En ingeniería eléctrica , la formación de árboles es un fenómeno de preruptura eléctrica en el aislamiento sólido . Es un proceso dañino debido a descargas parciales y progresa a través del aislamiento dieléctrico estresado , en un camino que se asemeja a las ramas de un árbol . La formación de árboles en el aislamiento sólido de cables de alta tensión es un mecanismo de ruptura común y una fuente de fallas eléctricas en cables de energía subterráneos.
La arborización eléctrica se produce y propaga por primera vez cuando un material dieléctrico seco se somete a una tensión de campo eléctrico alta y divergente durante un largo período de tiempo. Se observa que la arborización eléctrica se origina en puntos donde las impurezas, los huecos de gas , los defectos mecánicos o las proyecciones conductoras provocan una tensión de campo eléctrico excesiva en pequeñas regiones del dieléctrico. Esto puede ionizar los gases dentro de los huecos dentro del dieléctrico en masa, creando pequeñas descargas eléctricas entre las paredes del hueco. Una impureza o un defecto pueden incluso provocar la ruptura parcial del propio dieléctrico sólido. La luz ultravioleta y el ozono de estas descargas parciales (PD) reaccionan entonces con el dieléctrico cercano, descomponiéndolo y degradando aún más su capacidad aislante. A menudo se liberan gases a medida que el dieléctrico se degrada, creando nuevos huecos y grietas. Estos defectos debilitan aún más la rigidez dieléctrica del material, aumentan la tensión eléctrica y aceleran el proceso de PD.
En presencia de agua, se puede formar una estructura tridimensional difusa y parcialmente conductora, llamada árbol de agua , dentro del dieléctrico de polietileno utilizado en cables de alta tensión enterrados o sumergidos en agua. Se sabe que la columna está formada por una densa red de canales extremadamente pequeños llenos de agua que se definen por la estructura cristalina nativa del polímero. Los canales individuales son extremadamente difíciles de ver con aumento óptico, por lo que su estudio suele requerir el uso de un microscopio electrónico de barrido (SEM).
Los árboles de agua comienzan como una región microscópica cerca de un defecto. Luego crecen bajo la presencia continua de un campo eléctrico alto y agua. Los árboles de agua pueden eventualmente crecer hasta el punto en que unen la capa de tierra externa con el conductor de alto voltaje central, momento en el cual la tensión se redistribuye a través del aislamiento. Los árboles de agua generalmente no son un problema de confiabilidad a menos que puedan iniciar un árbol eléctrico.
Otro tipo de estructura similar a un árbol que se puede formar con o sin la presencia de agua se llama árbol eléctrico . También se forma dentro de un dieléctrico de polietileno (así como muchos otros dieléctricos sólidos). Los árboles eléctricos también se originan donde las mejoras de tensión superficial o en masa inician la ruptura dieléctrica en una pequeña región del aislamiento. Esto daña permanentemente el material aislante en esa región. Luego, se produce un mayor crecimiento del árbol a través de pequeños eventos de ruptura eléctrica adicionales (llamados descargas parciales ). El crecimiento del árbol eléctrico puede acelerarse por cambios rápidos de voltaje, como operaciones de conmutación de servicios públicos. Además, los cables inyectados con CC de alto voltaje también pueden desarrollar árboles eléctricos con el tiempo a medida que las cargas eléctricas migran al dieléctrico más cercano al conductor de alta tensión. La región de carga inyectada (llamada carga espacial ) amplifica el campo eléctrico en el dieléctrico, estimulando una mayor mejora de la tensión y el inicio de árboles eléctricos como el sitio de mejoras de tensión preexistentes. Dado que el árbol eléctrico en sí mismo suele ser parcialmente conductor, su presencia también aumenta la tensión eléctrica en la región entre el árbol y el conductor opuesto.
A diferencia de los árboles de agua, los canales individuales de los árboles eléctricos son más grandes y se ven más fácilmente. [1] [2] La formación de árboles ha sido un mecanismo de falla a largo plazo para cables de energía de alto voltaje enterrados con aislamiento de polímero , informado por primera vez en 1969. [3] De manera similar, los árboles 2D pueden ocurrir a lo largo de la superficie de un dieléctrico altamente estresado, o a lo largo de una superficie dieléctrica que ha sido contaminada por polvo o sales minerales. Con el tiempo, estos senderos parcialmente conductores pueden crecer hasta causar una falla completa del dieléctrico. El seguimiento eléctrico, a veces llamado bandas secas , es un mecanismo de falla típico para los aisladores de energía eléctrica que están sujetos a contaminación por niebla salina a lo largo de las costas. Los patrones ramificados 2D y 3D a veces se denominan figuras de Lichtenberg .
También se producen arborizaciones eléctricas o "figuras de Lichtenberg" en equipos de alta tensión justo antes de una avería. Seguir estas figuras de Lichtenberg en el aislamiento durante la autopsia del aislamiento averiado puede ser de gran utilidad para encontrar la causa de la avería. Un ingeniero de alta tensión experimentado puede ver, a partir de la dirección y el tipo de árboles y sus ramas, dónde se situó la causa principal de la avería y posiblemente encontrar la causa. Los transformadores, cables de alta tensión, pasamuros y otros equipos averiados pueden investigarse de forma útil de esta manera; el aislamiento se desenrolla (en el caso de aislamiento de papel) o se corta en rodajas finas (en el caso de sistemas de aislamiento sólido), los resultados se dibujan y fotografían y forman un archivo útil del proceso de avería.
Los árboles eléctricos se pueden clasificar además según los diferentes patrones de árboles. Estos incluyen dendritas, tipo de rama, tipo de arbusto, espigas, cuerdas, árboles con forma de moño y árboles con ventilación. Los dos tipos de árboles que se encuentran con mayor frecuencia son los árboles con forma de moño y los árboles con ventilación. [4]
Los árboles eléctricos se pueden detectar y localizar mediante medición de descargas parciales .
Como los valores de medición de este método no permiten una interpretación absoluta, los datos recopilados durante el procedimiento se comparan con los valores de medición del mismo cable obtenidos durante la prueba. Esto permite una clasificación simple y rápida del estado dieléctrico (nuevo, muy envejecido, defectuoso) del cable bajo prueba.
Para medir el nivel de descargas parciales, se puede utilizar una tensión de 50-60 Hz o, a veces, una tensión sinusoidal de 0,1 Hz VLF ( muy baja frecuencia ). La tensión de encendido, un criterio de medición principal, puede variar en más del 100 % entre las mediciones de 50 y 60 Hz en comparación con la fuente de CA sinusoidal de 0,1 Hz VLF ( muy baja frecuencia ) a la frecuencia de potencia (50-60 Hz) según lo exigen las normas IEEE 48, 404, 386 y las normas ICEA S-97-682, S-94-649 y S-108-720. Los sistemas modernos de detección de descargas parciales emplean software de procesamiento de señales digitales para el análisis y la visualización de los resultados de las mediciones.
Un análisis de las señales de descarga parcial recopiladas durante la medición con el equipo adecuado puede permitir localizar la gran mayoría de los defectos de aislamiento. Por lo general, se muestran en un formato de mapeo de descarga parcial. Se puede obtener información útil adicional sobre el dispositivo bajo prueba a partir de una representación relacionada con la fase de las descargas parciales.
Un informe de medición suficiente contiene:
