Aislante (electricidad)
Un aislante eléctrico es un material en el que la corriente eléctrica no fluye libremente. Los átomos del aislador tienen electrones estrechamente unidos que no pueden moverse fácilmente. Otros materiales, semiconductores y conductores, conducen la corriente eléctrica más fácilmente. La propiedad que distingue a un aislante es su resistividad; Los aisladores tienen mayor resistividad que los semiconductores o conductores. Los ejemplos más comunes son los no metales.
No existe un aislador perfecto porque incluso los aisladores contienen pequeñas cantidades de cargas móviles (portadores de carga) que pueden transportar corriente. Además, todos los aisladores se vuelven eléctricamente conductores cuando se aplica un voltaje lo suficientemente grande como para que el campo eléctrico arranque los electrones de los átomos. Esto se conoce como el voltaje de ruptura de un aislador. Algunos materiales como el vidrio, el papel y el PTFE, que tienen una alta resistividad, son muy buenos aislantes eléctricos. Una clase mucho más grande de materiales, a pesar de que pueden tener una resistividad aparente más baja, siguen siendo lo suficientemente buenos para evitar que fluya una corriente significativa a los voltajes que se usan normalmente y, por lo tanto, se emplean como aislamiento para cables y cableados eléctricos. Los ejemplos incluyen polímeros similares al caucho y la mayoría de los plásticos que pueden ser de naturaleza termoestable o termoplástica.
Los aisladores se utilizan en equipos eléctricos para soportar y separar conductores eléctricos sin permitir que la corriente los atraviese. Un material aislante utilizado a granel para envolver cables eléctricos u otros equipos se denomina aislamiento. El término aislante también se usa más específicamente para referirse a los soportes aislantes que se usan para conectar líneas de transmisión o distribución de energía eléctrica a postes de servicios públicos y torres de transmisión. Soportan el peso de los cables suspendidos sin permitir que la corriente fluya a través de la torre a tierra.
Física de la conducción en sólidos
El aislamiento eléctrico es la ausencia de conducción eléctrica. La teoría de la banda electrónica (una rama de la física) explica que la carga eléctrica fluye cuando los estados cuánticos de la materia están disponibles en los que se pueden excitar los electrones. Esto permite que los electrones ganen energía y, por lo tanto, se muevan a través de un conductor, como un metal, si se aplica una diferencia de potencial eléctrico al material. Si tales estados no están disponibles, el material es un aislante.
La mayoría de los aisladores tienen una banda prohibida grande. Esto ocurre porque la "valencia" la banda que contiene los electrones de mayor energía está llena, y una gran brecha de energía separa esta banda de la siguiente banda por encima de ella. Siempre hay algún voltaje (llamado voltaje de ruptura) que les da a los electrones suficiente energía para ser excitados en esta banda. Una vez superado este voltaje, se produce una ruptura eléctrica, y el material deja de ser aislante, pasando carga. Esto suele ir acompañado de cambios físicos o químicos que degradan permanentemente el material y sus propiedades aislantes.
Cuando el campo eléctrico aplicado a través de una sustancia aislante excede en cualquier lugar el campo de ruptura umbral para esa sustancia, el aislante de repente se convierte en un conductor, lo que provoca un gran aumento en la corriente, un arco eléctrico a través de la sustancia. La ruptura eléctrica ocurre cuando el campo eléctrico en el material es lo suficientemente fuerte como para acelerar los portadores de carga libres (electrones e iones, que siempre están presentes en bajas concentraciones) a una velocidad lo suficientemente alta como para sacar los electrones de los átomos cuando los golpean, ionizándolos. Estos electrones e iones liberados se aceleran a su vez y golpean otros átomos, creando más portadores de carga, en una reacción en cadena. Rápidamente, el aislador se llena de portadores de carga móviles y su resistencia cae a un nivel bajo. En un sólido, el voltaje de ruptura es proporcional a la energía de banda prohibida. Cuando ocurre una descarga de corona, el aire en una región alrededor de un conductor de alto voltaje puede descomponerse e ionizarse sin un aumento catastrófico en la corriente. Sin embargo, si la región de ruptura del aire se extiende a otro conductor con un voltaje diferente, crea un camino conductor entre ellos y una gran corriente fluye a través del aire, creando un arco eléctrico. Incluso un vacío puede sufrir una especie de ruptura, pero en este caso, la ruptura o arco de vacío implica cargas expulsadas de la superficie de los electrodos metálicos en lugar de ser producidas por el vacío mismo.
Además, todos los aislantes se vuelven conductores a temperaturas muy altas ya que la energía térmica de los electrones de valencia es suficiente para ponerlos en la banda de conducción.
En ciertos condensadores, los cortocircuitos entre electrodos formados debido a la ruptura dieléctrica pueden desaparecer cuando se reduce el campo eléctrico aplicado.
Usos
A menudo se aplica una capa flexible de un aislante a los alambres y cables eléctricos; este conjunto se llama cable aislado. A veces, los cables no usan un revestimiento aislante, solo aire, cuando un revestimiento sólido (por ejemplo, plástico) puede ser poco práctico. Los cables que se tocan entre sí producen conexiones cruzadas, cortocircuitos y riesgos de incendio. En el cable coaxial, el conductor central debe apoyarse precisamente en el medio del blindaje hueco para evitar reflejos de ondas electromagnéticas. Los cables que exponen altos voltajes pueden causar descargas eléctricas y riesgos de electrocución.
La mayoría de los productos de cables y alambres aislados tienen clasificaciones máximas de voltaje y temperatura del conductor. Es posible que el producto no tenga una clasificación de ampacidad (capacidad de carga de corriente), ya que depende del entorno circundante (por ejemplo, la temperatura ambiente).
En los sistemas electrónicos, las placas de circuito impreso están hechas de plástico epoxi y fibra de vidrio. Las placas no conductoras soportan capas de conductores de lámina de cobre. En los dispositivos electrónicos, los diminutos y delicados componentes activos están incrustados dentro de plásticos fenólicos o epoxi no conductores, o dentro de revestimientos cerámicos o de vidrio horneado.
En componentes microelectrónicos como transistores e circuitos integrados, el material de silicio normalmente es un conductor debido al dopaje, pero puede transformarse fácilmente de forma selectiva en un buen aislante mediante la aplicación de calor y oxígeno. El silicio oxidado es cuarzo, es decir, dióxido de silicio, el componente principal del vidrio.
En los sistemas de alto voltaje que contienen transformadores y capacitores, el aceite aislante líquido es el método típico que se usa para prevenir los arcos. El aceite reemplaza el aire en espacios que deben soportar un voltaje significativo sin fallas eléctricas. Otros materiales de aislamiento del sistema de alto voltaje incluyen soportes de cables de cerámica o vidrio, gas, vacío y simplemente colocar los cables lo suficientemente separados para usar aire como aislamiento.
Aislamiento en aparatos eléctricos
El material aislante más importante es el aire. Una variedad de aislantes sólidos, líquidos y gaseosos también se utilizan en aparatos eléctricos. En transformadores, generadores y motores eléctricos más pequeños, el aislamiento de las bobinas de alambre consta de hasta cuatro capas delgadas de película de barniz de polímero. El alambre magnético con aislamiento de película permite que un fabricante obtenga el número máximo de vueltas dentro del espacio disponible. Los devanados que usan conductores más gruesos a menudo se envuelven con cinta aislante de fibra de vidrio suplementaria. Los devanados también se pueden impregnar con barnices aislantes para evitar la corona eléctrica y reducir la vibración del cable inducida magnéticamente. Los devanados de los grandes transformadores de potencia todavía están aislados en su mayoría con papel, madera, barniz y aceite mineral; aunque estos materiales se han utilizado durante más de 100 años, aún brindan un buen equilibrio entre economía y rendimiento adecuado. Las barras colectoras y los interruptores automáticos en la aparamenta se pueden aislar con aislamiento de plástico reforzado con fibra de vidrio, tratados para que la llama se propague poco y para evitar el seguimiento de la corriente a través del material.
En los aparatos más antiguos fabricados hasta principios de la década de 1970, se pueden encontrar tableros hechos de asbesto comprimido; Si bien este es un aislante adecuado a frecuencias de potencia, el manejo o las reparaciones del material de asbesto pueden liberar fibras peligrosas al aire y deben realizarse con precaución. El alambre aislado con asbesto afieltrado se usó en aplicaciones resistentes y de alta temperatura desde la década de 1920. General Electric vendía cables de este tipo con el nombre comercial "Deltabeston."
Los tableros de distribución con frente vivo hasta principios del siglo XX estaban hechos de pizarra o mármol. Algunos equipos de alto voltaje están diseñados para operar dentro de un gas aislante de alta presión como el hexafluoruro de azufre. Los materiales de aislamiento que funcionan bien a potencia y bajas frecuencias pueden no ser satisfactorios a la radiofrecuencia, debido al calentamiento por disipación dieléctrica excesiva.
Los cables eléctricos se pueden aislar con polietileno, polietileno reticulado (ya sea mediante procesamiento de haz de electrones o reticulación química), PVC, Kapton, polímeros similares al caucho, papel impregnado de aceite, teflón, silicona o etileno tetrafluoroetileno modificado (ETFE). Los cables de alimentación más grandes pueden usar polvo inorgánico comprimido, según la aplicación.
Los materiales aislantes flexibles como el PVC (cloruro de polivinilo) se utilizan para aislar el circuito y evitar el contacto humano con un dispositivo 'vivo' cable: uno que tiene un voltaje de 600 voltios o menos. Es probable que se utilicen cada vez más materiales alternativos debido a la legislación medioambiental y de seguridad de la UE que hace que el PVC sea menos económico.
En aparatos eléctricos como motores, generadores y transformadores, se utilizan diversos sistemas de aislamiento, clasificados por su temperatura de trabajo máxima recomendada para lograr una vida útil aceptable. Los materiales van desde tipos mejorados de papel hasta compuestos inorgánicos.
Aislamiento Clase I y Clase II
Todos los dispositivos eléctricos portátiles o de mano están aislados para proteger a su usuario de descargas dañinas.
El aislamiento de Clase I requiere que el cuerpo metálico y otras partes metálicas expuestas del dispositivo estén conectadas a tierra a través de un cable de conexión a tierra conectado a tierra en el panel de servicio principal, pero solo necesita un aislamiento básico en el conductores Este equipo necesita un pin adicional en el enchufe de alimentación para la conexión a tierra.
Aislamiento de clase II significa que el dispositivo tiene doble aislamiento. Esto se usa en algunos aparatos como afeitadoras eléctricas, secadores de pelo y herramientas eléctricas portátiles. El doble aislamiento requiere que los dispositivos tengan aislamiento básico y adicional, cada uno de los cuales es suficiente para evitar descargas eléctricas. Todos los componentes internos energizados eléctricamente están totalmente encerrados dentro de un cuerpo aislado que evita cualquier contacto con "vivo" partes. En la UE, todos los electrodomésticos con doble aislamiento están marcados con un símbolo de dos cuadrados, uno dentro del otro.
Aislantes de transmisión de potencia y telégrafo
Los conductores para la transmisión aérea de energía eléctrica de alto voltaje están desnudos y están aislados por el aire circundante. Los conductores para voltajes más bajos en la distribución pueden tener algo de aislamiento, pero a menudo también están desnudos. Se requieren soportes aislantes en los puntos donde están soportados por postes de servicios públicos o torres de transmisión. También se requieren aisladores donde el cable ingresa a edificios o dispositivos eléctricos, como transformadores o disyuntores, para el aislamiento de la caja. A menudo, estos son casquillos, que son aisladores huecos con el conductor dentro de ellos.
Materiales
Los aisladores utilizados para la transmisión de energía de alto voltaje están hechos de vidrio, porcelana o materiales poliméricos compuestos. Los aisladores de porcelana están hechos de arcilla, cuarzo o alúmina y feldespato, y están cubiertos con un esmalte suave para eliminar el agua. Los aisladores hechos de porcelana rica en alúmina se utilizan cuando la alta resistencia mecánica es un criterio. La porcelana tiene una rigidez dieléctrica de alrededor de 4 a 10 kV/mm. El vidrio tiene una fuerza dieléctrica más alta, pero atrae la condensación y las formas gruesas e irregulares necesarias para los aisladores son difíciles de moldear sin tensiones internas. Algunos fabricantes de aisladores dejaron de fabricar aisladores de vidrio a fines de la década de 1960 y cambiaron a materiales cerámicos.
Algunas empresas eléctricas utilizan materiales compuestos de polímeros para algunos tipos de aisladores. Por lo general, se componen de una varilla central hecha de plástico reforzado con fibra y una cubierta exterior hecha de caucho de silicona o caucho de monómero de etileno propileno dieno (EPDM). Los aisladores compuestos son menos costosos, más livianos y tienen excelentes propiedades hidrofóbicas. Esta combinación los hace ideales para el servicio en áreas contaminadas. Sin embargo, estos materiales aún no tienen la vida útil comprobada a largo plazo del vidrio y la porcelana.
Líneas de potencia apoyadas por aisladores de tipo pin de cerámica en California, EE.UU.
Aislante de cerámica 10 kV, mostrando cobertizos
Diseño
La avería eléctrica de un aislador debido a un voltaje excesivo puede ocurrir de dos maneras:
- A punción arc es un desglose y conducción del material del aislante, causando un arco eléctrico a través del interior del aislante. El calor resultante del arco generalmente daña al aislante irreparablemente. Tensión de perforación es el voltaje a través del aislante (cuando se instala en su forma normal) que causa un arco de punción.
- A flashover arc es un colapso y conducción del aire alrededor o a lo largo de la superficie del aislante, causando un arco a lo largo del exterior del aislante. Los aisladores generalmente están diseñados para soportar la resplandor sin daño. Tensión de tensión es el voltaje que causa un arco relámpago.
La mayoría de los aisladores de alto voltaje están diseñados con un voltaje de descarga disruptiva más bajo que el voltaje de perforación, por lo que se descargan antes de perforar para evitar daños.
La suciedad, la contaminación, la sal y, en particular, el agua en la superficie de un aislador de alto voltaje pueden crear una ruta conductora a través de él, lo que provoca corrientes de fuga y descargas disruptivas. El voltaje de descarga disruptiva se puede reducir en más del 50 % cuando el aislador está húmedo. Los aisladores de alto voltaje para uso en exteriores están diseñados para maximizar la longitud de la ruta de fuga a lo largo de la superficie de un extremo al otro, llamada longitud de fuga, para minimizar estas corrientes de fuga. Para lograr esto, la superficie se moldea en una serie de corrugaciones o formas de discos concéntricos. Estos suelen incluir uno o más cobertizos; superficies en forma de copa orientadas hacia abajo que actúan como sombrillas para garantizar que la parte de la ruta de fuga de la superficie debajo de la 'copa' se mantiene seco en tiempo húmedo. Las distancias de fuga mínimas son de 20 a 25 mm/kV, pero deben aumentarse en áreas de alta contaminación o de sal marina en el aire.
Tipos
Los aisladores se caracterizan en varias clases comunes:
- Aislante de pin - El aislante de tipo pin se monta en un pin colocado en el borde cruzado del poste. El aislante tiene una ranura cerca de la parte superior justo debajo de la corona. El conductor pasa a través de este groove y está atado al aislante con alambre aneado del mismo material que el conductor. Los aisladores de tipo pin se utilizan para la transmisión y distribución de señales de comunicación, y la energía eléctrica a voltajes de hasta 33 kV. Los aisladores hechos para voltajes operativos entre 33 kV y 69 kV tienden a ser voluminosos y se han vuelto antieconómicos.
- Aislante de postes - Un tipo de aislante en los años 1930 que es más compacto que los aislantes tradicionales de tipo pin y que ha reemplazado rápidamente a muchos aislantes de tipo pin en líneas de hasta 69 kV y en algunas configuraciones, se puede hacer para la operación en hasta 115 kV.
- Aislador de suspensión - Para voltajes mayores de 33 kV, es una práctica habitual utilizar aislantes tipo suspensión, que consiste en un número de discos de vidrio o porcelana conectados en serie por enlaces de metal en forma de cadena. El conductor está suspendido en el extremo inferior de esta cuerda mientras que el extremo superior está asegurado a la argolla de la torre. El número de unidades de disco utilizadas depende del voltaje.
- Aislador de heces - A callejón sin salida o ancla polo o torre se utiliza donde una sección recta de la línea termina, o ángulos hacia fuera en otra dirección. Estos polos deben soportar la tensión lateral (horizontal) de la larga sección recta del alambre. Para soportar esta carga lateral, se utilizan los aislantes de tensión. Para líneas de baja tensión (menos de 11 kV), los aislantes de hebilla se utilizan como aislantes de cepa. Sin embargo, para líneas de transmisión de alta tensión, se utilizan cadenas de aislantes (suspensión), unidos al cruce en dirección horizontal. Cuando la carga de tensión en las líneas es extremadamente alta, como en los largos lados del río, se utilizan dos o más cuerdas en paralelo.
- Aislador de grilletes - En los primeros días, los aislantes de grillete se utilizaron como aislantes de cepa. Pero ahora se utilizan con frecuencia para líneas de distribución de baja tensión. Tales aisladores se pueden utilizar ya sea en posición horizontal o en posición vertical. Se pueden fijar directamente al poste con un perno o al brazo cruzado.
- Bushing - permite a uno o varios conductores pasar por una partición como una pared o un tanque, y aísla a los conductores de ella.
- Aislador de puestos de línea
- Aislador de puestos de la estación
- Corte
Revestimiento aislante
Un aislante que protege una longitud completa del tercer riel de contacto inferior.
Aisladores de suspensión
| Tensión de línea (kV) | Discos |
|---|---|
| 34,5 | 3 |
| 69 | 4 |
| 115 | 6 |
| 138 | 8 |
| 161 | 11 |
| 230 | 14 |
| 287 | 15 |
| 345 | 18 |
| 360 | 23 |
| 400 | 24 |
| 500 | 34 |
| 600 | 44 |
| 750 | 59 |
| 765 | 60 |
Los aisladores tipo clavija no son adecuados para voltajes de línea a línea superiores a aproximadamente 69 kV. Los voltajes de transmisión más altos usan cadenas de aisladores de suspensión, que se pueden fabricar para cualquier voltaje de transmisión práctico agregando elementos aislantes a la cadena.
Las líneas de transmisión de mayor voltaje suelen utilizar diseños de aisladores de suspensión modulares. Los cables están suspendidos de una 'cuerda' de aisladores idénticos en forma de disco que se unen entre sí con un pasador de horquilla de metal o eslabones de rótula. La ventaja de este diseño es que las cadenas de aisladores con diferentes voltajes de ruptura, para usar con diferentes voltajes de línea, se pueden construir utilizando diferentes números de unidades básicas. Además, si una de las unidades aislantes de la cadena se rompe, se puede reemplazar sin desechar toda la cadena.
Cada unidad está construida con un disco de cerámica o vidrio con una tapa de metal y un pasador cementado en lados opuestos. Para que las unidades defectuosas sean obvias, las unidades de vidrio están diseñadas para que un sobrevoltaje provoque un arco de perforación a través del vidrio en lugar de una descarga disruptiva. El vidrio se trata térmicamente para que se rompa, haciendo visible la unidad dañada. Sin embargo, la resistencia mecánica de la unidad no cambia, por lo que la cadena de aisladores permanece unida.
Las unidades de aislador de disco de suspensión estándar tienen 25 centímetros (9,8 pulgadas) de diámetro y 15 cm (6 pulgadas) de largo, pueden soportar una carga de 80 a 120 kilonewtons (18 000 a 27 000 lbf), tienen un voltaje de descarga disruptiva en seco de aproximadamente 72 kV y tienen una tensión nominal de funcionamiento de 10 a 12 kV. Sin embargo, el voltaje de descarga disruptiva de una cadena es menor que la suma de sus discos componentes, porque el campo eléctrico no se distribuye uniformemente a lo largo de la cadena, sino que es más fuerte en el disco más cercano al conductor, que se enciende primero. A veces se agregan anillos de clasificación de metal alrededor del disco en el extremo de alto voltaje, para reducir el campo eléctrico a través de ese disco y mejorar el voltaje de descarga disruptiva.
En líneas de muy alta tensión, el aislador puede estar rodeado de anillos corona. Por lo general, estos consisten en toros de aluminio (más comúnmente) o tubería de cobre conectada a la línea. Están diseñados para reducir el campo eléctrico en el punto donde el aislador se une a la línea, para evitar la descarga de corona, que provoca pérdidas de energía.
Cadena de aislante de suspensión (la cadena vertical de discos) en un pilón de suspensión de 275 kV
Unidad de aislamiento de disco de vidrio sostenida utilizada en cadenas de aislamiento para líneas de transmisión de alta tensión
Mango de aislamiento en la valla eléctrica para ganado
Historia
Los primeros sistemas eléctricos que utilizaron aisladores fueron las líneas telegráficas; Se encontró que la unión directa de cables a postes de madera daba muy malos resultados, especialmente durante el clima húmedo.
Los primeros aisladores de vidrio utilizados en grandes cantidades tenían un agujero de alfiler sin rosca. Estas piezas de vidrio se colocaron en un pasador de madera cónico, que se extendía verticalmente hacia arriba desde la cruceta del poste (comúnmente, solo dos aisladores en un poste y tal vez uno en la parte superior del poste). La contracción y expansión natural de los cables atados a estos "aislantes sin rosca" dio como resultado que los aisladores se descolocaran de sus pines, lo que requería volver a colocarlos manualmente.
Entre las primeras empresas en producir aisladores cerámicos se encontraban empresas del Reino Unido, con Stiff y Doulton utilizando gres desde mediados de la década de 1840, Joseph Bourne (más tarde rebautizado como Denby) produciéndolos alrededor de 1860 y Bullers desde 1868. Patente de utilidad número 48.906 fue concedida a Louis A. Cauvet el 25 de julio de 1865 para un proceso de producción de aisladores con orificio roscado: los aisladores tipo clavija todavía tienen orificios roscados.
La invención de los aisladores tipo suspensión hizo posible la transmisión de energía de alto voltaje. A medida que los voltajes de la línea de transmisión alcanzaron y superaron los 60 000 voltios, los aisladores requeridos se volvieron muy grandes y pesados, con aisladores fabricados para un margen de seguridad de 88 000 voltios siendo el límite práctico para la fabricación e instalación. Los aisladores de suspensión, por otro lado, se pueden conectar en cadenas siempre que sea necesario para el voltaje de la línea.
Se han fabricado una gran variedad de aisladores de telefonía, telégrafo y energía; algunas personas los coleccionan, tanto por su interés histórico como por la calidad estética de muchos diseños y acabados de aisladores. Una organización de coleccionistas es la Asociación Nacional de Aislantes de EE. UU., que cuenta con más de 9.000 miembros.
Aislamiento de antenas
A menudo, una antena de radiodifusión se construye como un radiador de mástil, lo que significa que toda la estructura del mástil está energizada con alto voltaje y debe estar aislada del suelo. Se utilizan fijaciones de esteatita. Deben soportar no solo la tensión del radiador del mástil a tierra, que puede alcanzar valores de hasta 400 kV en algunas antenas, sino también el peso de la construcción del mástil y las fuerzas dinámicas. Las bocinas de arco y los pararrayos son necesarios porque los rayos en el mástil son comunes.
Los cables de sujeción que soportan los mástiles de las antenas suelen tener aisladores de tensión insertados en el recorrido del cable, para evitar que los altos voltajes de la antena produzcan un cortocircuito a tierra o creen un riesgo de descarga eléctrica. A menudo, los cables de sujeción tienen varios aisladores, colocados para dividir el cable en longitudes que evitan resonancias eléctricas no deseadas en la sujeción. Estos aisladores suelen ser cerámicos y cilíndricos o en forma de huevo (ver imagen). Esta construcción tiene la ventaja de que la cerámica está bajo compresión en lugar de tensión, por lo que puede soportar una mayor carga, y si el aislador se rompe, los extremos del cable aún están unidos.
Estos aisladores también tienen que estar equipados con equipos de protección contra sobretensiones. Para las dimensiones del aislamiento de las riendas, se deben considerar las cargas estáticas en las riendas. Para mástiles altos, estos pueden ser mucho más altos que el voltaje causado por el transmisor, lo que requiere tirantes divididos por aisladores en múltiples secciones en los mástiles más altos. En este caso, los tipos que están conectados a tierra en los sótanos de anclaje a través de una bobina, o si es posible, directamente, son la mejor opción.
Las líneas de alimentación que conectan las antenas a los equipos de radio, en particular los de dos conductores, a menudo deben mantenerse a distancia de las estructuras metálicas. Los soportes aislados que se utilizan para este fin se denominan aislantes de separación.
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