Descarga en gases
Dayán Quinteros, David Vallejo, Erick Tipanguano, Pablo Calderón Laboratorio de Máquinas Eléctricas, Departamento de Energía Eléctrica, Escuela Politécnica Nacional Quito, Ecuador
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Resumen-. Es documento denota el análisis de las descargas eléctricas en los gases. Esto se realiza a través de los datos obtenidos en la práctica realizada con el aire seco y el Nitrógeno. Dicho análisis se basa en el fundamento teórico de las descargas en gases y en las diferentes gráficas que describen estas teorías, especialmente en la ley de Paschen. Además este documento contiene las aplicaciones que los gases pueden ofrecer, principalmente en los sistemas eléctricos de potencia. I. INFORME 1.- Con los datos obtenidos, graficar: Voltaje pico de descarga, función del producto, presión absoluta por distancia de separación; incluir en un mismo gráfico los valores obtenidos en cada uno de los experimentos y comentarlos. TABLA I: DATOS PRÁCTICOS Aire Nitrógeno d=1cm seco Presión Voltaje Voltaje P.d (Kg/cm2) (Kv) (Kv) 4.5 84.6 84.6 0.045 4 78.7 78.9 0.04 3.5 73.4 73.1 0.035 3 65.9 66.8 0.03 2.5 59.6 59.4 0.025 2 52.6 51.8 0.02 1.5 44.6 44.5 0.015 1 35.2 38.5 0.01 0.5 29.4 30.5 0.005 0 21.4 22.7 0 Considerando la tabla 1 se obtiene la siguiente gráfica:
Figura 1 : Vdescarga vs f(P.d) en Aire seco y Nitrógeno
Comentario: Se observa que no existe una diferencia significativa en la respuesta de voltaje de disrupción, entre el del aire seco y el del nitrógeno, en función del producto de la presión y la distancia de separación de los electrodos. Esto se debe a que el aire está compuesto en su mayoría (78 %) del gas Nitrógeno. La Fig.1 denota que a medida que disminuye el producto de la presión por la separación entre esferas el voltaje de descarga también lo hace. 2.- Aplicando el método de Schwaiger calcular los voltajes de descarga para aire seco, a las presiones utilizadas en la práctica. Considerar que la rigidez dieléctrica varía con la densidad relativa del aire. Graficar y comparar con los datos experimentales. Dar un criterio sobre la validez del método. La ecuación de Schwaiger es: Vp=Ep*a*n. n: Coeficiente de utilización.
Ep: rigidez dieléctrica del gas entre las esferas. Vp: Voltaje de descarga Mientras mayor sea el coeficiente de utilización, mejor será el aislante. Este coeficiente depende de la disposición de las esferas y se calcula mediante p. 𝑝=
𝑎+𝑟 𝑟
a, es la separación de las esferas y r es el radio de las esferas. De donde: 𝑝=
1+1 =2 1
Figura 2: Voltaje de descarga según Schwaiger
Uno de los electrodos (esferas) está puesto a tierra. 𝑛 = 66% Valor que se obtiene mediante tablas. El criterio de Schwaiger también incluye el efecto de la temperatura, relacionado con la densidad del gas. δ = 0,386 ∗
𝑃 273 + 𝑡
La temperatura en el laboratorio fue de 21 ºC, mientras que la presión es de 540 mmHg. El factor delta es: δ = 0,386 ∗
540 = 0,709 273 + 21
Sin embargo, los efectos de la sobrepresión también deben de ser tomados en cuenta. Cuando la sobrepresión es de 5 atmosferas se tiene 3800 mmHg, más la presión barométrica da un total de 4340 mmHg, de donde el delta resultante es: δ = 0,386 ∗
540 + 3800 = 5,7 273 + 21
𝐸𝑝 = 30𝐾𝑉 ∗ 5,7 = 171 𝑘𝑉;
El método de Schwaiger consiste en sistemas de electrodos de carácter no homogéneo por el voltaje no es necesariamente aquel que produce la descarga global, sino el de iniciación de descargas parciales, pues en campos fuertemente no homogéneos se observa este fenómeno denominado ‘corona’. El método es válido si se desea conseguir la curva de voltaje de disrupción vs presión*distancia. Pero varía un poco de los resultados experimentales.
3.- Si se utilizan dos esferas separadas, como electrodos, determinar la distancia de separación, función del diámetro, para que cumpla con la Ley de Pashen en campo homogéneo. El orden de presión es de ±3% cuando la distancia S es menor o igual que el 50% del diámetro de las esferas, caso contrario la influencia de las condiciones atmosféricas y los objetos que rodean a las esferas introducen errores mayores. El voltaje de descarga es una función de la separación de las esferas y la presión del medio
Y el voltaje de descarga es:
𝑉𝑑 = 𝑓(𝑆, 𝑃)
𝑉𝑝 = 171 𝑘𝑉 ∗ 1 ∗ 0,66 = 112,86 𝑘𝑉 Sobre presión 3800 3420 3040 2660 2280 1900 1520 1140 760 380 0
Presión mmHg 4340 3960 3580 3200 2820 2440 2060 1680 1300 920 540
Densidad δ 5,698 5,199 4,7 4,201 3,702 3,204 2,705 2,206 1,707 1,208 0,709
Voltaje de Descarga 112,8204 102,9402 93,06 83,1798 73,2996 63,4392 53,559 43,6788 33,7986 23,9184 14,0382
𝑉𝑑 = 2.44 ∙ 𝛿 ∙ 𝑆 + 7.5√𝛿 ∙ 𝑆 𝛿 = 0.386
𝑃 = 1.31 ∙ 10−3 ∙ 𝑃 𝑇
𝑉𝑑 → 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑆 → 𝑆𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑇 → 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 293𝐾 𝑃 → 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 Cuando: 𝑆 = 0.5𝐷
𝑉𝑑 = 0.003 ∙ 𝑆 ∙ 𝑃 + 0.27√𝑆 ∙ 𝑃 𝑉𝑑 = 0.0015 ∙ 𝐷 ∙ 𝑃 + 0.2√𝐷 ∙ 𝑃 𝑉𝑑 = 0.003(0.5𝐷)𝑃 + 0.27√𝑃(0.5𝐷)𝑆 𝐷 =2∙𝑆
La distancia de separación entre las esferas debe ser la mitad del diámetro.
4.- Introducir la presión en la teoría del mecanismo de canal, que explica el proceso de descarga en gases y establecer la relación con el voltaje de descarga. Según Towsend la corriente se incrementa solo debido a procesos de ionización, pero prácticamente se halló que el voltaje de descarga depende directamente de la presión del gas y de la geometría de los electrodos. Inicialmente e1 electrón viaja del cátodo al ánodo, causando ionización por choque. Luego la avalancha de electrones llega al ánodo. Los electrones llegan al ánodo mucho más rápido que los iones (+) al cátodo. En el ánodo existe una distribución de carga (+) debido a los iones (+). Este proceso es muy rápido, en el que la carga (+) se extiende al cátodo muy rápido formando un “streamer”. A medida de que la punta del “streamer” se acerca al cátodo, de este una ráfaga de electrones sale disparada hacia la carga (+), el resultado es una chispa, lo que produce la descarga.
como resultado de experimentos se puede comprobar que gas es mejor aislante que otro, o si una mezcla entre gases mejora la característica aislante o por el contrario, la perjudica. Directamente de los datos obtenidos se ha podido comprobar la ley de Paschen. Si la distancia se mantiene constante, y la presión disminuye, el voltaje de descarga también disminuye. Esto resulta útil para reducir por ejemplo el tamaño de los aislantes en las subestaciones, al aumentar la presión ejercida sobre el gas. A demás se puede verificar cómo influye la humedad con respecto a la calidad del aislamiento. Si es que se midiera también el tiempo para que ocurra la descarga se podría conocer la característica de choque del gas aislante para coordinar el aislamiento eléctrico. Las descargas eléctricas también crean y mantienen plasmas. En muchos casos, se ha aprendido a aprovechar las características y propiedades únicas de estos plasmas, aunque también junto a éstos, se producen fenómenos no deseados. La industria de las fuentes de iluminación (fluorescentes, neones, etc), la biomedicina, la fabricación de chips o la navegación espacial. Aunque todas estas actividades, tienen que enfrentarse con los efectos negativos asociados a las descargas, su minimización es crucial en sectores como: Sector Eléctrico, Sector Petroquímico y sectores donde se forman o almacenan atmósferas explosivas 6.- Explique los gases SF6; y ozono. SF6
∝ 𝑒 ∝𝑥 𝑣 𝐸𝑟 = 5.27 ∗ 10 [ ] 𝑐𝑚 𝑥 √ ( 𝑝 ) 7
𝐸𝑟 → 𝐶𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑁𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑟 𝑢𝑛𝑎 𝑎𝑣𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐ℎ𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑒𝑟 𝑃: 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑋 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑢𝑛 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑒𝑟 𝑠𝑒 ℎ𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑔𝑎𝑑𝑜 Donde se obtiene un mínimo voltaje de descarga cuando:
𝐸𝑟 = 𝐸 𝑦 𝑥 = 𝑑 ∝ 𝐸 1 𝑑 ∝ 𝑑 + ln ( ) = 14.5 + ln + ln 𝑃 𝑃 2 𝑃 5.- Analice y explique las aplicaciones prácticas que pueden derivarse de estas experimentaciones. Comprender como se produce una descarga es algo esencial al momento de proteger equipos. Esto ya que
En tanto, el Hexafluoruro de Azufre (SF6) es un gas inerte artificial que tiene excelentes propiedades de aislamiento, así como una estabilidad térmica y química excepcionalmente alta. Estas características le han conferido un amplio uso como medio aislante tanto en Alta como en Media Tensión, mostrando en ambos casos un rendimiento y una fiabilidad muy elevada. Hoy en día las grandes ciudades tienen requerimientos eléctricos superiores y el espacio juega un papel importante, por lo que las subestaciones encapsuladas en gas SF6 se convierten en la mejor solución por sus características de área, volumen y funcionalidad. Una subestación encapsulada en SF6 (GIS, Gas Insulated Switchgear) es el conjunto de dispositivos y aparatos eléctricos inmersos en el gas dieléctrico Hexafluoruro de Azufre (SF6), blindados en envolventes de aleación de aluminio. En su interior, los compartimientos se unen y colindan por medio de dispositivos barrera. La principal función de una GIS es conmutar, separar, transformar, medir, repartir y distribuir la energía eléctrica en los sistemas de potencia.
Nitrógeno y el aire. A pesar de que se sometió la misma presión, el voltaje de descarga varió en cada gas estudiado. 3.- Se observó que luego de una descarga en un gas, dicho gas poco a poco se des-ioniza y así vuelve a su estado normal. Es por eso que toca esperar 30 segundos antes de comenzar a subir el voltaje para realizar otra descarga, pues así se asegura que el gas vuelva al estado en el que éste no tenga partículas ionizadas.
Figura 3: SF6 encapsulado en una subestación
OZONO O3 El ozono puede producirse por diferentes maneras, sin embargo el método de descarga por corona es el más utilizado en la industria. La reacción es endodérmica y requiere la aplicación de una gran cantidad de energía. En este método el ozono es producido por medio de una descarga eléctrica aplicada a aire seco u oxígeno. Se aplica un voltaje alto (6.000-20.000 V) a dos electrodos y este voltaje produce un arco eléctrico. En el arco, parte del O2 se transforma en O3. El ozono es muy inestable y vuelve a convertirse en O2 en pocos minutos. Por ello, el ozono debe generarse in situ.
4.- Se aprendió que la rigidez dieléctrica de un gas depende de la separación entre las esferas, del tipo de gas, y de la presión tanto del gas como de la presión atmosférica. 5.- Se vio que el aislamiento que ofrecen algunos gases es alto, es por eso que este tipo de sustancias son utilizadas en las subestaciones para aislarlas, como por ejemplo el SF6. David Vallejo 1.- Como se ha visto, aunque las descargas eléctricas en gases, se manifiesten y se denominen de muchas formas (corona, arco eléctrico, etc...), son fenómenos que tienen su base común, en la ionización de dicho gas. En un medio gaseoso, como el aire, la característica de la columna de plasma que se forma durante la descarga, está gobernada por fenómenos y partículas físicas fundamentales. 2.- Rigidez dieléctrica es el máximo campo eléctrico que puede soportar un dieléctrico sin perder sus propiedades aislantes.La rigidez dieléctrica del aire seco es 30 kV/cm. y cuando se lo sobrepasa este valor se produce arco eléctrico. 3.-Despues de producirse una descarga en el gas, este se encuentra ionizado, motivo por el cual hay que esperar un tiempo prodencial en nuestro caso fue de 30 segundos hasta que el gas se haya desionizado y podamos volver a aumentar el voltaje hasta producir una nueva descarga Erick Tipanguano
II. CONCLUSIONES Dayán Quinteros
1.- En la práctica se concluye que según la ley de Paschen mientras que la presión de un gas aumente, el voltaje de descarga va a ser más grande, donde esta situación es ventajosa para fines útiles como el aislar subestaciones de transmisión con gas a presión.
1.- Se comprobó la ley de Paschen, pues se notó que mientras más presión hay sobre el gas, las moléculas persistirán más juntas. Esto implica que se necesitará más energía para provocar una descarga se necesita que exista al menos un electrón libre para que provoque el efecto Townsend y posteriormente el rayo eléctrico.
2.- También se puede concluir que observado el comportamiento de la curva de paschen en el punto de inflexión que se encuentra a presión atmosférica normal, al recorrer la presión hasta la condición de vacío, también constituyen un excelente aislante y mayor voltaje de descarga.
2.- Se observó y comprobó que cada gas necesita un voltaje específico para provocar la descarga ya que la electronegatividad es diferente para cada uno de estos. Esto se vio a través de las curvas Vd vs Pd para el gas
3.- se observó que las condiciones de un mayor voltaje de descarga se da en el vacío, pero en la práctica no va a existir el vacío ideal por diferente motivos como pueden ser que debe de existir al menos un electrón en condiciones de campo eléctrico muy alto que pueda acelerar al electrón o el choque de la partícula evapora parte del metal y así
Figura 4: Producción de ozono a través de una descarga.
creando una nube de vapor el cual puede conducirse a los procesos de ionización y ocurrir una descarga.
Pablo Calderón 1.-La variación de presión dentro de una capsula puede variar el voltaje de descarga obteniendo así experimentalmente la curva de la ley de Paschen, manteniendo constante la separación de las esferas por las cuales se produce la descarga. 2.- Los voltajes de descarga también pueden depender del tipo de gases que se usen en los equipos, siendo estos beneficiosos o no dependiendo del gas usado como el SF6 que es un buen gas aislante o el N2 que no es muy bueno. 3.- El nitrógeno presenta características semejantes de aislamiento que las del aire por lo que los dos pueden ser considerados como buenos aislantes para ciertas condiciones de trabajo.
REFERENCIAS
Apuntes de clase de Alto Voltaje con el Ing. Juan Ramírez. http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc? xid=2174 http://www.aquara.com.pe/productos/generadore s-de-ozono http://www.feragus.cl/index.php?option=com_co ntent&view=article&id=103&Itemid=60
