Materiales aislantes solidos

Algunas caracteristicas de los aislantes electricos solidos como la ceramica, el vidrio, los paeles, resina epoxi, madera y el PVC

1. 1-1-2017


Materiales Aislantes
Eléctricos
(Solidos)
Felipe Ignacio Guarnizo Vargas
ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA

2. Materiales Aislantes Solidos:
1 CERÁMICA (PORCELANA)
La cerámica también llamada porcelana dada su composición se clasifica como un material
inorgánico lo cual lo hace un material que soporta altas temperaturas y es químicamente resistente.
La porcelana es empleada en la fabricación de aisladores y Bushings (pasatapas) debido a su
capacidad de resistir grandes esfuerzos mecánicos.
Las cerámicas se constituyen por un 40 a 50% de arcilla, de 30 a 20% de óxido de aluminio y 30%
de feldespato (mineral del tipo aluminosilicatos, presente en el 60% de la corteza terrestre). Las
cerámicas con mayor resistencia mecánica y menor cantidad de pérdidas dieléctricas también
contienen esteatitas y talco. Las porcelanas apropiadas para aplicaciones de alta frecuencia también
tienen compuestos de bario (BaOAl 2 O 3 .2SiO 2 ).
Comparativamente con otros solidos las porcelanas poseen una resistencia de aislamiento
específica baja.

Ilustración 1. Resistencia especifica del aislamiento de algunos materiales sólidos.

La tangente de pérdidas es alta y varía considerablemente con la temperatura incrementando de
este modo las pérdidas dieléctricas.

3. Ilustración 2 Variación de la tangente de pérdidas con respecto a la temperatura a 50 Hz.

Ilustración 3 Variación de la rigidez dieléctrica respecto a la temperatura.
Ventajas:
 La resistencia a la rotura de la porcelana en comparación con otros materiales aislantes
sólidos es baja, pero no es afectada por la temperatura para un amplio rango.
Desventajas:
 Debido a la alta densidad de la composición de la porcelana hace las piezas pesadas, lo que
las hace difíciles de manejar, a menudo se requieren grúas para su instalación y puede
requerir de grandes soportes estructurales.
 Debido a la naturaleza quebradiza de las porcelanas, la manipulación es complicada durante
el transporte y la construcción.
 Bajo condiciones de contaminación no se desempeña bien, el agua disuelve la polución
reduciendo la resistencia superficial causando tracking y descargas superficiales o hasta
producir flameo.

4. 2 VIDRIO
El vidrio se considera un material inorgánico, debido a esto es un material que soporta el deterioro
químico y no sufre deformación ante las temperaturas de operación de los sistemas de potencia.
El mayor constituyente del vidrio es el dióxido de silicio (SiO2), presente en la naturaleza en forma
de cuarzo, un cierto número de óxidos metálicos se puede emplear para crear unos 500 tipos de
vidrio, sin embargo para el uso como aislantes se requieren “vidrios no alcalinos” o con un
porcentaje de alcalinidad menor al 0.8%.
El vidrio eléctrico tiene un bajo coeficiente de pérdidas dieléctricas.

Ilustración 4 Propiedades Eléctricas de algunos materiales sólidos
Ventajas:
 Mayor rigidez dieléctrica que la porcelana.
 Muy alta resistividad.
 Bajo coeficiente de expansión térmica.
 Debido a su transparencia no sufre calentamiento por la radiación solar.
 Posee una larga vida de servicio.

Desventajas:

5.  La humedad se puede condensar fácilmente sobre la superficie del vidrio y, por lo tanto, el
polvo de aire se depositará sobre la superficie del cristal de vidrio que proporcionará el
camino a la corriente de fuga del sistema.
 Es frágil y requiere cuidado en su manipulación durante el transporte y construcción.
 En su fabricación no se pueden emplear ciertas formas.
3 CELULOSA (PAPELES)
Como tal el papel posee propiedades dieléctricas pobres, pero cuando se le impregna aceite u otros
compuestos las propiedades dieléctricas mejoran considerablemente.
El papel usado en aplicaciones de ingeniería eléctrica proviene de la celulosa que se obtiene
principalmente de la pulpa del pino o de la madera de abeto. La celulosa es un carbohidrato
complejo, que conforma el principal constituyente de las paredes celulares de las plantas. El tejido
celular que compone al papel consiste de células microcristalinas en medio de capas de moléculas
individuales de celulosa. Debido a lo anterior el papel tiene un vacío en su estructura dándole una
propiedad de capilaridad, de esta forma la estructura interna del papel es higroscópica.
Para los condensadores se emplea papel muy delgado con espesores de 10 a 30 µm. Para los
transformadores y cables este espesor se encuentra entre 80 y 130 µm. una capa de papel más
delgada posee una mayor resistencia dieléctrica.
En cuanto al aislamiento el papel se consolida como capacitores con aire y dieléctrico de celulosa.
Debido a esto la permeabilidad relativa y la tangente de pérdidas es mucho más pequeña que la de
la celulosa pura.

Ilustración 5 Variación de la tangente de pérdidas y la permeabilidad relativa del papel sin impregnar

6. La anterior grafica muestra la variación de la permeabilidad relativa y la tangente de pérdidas para
el papel impregnado, la fuerte variación de la tangente de pérdidas corresponde a: En las regiones
de -270 °C y por encima de los +100 °C las pérdidas por polarización son las que predominan, además
la corriente de conducción iónica incrementa la tangente de pérdidas dieléctricas por encima de los
+50 °C. Se observa que para temperaturas operativas entre -20 °C y a 100 °C los valores de la
tangente de pérdidas dieléctricas son relativamente bajos, esto se debe que para la frecuencia de
medición (50Hz) las pérdidas por polarización y corrientes iónicas son bajas en este rango de
temperaturas.
Para realizar el aislamiento es necesario envolver tiras de papel en el conductor hasta lograr el
espesor requerido, este proceso es preferible realizarlo en atmosferas húmedas, sin embargo es
necesario retirar la humedad del papel al momento de impregnarlo con aceite.
En los papeles impregnados cambia el comportamiento de la tangente de pérdidas como se muestra
en la siguiente gráfica.

Ilustración 6 variación de la tangente de pérdidas con la variación de la tensión para un cable a la misma temperatura
El estrés máximo de servicio para conductores de hasta 33 kV impregnados en compuestos como la
cera debe mantenerse entre valores de 3 y 4 kV/mm. En cables impregnados con aceite a baja
presión de hasta 110 kV de tensión nominal, el máximo estrés electico debe mantenerse ente 10 a
16 kV / mm, además estos cables deben contar con una cubierta de aluminio para evitar la entada
de humedad. En equipos que no estén aislados de la atmosfera como transformadores el estrés
eléctrico debe mantenerse por debajo de los 2 kV /mm.

7. 4 RESINA EPOXI (EP-RESINS)

Las resinas son una de las clases de sustancias semisólidas obtenidas de la exudación de algunas
plantas o por el procesamiento químico de materiales inorgánicos. La resina epoxi es una clase de
resina que contiene al menos un compuesto de epóxido (la molécula de epóxido está compuesta
por un átomo de oxigeno unido a dos átomos de carbón).
El ttipo de resina epoxica mas importante en cuanto a aislantes electricos corresponde a la “resina
epoxi Bisphenol-A”, que se obtiene por una reaccion entre la acetona y el fenol.


Ilustración 7 Estructura química de la resina epoxi "Bisphenol-A"


La mayoría de resinas epoxi son inertes a los éteres, alcoholes y bencenos. Sin embargo la mayoría
de las resinas son solubles en aceites minerales a temperaturas aproximadas de 70 °C. Debido a esto
no son adecuadas para las aplicaciones en transformadores llenos de aceite.

Las resinas epoxi, básicamente son sustancias no polares, poseen una alta resistencia especifica de
aislamiento y en comparación con materiales polares como el PVC tienen una menor tangente de
pérdidas. Aunque por encima de los 100 °C la resistencia especifica del aislamiento se empieza a
reducir considerablemente al tiempo que incrementa la tangente de pérdidas.
En la ilustración 2 se puede evidenciar una variación ondulada en la curva de la tangente de pérdidas
con el incremento de la temperatura la cual se atribuye a las perdidas por efecto de la polarización.
En comparación con la porcelana, la resistencia a la rotura de las resinas epoxi es el doble que la de
la porcelana a temperaturas de hasta 1000 °C pero decrece rápidamente a mayores temperaturas.

8. 5 MADERA

La madera está constituida por celulosa que básicamente es el compuesto que conforma la pared
celular de las plantas. Debido a esta condición la estructura de la madera es higroscópica, y presenta
espacios vacíos en su estructura molecular.
A continuación se presentan algunas propiedades dieléctricas para la madera de pino con diferentes
niveles de humedad.

Ilustración 8 Propiedades dieléctricas de la madera de pino

Ilustración 9 Constante dieléctrica en dirección tangencial (T) y radial (R) y factor de pérdidas en función de la humedad

9. Ilustración 10 Variación en la tangente de pérdidas con respecto al porcentaje de humedad de la madera de Pino

Como se puede observar en las gráficas anteriores tanto la tangente de pérdidas como la constante
dieléctrica de la madera incrementan con la presencia de humedad, lo anterior se puede explicar ya
que cuando hay menos humedad las moléculas de celulosa tienen más libertad de rotación
produciendo un aumento en la capacidad dieléctrica, en cuanto a la presencia de agua aumenta las
perdidas dieléctricas en la madera.
La madera es empleada para soportar fuertes esfuerzos debido a su resistencia mecánica, por lo
anterior se emplea para el soporte de bobinas en transformadores y el soporte de conductores y
aisladores en redes de media tensión.

10. 6 PVC
EL PVC o policloruro de vinilo es un producto de la polimerización del monómero de cloruro de
vinilo derivado del etileno, donde uno de los átomos de hidrógeno de la molécula es reemplazado
por un átomo de cloro.


Ilustración 11 Estructura molecular del PVC

El PVC como tal es un dieléctrico polar muy fuerte, es quebradizo y térmicamente inestable. Por lo
tanto requiere ser adecuado para su uso como aislamiento eléctrico mediante la adición de otros
materiales como, sustancias suavizantes, estabilizantes y de relleno, además de colorantes. Los
compuestos estabilizadores se emplean para mejorar la resistencia del PVC a la intemperie,
específicamente la degradación producida por la radiación ultravioleta.
Los compuestos de PVC son empleados como aislamiento en cables de baja tensión hasta 1.1 kV. En
cables para tensiones superiores se emplea como una capa de revestimiento protectora.
Como se puede observar en la ilustración 2 la tangente de pérdidas dieléctricas del PVC es muy
inestable con respecto a la temperatura, además de ser demasiado alta. Esto restringe el uso del
PVC como material aislante para conductores de baja tensión y cableado residencial. De esta
manera se intenta mantener la intensidad de campo máxima por debajo de 3 kV / mm.
El PVC es una clase de polímero termoplástico, lo que quiere decir que se suavizan al calentarlos y
se “solidifican” al enfriar. Un ciclo de calentamiento y de enfriamiento dentro de ciertos límites de
temperatura puede aplicarse a estos materiales varias veces sin afectar sus propiedades.
La densidad de los polímeros es menor que la de la porcelana lo que los hace más ligeros y fáciles
de instalar.
Siendo un material inherentemente hidrófobo no absorbe el agua. El agua en la superficie del PVC
puede formar gotas de agua y disolver contaminación conductiva, pero ya que es una forma
discontinua no presenta un camino para las corrientes de conducción altas, además de la
probabilidad de incrementar la formación de franjas secas, reduce la posibilidad de flameo en
condiciones contaminadas.

11. 7 NORMAS

Algunas de las normas que se emplean como guía para las buenas prácticas en la ingeniería de
aislamientos son:
Pruebas:
 ASTM D149-09(2003) método estándar para las pruebas de tensión de ruptura y rigidez
dieléctrica para materiales aislantes solidos a frecuencias de potencia comerciales.
 IEC 60243 – 1 (2013): métodos de prueba para la rigidez dialéctica de materiales aislantes
parte 1 pruebas a potencias comerciales (48 a 62 HZ).
 IEC 60243 – 2 (2013): métodos de prueba para la rigidez dialéctica de materiales aislantes
parte 2 requerimientos adicionales para pruebas con tensión continua.
 IEC 60243 – 3 (2013): métodos de prueba para la rigidez dialéctica de materiales aislantes
parte 3 requerimientos adicionales para pruebas con tensiones de impulso 1,2/50µs.

Fabricación:
 IEC 60085 (2007): Aislamiento eléctrico – evaluación térmica y designación.
 IEC 60502 (2004): cables de potencia con aislamiento extruido y sus accesorios para
tensiones nominales de 1kV hasta 30 kV.
 IEC 60840 (2011): cables de potencia con aislamiento extruido y sus accesorios para
tensiones nominales de 30kV hasta 150 kV- métodos de prueba y requerimientos.

8 BIBLIOGRAFÍA
 High voltage and Electrical Insulation Engineering (IEEE Press - Wiley) – Ravindra Arora;
Wolfgang Mosch.
 http://www.electrical4u.com/electrical-insulator-insulating-material-porcelain-glass-
polymer-insulator/
 https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_IEC_standards
 https://www.ncsu.edu/bioresources/BioRes_04/BioRes_04_4_1663_SahinKol_Thermal_Di
elec_Prop_Pine_Wood_Trans_Direc_687.pdf