Un aislante eléctrico es un material en el que la corriente eléctrica no fluye libremente. Los átomos del aislante tienen electrones fuertemente 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 aislante perfecto porque incluso los aisladores contienen una pequeña cantidad de cargas móviles ( portadores de carga ) que pueden transportar corriente. Además, todos los aislantes se vuelven conductores de electricidad cuando se aplica un voltaje suficientemente grande como para que el campo eléctrico arranque los electrones de los átomos. Esto se conoce como ruptura eléctrica , y el voltaje al que ocurre se llama 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, aunque pueden tener una resistividad aparente más baja, siguen siendo lo suficientemente buenos como para evitar que fluya una corriente significativa a los voltajes utilizados normalmente y, por lo tanto, se emplean como aislamiento para cableados 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 pase por ellos mismos. Un material aislante utilizado a granel para envolver cables eléctricos u otros equipos se llama aislamiento . El término aislante también se utiliza más específicamente para referirse a los soportes aislantes utilizados para unir líneas de distribución o transmisión 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 hasta tierra.
El aislamiento eléctrico es la ausencia de conducción eléctrica . La teoría de bandas electrónicas (una rama de la física) explica que la carga eléctrica fluye cuando hay estados cuánticos de la materia disponibles en los que se pueden excitar los electrones. Esto permite que los electrones ganen energía y con ello se muevan a través de un conductor, como un metal , si se aplica una diferencia de potencial eléctrico al material. Si no existen tales estados, el material es un aislante.
La mayoría de los aisladores tienen una banda prohibida grande . Esto ocurre porque la banda de "valencia" 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 proporciona 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 umbral del campo de ruptura para esa sustancia, el aislante de repente se convierte en un conductor, provocando un gran aumento de 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 expulsar los electrones de los átomos cuando los golpean, ionizándolos . Estos electrones e iones liberados a su vez se aceleran y chocan con otros átomos, creando más portadores de carga, en una reacción en cadena . Rápidamente el aislante 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 la banda prohibida . Cuando se produce una descarga en corona , el aire en una región alrededor de un conductor de alto voltaje puede descomponerse e ionizarse sin un aumento catastrófico de la corriente. Sin embargo, si la región de ruptura del aire se extiende a otro conductor con un voltaje diferente, se crea un camino conductor entre ellos y una gran corriente fluye a través del aire, creando un arco eléctrico . Incluso el vacío puede sufrir algún tipo de ruptura, pero en este caso la ruptura o arco de vacío involucra 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. [1] [2]
En ciertos condensadores, los cortocircuitos entre electrodos formados debido a una ruptura dieléctrica pueden desaparecer cuando se reduce el campo eléctrico aplicado. [3] [4] [5] [ ¿relevante? ]
A menudo se aplica un revestimiento flexible de un aislante a cables y alambres eléctricos; este conjunto se llama cable aislado . A veces los cables no utilizan un revestimiento aislante, sólo aire, cuando un revestimiento sólido (por ejemplo, plástico) puede resultar 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 estar apoyado exactamente en el centro del blindaje hueco para evitar reflejos de ondas electromagnéticas. Los cables que exponen altos voltajes pueden provocar riesgos de descargas humanas y 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, 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 láminas de cobre. En los dispositivos electrónicos, los diminutos y delicados componentes activos están incrustados dentro de plásticos epoxi o fenólicos no conductores , o dentro de revestimientos cerámicos o de vidrio horneado.
En componentes microelectrónicos como transistores y 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 sistemas de alto voltaje que contienen transformadores y condensadores , el aceite aislante líquido es el método típico utilizado para prevenir arcos. El aceite reemplaza el aire en espacios que deben soportar un voltaje significativo sin fallas eléctricas . Otros materiales aislantes para sistemas de alto voltaje incluyen soportes para cables de cerámica o vidrio, gas, vacío y simplemente colocar los cables lo suficientemente separados para usar aire como aislamiento.
El material aislante más importante es el aire. En los aparatos eléctricos también se utiliza una variedad de aislantes sólidos, líquidos y gaseosos . En transformadores , generadores y motores eléctricos más pequeños , el aislamiento de las bobinas de alambre consta de hasta cuatro finas capas de película de barniz polimérico. El cable magnético aislado con película permite al fabricante obtener el máximo número de vueltas dentro del espacio disponible. Los devanados que utilizan conductores más gruesos suelen estar envueltos con cinta aislante de fibra de vidrio suplementaria . Los devanados también pueden impregnarse 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 mayor parte con papel , madera, barniz y aceite mineral ; Aunque estos materiales se han utilizado durante más de 100 años, todavía ofrecen un buen equilibrio entre economía y rendimiento adecuado. Las barras colectoras y los disyuntores en los tableros de distribución pueden estar aislados con aislamiento de plástico reforzado con vidrio, tratados para tener una baja propagación de llama y evitar el seguimiento de la corriente a través del material.
En aparatos más antiguos fabricados hasta principios de la década de 1970, se pueden encontrar tableros hechos de amianto comprimido; Si bien este es un aislante adecuado a frecuencias eléctricas, la manipulación o reparación del material de asbesto puede liberar fibras peligrosas al aire y debe realizarse con precaución. El alambre aislado con asbesto afieltrado se utilizó en aplicaciones resistentes y de alta temperatura desde la década de 1920. General Electric vendió alambre de este tipo con el nombre comercial "Deltabeston". [6]
Los cuadros de distribución hasta principios del siglo XX estaban hechos de pizarra o mármol. Algunos equipos de alto voltaje están diseñados para funcionar dentro de un gas aislante a alta presión , como el hexafluoruro de azufre . Los materiales aislantes que funcionan bien en potencia y bajas frecuencias pueden resultar insatisfactorios en radiofrecuencia , debido al calentamiento debido a una disipación dieléctrica excesiva.
Los cables eléctricos pueden estar aislados con polietileno , polietileno reticulado (ya sea mediante procesamiento por haz de electrones o reticulación química), PVC , Kapton , polímeros similares al caucho, papel impregnado con aceite, teflón , silicona o etileno tetrafluoroetileno modificado ( ETFE ). Los cables de alimentación más grandes pueden utilizar polvo inorgánico comprimido , según la aplicación.
Se utilizan materiales aislantes flexibles como PVC (cloruro de polivinilo) para aislar el circuito y evitar el contacto humano con un cable "vivo", uno que tenga un voltaje de 600 voltios o menos. Es probable que se utilicen cada vez más materiales alternativos debido a que la legislación medioambiental y de seguridad de la UE 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 máxima de trabajo recomendada para lograr una vida útil aceptable. Los materiales van desde tipos de papel mejorados hasta compuestos inorgánicos.
Todos los dispositivos eléctricos portátiles o de mano están aislados para proteger al usuario de descargas dañinas.
El aislamiento Clase I requiere que el cuerpo metálico y otras partes metálicas expuestas del dispositivo estén conectados a tierra a través de un cable de conexión a tierra en el panel de servicio principal, pero solo necesita un aislamiento básico en los conductores. Este equipo necesita una clavija adicional en el enchufe de alimentación para la conexión a tierra.
El aislamiento de clase II significa que el dispositivo tiene doble aislamiento . Se utiliza en algunos aparatos como afeitadoras eléctricas, secadores de pelo y herramientas eléctricas portátiles. El doble aislamiento requiere que los dispositivos tengan aislamiento básico y suplementario, 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 partes "vivas". En la UE , todos los aparatos con doble aislamiento están marcados con el símbolo de dos cuadrados, uno dentro del otro. [7]
Los conductores para la transmisión aérea de energía eléctrica de alto voltaje están desnudos y aislados del 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 se apoyan en postes de servicios públicos o torres de transmisión . También se requieren aisladores cuando el cable ingresa a edificios o dispositivos eléctricos, como transformadores o disyuntores , para aislarlos de la carcasa. A menudo se trata de casquillos , que son aisladores huecos con el conductor en su interior.
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 se cubren con un esmalte suave para repeler el agua. Los aisladores fabricados de porcelana rica en alúmina se utilizan cuando el criterio es una alta resistencia mecánica. La porcelana tiene una rigidez dieléctrica de aproximadamente 4 a 10 kV/mm. [8] El vidrio tiene una mayor rigidez dieléctrica, pero atrae la condensación y las formas gruesas e irregulares necesarias para los aisladores son difíciles de moldear sin tensiones internas. [9] Algunos fabricantes de aisladores dejaron de fabricar aisladores de vidrio a finales de la década de 1960 y pasaron a materiales cerámicos.
Algunas empresas de servicios eléctricos utilizan materiales compuestos poliméricos 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. [10] Sin embargo, estos materiales aún no tienen la vida útil probada a largo plazo del vidrio y la porcelana.
La avería eléctrica de un aislador por exceso de tensión puede producirse de dos formas:
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 perforarse para evitar daños.
La suciedad, la contaminación, la sal y, en particular, el agua en la superficie de un aislante de alto voltaje pueden crear un camino conductor a través de él, provocando corrientes de fuga y descargas eléctricas. El voltaje de descarga disruptiva se puede reducir en más del 50% cuando el aislador está mojado. Los aisladores de alto voltaje para uso en exteriores tienen una forma que maximiza la longitud de la ruta de fuga a lo largo de la superficie de un extremo al otro, denominada longitud de fuga, para minimizar estas corrientes de fuga. [11] 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 paraguas para garantizar que la parte del recorrido de fuga de la superficie debajo de la 'copa' permanezca seca en climas húmedos. Las distancias de fuga mínimas son de 20 a 25 mm/kV, pero deben aumentarse en áreas con alta contaminación o con sal marina en el aire.
Los aisladores se caracterizan en varias clases comunes:
Un aislante que protege toda la longitud del tercer riel de contacto inferior .
Los aisladores de tipo clavija no son adecuados para voltajes superiores a aproximadamente 69 kV línea a línea. Las líneas de transmisión de mayor voltaje suelen utilizar diseños de aisladores de suspensión modulares. Los cables están suspendidos de una "cadena" de aisladores idénticos en forma de disco que se unen entre sí mediante pasadores metálicos o eslabones de rótula. La ventaja de este diseño es que se pueden construir cadenas de aisladores con diferentes voltajes de ruptura , para usar con diferentes voltajes de línea, utilizando diferentes números de unidades básicas. Se pueden fabricar aisladores de cadena para cualquier voltaje de transmisión práctico agregando elementos aislantes a la cadena. [14] 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 hacer evidentes las unidades defectuosas, las unidades de vidrio están diseñadas de manera que una sobretensión provoque un arco perforado a través del vidrio en lugar de una descarga eléctrica. 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 aislantes 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 lb f ), tienen un voltaje de descarga disruptiva en seco de aproximadamente 72 kV. y están clasificados para una tensión de funcionamiento de 10 a 12 kV. [15] Sin embargo, el voltaje de descarga disruptiva de una cuerda es menor que la suma de los discos que la componen, porque el campo eléctrico no se distribuye uniformemente a lo largo de la cuerda, sino que es más fuerte en el disco más cercano al conductor, que se descarga primero. A veces se agregan anillos graduadores 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 alto voltaje, el aislador puede estar rodeado por anillos de corona . [16] Por lo general, consisten en toros de aluminio (más comúnmente) o tubos de cobre conectados a la línea. Están diseñados para reducir el campo eléctrico en el punto donde el aislador está conectado a la línea, para evitar la descarga en corona , que provoca pérdidas de energía.
Los primeros sistemas eléctricos que utilizaron aisladores fueron las líneas telegráficas ; Se descubrió que la fijación directa de cables a postes de madera daba muy malos resultados, especialmente durante el tiempo húmedo.
Los primeros aisladores de vidrio utilizados en grandes cantidades tenían un orificio sin rosca. Estos trozos de vidrio se colocaron sobre un pasador de madera ahusado, que se extendía verticalmente hacia arriba desde la cruceta del poste (comúnmente solo dos aisladores por poste y tal vez uno encima del propio poste). La contracción y expansión natural de los cables atados a estos "aisladores sin rosca" provocaron que los aisladores se soltaran de sus clavijas, lo que requería volver a colocarlos manualmente.
Entre las primeras en producir aisladores cerámicos se encontraban empresas del Reino Unido: Stiff y Doulton utilizaron gres desde mediados de la década de 1840, Joseph Bourne (más tarde rebautizado como Denby ) los produjo alrededor de 1860 y Bullers a partir de 1868. La patente de utilidad número 48.906 se concedió a Louis A. Cauvet el 25 de julio de 1865 por un proceso para producir aisladores con orificio roscado: los aisladores de tipo pasador 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 las líneas de transmisión alcanzaron y superaron los 60.000 voltios, los aisladores necesarios se volvieron muy grandes y pesados, siendo los aisladores fabricados para un margen de seguridad de 88.000 voltios aproximadamente el límite práctico para la fabricación e instalación. Los aisladores de suspensión, por otro lado, se pueden conectar en cadenas tan largas como lo requiera el voltaje de la línea.
Se han fabricado una gran variedad de aisladores para teléfonos, telégrafos 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 Aisladores de EE. UU., que cuenta con más de 9.000 miembros. [17]
A menudo, una antena de radiodifusión se construye como un radiador de mástil , lo que significa que toda la estructura del mástil se alimenta con alto voltaje y debe estar aislada del suelo. Se utilizan soportes de esteatita . No sólo deben soportar la tensión del radiador del mástil a tierra, que en algunas antenas puede alcanzar valores de hasta 400 kV, 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 alcanzan el mástil con frecuencia.
Los cables tensores que sostienen los mástiles de las antenas generalmente tienen aisladores de tensión insertados en el recorrido del cable, para evitar que los altos voltajes en la antena produzcan cortocircuitos a tierra o creen un riesgo de descarga eléctrica. A menudo, los cables tensores tienen varios aisladores, colocados para dividir el cable en longitudes que eviten resonancias eléctricas no deseadas en los tensores. Estos aislantes suelen ser cerámicos y tienen forma cilíndrica o de huevo (ver imagen). Esta construcción tiene la ventaja de que la cerámica está sometida a compresión en lugar de tensión, por lo que puede soportar una carga mayor, y que si el aislante se rompe, los extremos del cable siguen unidos.
Estos aisladores también deben estar equipados con equipos de protección contra sobretensiones. Para las dimensiones del aislamiento de los tirantes, se deben considerar las cargas estáticas sobre los tirantes. 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, la mejor opción son los tensores que se conectan a tierra en los sótanos de anclaje mediante una bobina o, si es posible, directamente.
Las líneas de alimentación que conectan antenas a equipos de radio, particularmente de tipo bifilar , a menudo deben mantenerse alejadas de estructuras metálicas. Los soportes aislados utilizados para este fin se denominan aisladores de separación .
Los aisladores compuestos pueden resistir el viento y la lluvia y tienen un buen rendimiento de autolimpieza bajo el viento y la lluvia, por lo que es necesario verificar la contaminación solo una vez cada 4 a 5 años y requieren menos tiempo para la reparación y la interrupción del suministro eléctrico.
