces a partir de punto c se presenta la descarga independiente.



Si la tensión aumenta hasta el punto c este punto se conoce como tensión de encendido o “tensión crítica”.



De c a d la zona de descarga se conoce como descarga luminiscente, en esta zona aparece un leve efecto luminoso.



Después del punto d la curva se conoce como descarga por arco, ya que se presenta un arco realmente.



El punto c es el límite entre las dos descargas dependientes o independientes



Entre c y d existen otras descargas intermedias que son: Efecto

corona.

Descarga

de efluvios.

Descarga

de chispas.

El efecto corona y la descarga de efluvios se presenta antes de la formación del arco eléctrico.



La descarga por chispas, son chispas que brincan del conductor. Los factores que influyen en las descargas son: 

Tipo de gas.



Tipo de Tensión.



Forma y material de los electrones.



Presión.



Parámetros atmosféricos.

3.2. CONDUCCIÓN ELECTRICA EN EL VACIO 

En el vacío no existen portadores de cargas, en estas condiciones es necesario proporcionar estos portadores, una de las formas de proporcionar los portadores es por medio de la emisión termoiónica.



La emisión termoiónica se lleva a cabo por medio de un proceso de calentamiento del cátodo hasta que los electrones adquieren una energía grande y se desprenden dirigiéndose hacia el ánodo.



Si no existe un medio que acelere o en el que se aceleran los electrones, estos se acumulan formando una nube en el cátodo.



Consideremos una carga negativa –e y su imagen +e, con una distancia x de la carga –e a un plano.

3.3 Descarga de pendiente en los gases 

Al aplicar un campo eléctrico a un gas, el movimiento de los portadores de electricidad, se describe mediante la movilidad (u) de la partícula que se define por la ecuación.



v la velocidad media de la partícula en la dirección del campo eléctrico.



La movilidad depende de la sección eficaz de choque de las partículas cargadas con los átomos de gas y de las masas y cargas de partículas y átomos.



La movilidad puede expresarse a partir de la velocidad media de los electrones en un gas, en forma semejante al caso de electrones en un metal.

3.4 Descarga Independiente en los gases 

Cuando la tensión aplicada entre dos placas paralelas, situadas en el gas, como se estudió en la curva de descarga en gases, se hace aumentar más allá del punto c de la curva, aumenta bruscamente la intensidad del campo en forma de una chispa, éste aumento rápido de ionización indica que empieza a tener lugar la ionización por choque.



La tensión a que esto ocurre depende fundamentalmente de: 

Forma de electrodos.



Separación entre electrodos.



Tipo de gas.



Presión del gas.



Las condiciones para que tenga lugar el proceso de ionización por impacto se alcanza cuando el valor de E/P, siendo E el valor de campo eléctrico y P la presión de gas llega a un valor crítico que depende de tipo de gas.



Para valores grandes de E/P, se presentan otros dos procesos, el primero es la liberación de foto electrones en el cátodo (electrones negativo), estos a su vez son capaces de ionizar átomos por choque, comunicándoles energía en exceso de los electrones se manifiesta en forma de energía electromagnética, se ésta energía incide sobre el cátodo, puede arrancar un electrón, que puede a su vez formar una avalancha de electrones a medida que viaja a través del gas.



El segundo proceso es una consecuencia del choque de iones positivos con el cátodo. Parte de la energía cinética del ion positivo puede transmitirse a un electrón de superficie metálica, permitiendo que escape hacia el gas en algunos casos, este electrón puede originar en el primer piso proceso una avalancha.



Sea n° el número de electrones que salen del cátodo por una fuente externa de ionización, n° el número de electrones por segundo que llegan al ánodo, la probabilidad de que se libere un electrón secundario en el cátodo por un proceso secundario desencadenado por os efectos de emisión secundaria.



La expresión anterior da el criterio que determina la posibilidad de una descarga autosostenida en el gas, a medida que el denominador disminuye y se aproxima cero, la corriente 2º aumenta hasta llegar a la corriente de encendido que daña la tensión de encendido a ruptura.



En este caso se presenta ya la descarga independiente y como la presencia de la descarga independiente depende de la magnitud de las trayectorias libres, y como éstas a igualdad de temperatura sin inversamente proporcionales a las presiones es función del producto de la presión por la distancia entre los electrodos.



