Modificando el valor de la permitividad del material de relleno empleado en la superficie del aislador, se puede observar que mejora la distribución de las líneas equipotenciales, para valores bajos de permitividad, entre 3 y 20 (valores alcanzados actualmente en materiales sin dopar) la mejoría es mínima, sin embargo, para valores altos es decir mayores a 20, las líneas equipotenciales se distribuyen mucho mejor en la superficie.
Figura 4-1. Líneas equipotenciales en un
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Desde la Figura 4.1 hasta la Figura 4.4 se puede ver cómo se van separando progresivamente las líneas equipotenciales al aumentar los valores de permitividad de: 3, 10, 20 y 100. El valor de permitividad de 3 es del silicón puro, los valores de 10 y 20 son alcanzados en laboratorio con materiales sin dopar, y el valor de permitividad de 100 es solo ilustrativo, puesto que no se han alcanzado valores de permitividad tan altos y solo se presenta a fin de mostrar que al incrementar el valor de permitividad, las líneas equipotenciales o en si el campo eléctrico, se distribuye de manera más uniforme.
Si se compara la Figura 4.1 con la Figura 4.4, se observa que en la primera, las líneas equipotenciales se concentran en el herraje y el primer faldón del aislador, en la segunda, las líneas equipotenciales se distribuyen de mejor manera reduciendo considerablemente la concentración del campo eléctrico, ya que se necesitarían valores de permitividad muy altos para lograr este fin, o modificando otro parámetro, el cual será abordado más adelante (sección 4.4).
La componente tangencial del campo eléctrico o campo eléctrico tangencial, es un factor que afecta en mayor medida a los materiales aislantes, al reducir la concentración del campo eléctrico en el herraje energizado del aislador, se reduce dicha componente.
Figura 4-3. Líneas equipotenciales en un
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
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Figura 4-5. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 3.
Figura 4-6. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 10.
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Figura 4-7. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 20.
Figura 4-8. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 100.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
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Como se puede observar, desde la Figura 4.5. el campo eléctrico tangencial es alto (lado izquierdo de la gráfica), a medida que la permitividad aumenta (Figura 4.6 y 4.7), se puede observar que para los valores de 10 y 20, el campo eléctrico tangencial en este punto no disminuye sino que aumenta, sin embargo, para un valor idealizado de 100, ( figura 4.8) el campo eléctrico en este punto disminuye drásticamente.
Si se aumenta la permitividad del material se observa que para valores bajos, el campo eléctrico se concentra en la parte inferior del primer faldón, y para valores muy altos de permitividad el campo eléctrico se distribuye de mejor manera, lo cual sirve entonces para determinar, que el aumento en la permitividad a valores prácticos no es suficiente por si solo para atenuar el campo en dicha región.
A continuación se muestra como cambia el potencial eléctrico a lo largo de la superficie del aislador, las gráficas brindan una idea de la razón de cambio del potencial.
Figura 4-9. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 3.
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Figura 4-11. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 10.
Figura 4-10. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 20
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
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Se observa que de la Figura 4.9 a la Figura 4.12 el potencial eléctrico cambia menos abruptamente, a medida que el valor de la permitividad aumenta, para un valor muy alto de permitividad (100), la gráfica se suaviza, lo que indica que la razón de cambio del potencial eléctrico es casi similar a lo largo de la superficie, con respecto a la gráfica de un valor de permitividad de 3, donde los cambios son muy agudos en los extremos del aislador.
Figura 4-12. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 100.
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4.4. Distribución del campo Eléctrico en Aisladores NoCerámicos
Aplicando el Principio de Refracción Dieléctrica
Cuando se tienen dos materiales dieléctricos con diferente permitividad, ambos a un ángulo diferente a 90°, los ángulos de incidencia y refracción se encuentran relacionados de la siguiente forma: 2 1 1 1 2 2 2 1 1 2 n2 t1 2 1 E E tan tan n n n n n t D D E E E E Ecuación 4-2.
En la Figura 413 se muestran dos materiales dieléctricos con diferentes permitividades situados entre dos electrodos planos paralelos, la interfaz no es perpendicular a la superficie de los electrodos por lo que se puede observar una compresión de las líneas equipotenciales en el punto P.
Figura 4-13. Materiales con diferente permitividad situados entre 2 electrodos planos paralelos. [34]
Si el ángulo entre la interfaz y el electrodo es menor a 90°, la magnitud del campo eléctrico tangencial en el punto P teóricamente tiende a ser infinita. La ley de la refracción
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
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representada por la ecuación 42, puede ser utilizada para controlar el campo eléctrico, con el fin de mejorar las capacidades de los materiales dieléctricos.
Cuando se tiene un arreglo de interfaz menor a 90°, la magnitud del campo eléctrico es igual a la que se tendría con una interfaz totalmente perpendicular a los electrodos, sin embargo al realizar este cambio, la componente tangencial del campo eléctrico, que es la que más influye en el deterioro de los aislamientos, se ve considerablemente reducida. Aumentando el valor de la permitividad del compósito de relleno del aislador, mejora la distribución del campo eléctrico, las líneas equipotenciales se distribuyen de mejor manera, la componente tangencial del campo eléctrico en la vecindad del herraje disminuye y el potencial eléctrico decae más suavemente [34].
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