La prueba de tensión soportada de CC de aisladores compuestos poliméricos debe realizarse con mucho cuidado debido a la posibilidad de que se acumulen cargas eléctricas de larga duración en sus superficies. De hecho, el impacto de las cargas superficiales se convirtió en una preocupación una vez que las investigaciones de aisladores poliméricos, prototipos y muestras de materiales a gran escala revelaron que las características de descargas disruptivas pueden verse afectadas por las cargas que residen en las interfaces gas-sólido. Claramente, este fenómeno necesitaba ser mejor entendido y considerado al diseñar y probar sistemas de aislamiento HVDC, especialmente para UHV.

La carga superficial de materiales poliméricos se ha estudiado durante mucho tiempo con respecto a diversas aplicaciones industriales. En el caso del aislamiento exterior de alta tensión, no se consideró un problema grave debido a las conductividades relativamente altas de los materiales aislantes cerámicos no orgánicos que se usaban con más frecuencia hasta la década de 1990. Para estos materiales cerámicos, las cargas depositadas decaen rápidamente y no alteran el campo eléctrico aplicado a los aisladores. Sin embargo, con la introducción de materiales poliméricos en los sistemas de aislamiento HVDC, los fenómenos asociados con la carga de tales aisladores recibieron una atención cada vez mayor, ya que los tiempos de residencia de dichas cargas en las superficies son mucho más prolongados.

Se realizaron experimentos para comprender mejor el fenómeno y estos mostraron que las cargas eléctricas se pueden depositar en superficies poliméricas de diferentes maneras, p. activado por descargas de corona en el aire circundante. Esos experimentos con descargas de corona pudieron simular condiciones operativas reales y, al mismo tiempo, permitieron controlar bien el proceso de deposición de carga. El problema era que la mayoría de estas investigaciones sobre superficies poliméricas con carga de corona se realizaban en muestras planas con espesores que oscilaban entre decenas y varios cientos de micrómetros y se colocaban sobre un electrodo metálico conectado a tierra. Menos estudios involucraron muestras gruesas (es decir, varios mm), que son más relevantes para el caso del aislamiento de alta tensión.

Teniendo esto en cuenta, hace varios años, los estudiantes de la Universidad Tecnológica de Chalmers intentaron analizar el comportamiento de la carga superficial en los materiales utilizados para el aislamiento exterior con el objetivo de estudiar la influencia de la carga en la CC y la tensión disruptiva de impulso. Los experimentos se realizaron en modelos cilíndricos de aisladores poliméricos, que consisten en un núcleo de epoxi reforzado con fibra de vidrio (108 mm de largo x 30 mm de diámetro) cubierto por una capa de caucho de silicona de 4 mm de espesor y sostenido entre dos electrodos metálicos esféricos. Dado que se insertaron porciones de 3 mm de largo en ambos extremos del aislador en las ranuras de los electrodos, la longitud superficial efectiva fue de 102 mm. Al cargar tales modelos utilizando una fuente de corona concéntrica (es decir, un cinturón de agujas colocado alrededor), los perfiles de distribución de carga resultantes tendían a tener forma de campana o de silla de montar, según el nivel de voltaje de carga.

La tasa de deposición y la dinámica de las cargas eléctricas en las superficies de los aisladores están condicionadas esencialmente por su campo eléctrico, el cual, en el caso de un aislador compuesto de alta tensión, normalmente contiene una componente de campo tangencial dominante en la superficie. Por lo tanto, si se aplica un voltaje externo al aislador, el campo eléctrico resultante (CC o impulso) es fortalecido o debilitado por el campo de carga.

Se realizaron experimentos para medir el voltaje negativo de descarga disruptiva de CC en diferentes condiciones de carga, lo que se logró variando la intensidad de la fuente de corona y su polaridad. Además, se desarrolló y empleó un modelo basado en los criterios de descarga del cable sísmico para calcular el voltaje de descarga disruptiva teniendo en cuenta los perfiles de densidad de carga superficial registrados para el modo específico de carga que se está utilizando.

Los voltajes de descarga disruptiva de CC negativos medidos y calculados de esta investigación se muestran en el gráfico, donde los resultados corresponden a 6 niveles de voltaje de carga de corona con barras de error experimental indicadas. Las líneas discontinuas y punteadas representan los voltajes de descarga disruptiva calculados para la carga de corona positiva y negativa, respectivamente. La cantidad de cargas en la superficie (eje X) se refiere a la cantidad de cargas homogéneas depositadas en la superficie del aislador.

Como se puede observar, las variaciones estadísticas de la tensión de flameo son elevadas en el caso de superficies sin carga, con valores que oscilan entre 80 kV y 100 kV (siendo 87,5 kV la media). La carga de las superficies, por el contrario, resultó en una dispersión estadística mucho más estrecha.

Cabe señalar que la carga con corona positiva redujo los niveles de voltaje de descarga disruptiva, mientras que la carga negativa provocó un aumento. Para cada condición de carga, los niveles de voltaje de descarga disruptiva calculados cayeron dentro de la variación estadística correspondiente del valor medido. Como tal, las predicciones del modelo parecían estar de acuerdo con los hallazgos experimentales, especialmente en el caso de la carga negativa. También se podría notar que los niveles de voltaje de descarga disruptiva tanto experimentales como teóricos varían linealmente con la cantidad de cargas depositadas en la superficie del aislador.

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Prof. Stanislaw Gubanski