La separación de las moléculas de gas dependen de la tensión, de la intensidad del campo y de la presión. Por ejemplo, para tensiones relativamente bajas, las moléculas están tan separadas entre sí, que se requiere una intensidad de campo grande para que se obtenga el número de choques necesarios para el encendido.



Para aplicar las descargas luminiscentes y por arco, que se pueden considerar como descargas especiales se puede auxiliar de la teoría de descarga de Rogowski que es más general que la teoría de Townsend y que se explica en forma siguiente:



Del cátodo hay una primera emisión de electrones, que baja atrás una nube de iones positivos que avanza hacia el cátodo entonces sale de este una nueva emisión de electrones repitiéndose este proceso.



Después de la repetición de este proceso ionizante la carga positiva se acerca al cátodo de manera que refuerza su campo, aumentando la ionización, de esta manera se llega a una concentración del campo frente al cátodo hasta llegar a establecer la descarga luminiscente.

3.5. Efecto Corona



En las líneas de transmisión, la distancia entre conductores es mayor que su radio, al, existir una diferencia de potencial entere conductores se tiene una intensidad de campo eléctrico E.



Cuando la intensidad del campo eléctrico excede la rigidez dieléctrica del aire, en la superficie de los conductores aparece el efecto corona. Este efecto depende de varios factores, entre los más importantes se pueden considerar el tipo de tensión, temperatura, densidad relativa del aire, presencia de vapor de agua, etc.



El efecto corona tiene las siguientes consecuencias en una línea de transmisión:



Pérdidas que se manifiesta en forma de calor.



Oscilaciones electromágneticas de alta frecuencia que se trasmiten en toda la línea y provocan perturbaciones de radio y televisión en sus inmediaciones (radio interferencia)



Este fenómeno se puede explicar en forma semejante la descarga en gases, ya que debido a la incidencia de radiaciones y otras causas, existen moléculas ionizadas en el aire, estas moléculas han perdido uno o más de los electrones positivas. Debido a la diferencia de potencial entre las líneas el campo electrostático choques con otras partículas (ionización por impacto).



En la aparición del efecto depende de la presión atmosférica y de la temperatura absoluta a) b)

c)

d)

Descarga trichel, de poca importancia práctica. Descarga de puntas, aparece al aumentar el gradiente superficial; se puede medir una pequeña pérdida de energía. Descarga o corona de transición aparece una luminosidad tenue en las parte rugosas del conductor, además un ruido siseante. Corona luminiscente, aparece un halo luminoso alrededor de todo el conductor y se percibe el metal y el método empírico.







La curva de Peek se puede determinar experimentalmente, aplicando tensión y tomando lecturas de pérdidas para cada tensión. La tensión se aplica lentamente hasta llegar a un determinado valor de pérdidas. Después se reduce la Tensión lentamente, y se observa que no se regresa por el mismo camino, el punto donde la curva corta al eje tensiones determina al valor de la tensión crítica de corona.

Conductores con dispositivos asimétricos 



Si los conductores no se encuentran dispuestos simétricamente, las pérdidas por defecto corona varían ente conductores, no importa que las tensiones entre fase estén balanceadas. Debido a que las pérdidas por corona dependen del gradiente de potencial y no de la tensión de operación de la línea, es conveniente expresar 3.21 en función de los gradientes de potencial.

Radio interferencia





Como se ha mencionado anteriormente, el efecto corona en las líneas de transmisión causa radio interferencia y perturbaciones en televisión. Las ondas electromagnéticas se propagan a los largo de: los conductores en forma de ondas errantes, otras se propagan hacia el espacio, pero son fuertemente amortiguadas y su valor resulta de poca importancia en comparación con las que se propagan a lo largo de los conductores.

3.6 Campos no homogeneos



La teoría de Towsend que se estudió anteriormente para descargas en gases, solo es aplicable a campos homogéneos.



Como es el caso del campo entre dos placas. No obstante establece las bases para el estudio de campos no homogéneos que se presentan con más frecuencia en la práctica, como es el caso de dos electrodos punta – placa.



Las descargas en gases en campos no homogéneos dependen de factores como: a.

Polaridad de los electrodos.

b.

Tipo de tensión aplicada.

c.

Forma de los electrodos.

d.

Tipo de gas.

e.

Condiciones atmosféricas.

a. Polaridad de los electrodos



Si consideramos un campo no homogéneo por ejemplo entre punta y placa, la descarga se establece en forma diferente si parte del cátodo o del ánodo. La mayor intensidad de campo aparece en la punta, y aquí se sobrepasa primero el gradiente de potencial del gas.



La representación de campos no homogéneos se hace por medio de una representación punta-placa.



Si la punta es negativa, al aumentar la tensión entre electrodos, se forma una nube de cargas positivas alrededor de la punta formando un ánodo artificial alrededor del cátodo, las cargas incrementan la intensidad de campo y la caída de tensión alrededor de la punta.



En siguiente figura se muestran las relaciones entre las tensiones de aparición de efluvios (chispas) y de descarga para un arreglo punta placa y distintas polaridades.



La tensión de chispa es mayor en caso de punta positiva que en el caso de una punta negativa, pero con la tensión de descarga ocurre lo contrario es decir la tensión de descarga es mayor en el caso de punta negativa, lo que significa que es necesario aplicar más tensión para producir la descarga que en el caso de punta positiva.

b. Tipo de tensión aplicada



El tipo de tensión aplicada a los electrones tiene una influencia directa en el estudio de campos no homogéneos y se pueden considerar básicamente tres tipos que son los siguientes.

1. En el caso de corriente directa el desarrollo de las descargas de la polaridad de loes electrodos y es el caso típico de la descarga punta placa. 2. En corriente alterna se produce el mismo fenómeno que para la corriente directa, solo que en cada semi período.

3. Las descargas `por tensiones de impulso también conocida como descargas de choque tienen un comportamiento diferente a las anteriores, este tipo de descargas resulta de aplicar un impulso de tensión bruscamente ascendente y de rápida extensión posterior cuya duración es del mismo orden que el tiempo necesario para la descarga.



Se denomina retraso de descarga al tiempo necesario para que la descarga se lleve a cabo y consta de dos partes 1. Tiempo de dispersión es el tiempo que transcurre desde que se empieza a producir la ionización en el gas hasta el momento de la descarga es el orden de 10-8 seg.

2. Tiempo de formación es el tiempo real de formación de la descarga, desde el momento en que aparecen los portadores hasta la descarga misma. Un caso práctico de estos conceptos se presentan en los apartarrayos, donde el retraso de descarga debe ser suficientemente pequeño, para que su operación sea eficiente.

d. Tipo gas



En la técnica de alta tensión el gas más empleado es el aire, no obstante existen otros gases que tienen rigidez dieléctrica superior al aire, pero que deben satisfacer otros requisitos tales como punto de condensación, ausencia de elementos corrosivos, incombustibilidad, buena conductividad térmica, etc, algunos de los gases empleados con el tetra-cloruro de carbono (CCl4) y el Hexaflaruro de azufre (SF6)

e. Condiciones atmosféricas



La influencia de las condiciones atmosféricas sobre la descarga es determinante, tales condiciones son: lluvia presión, temperatura y humedad. 

Lluvia.- Las gotas de lluvia en la superficie de los electrodos origina efluvios y alternan las condiciones de la descarga.



Presión.- Para los campos homogéneos y pequeñas separaciones, la tensión estática de descarga sigue la Ley de Pashen. V = f(p.d) Para valores de p.d muy grandes, la tensión crece casi proporcionalmente a la distancia, las tensiones continuas, alternas y de impulso son casi proporcionales a la densidad del aire y por tanto a la presión.



Temperatura.- La tensión es proporcional a la densidad del aire y es inversamente proporcional a la temperatura absoluta (273 + tºc), ya que tomando como referencia la densidad del aire a 20ºC y 760 mm de mercurio, la densidad a la cualquier otra presión (b en cm. De mercurio) y temperatura t en ºC está dada por:



Humedad.- la humedad relativa no influye, pero la humedad absoluta que es directamente proporcional a la tensión de descarga.

Para los distintos tipos de electrodos se pueden hacer curvas en las que se da la tensión disrrupta contra la separación entre electrodos, estas curvas tienen la forma siguiente: