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 con mayor facilidad. La propiedad que distingue a un aislante es su resistividad ; los aislantes tienen mayor resistividad que los semiconductores o conductores. Los ejemplos más comunes son los no metales .
No existe un aislante perfecto porque incluso los aislantes contienen pequeñas cantidades 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 electrones de los átomos. Esto se conoce como ruptura eléctrica , y el voltaje en el que se produce se llama voltaje de ruptura de un aislante. Algunos materiales como el vidrio , el papel y el PTFE , que tienen alta resistividad , son muy buenos aislantes eléctricos. Una clase mucho más grande de materiales, aunque pueden tener una resistividad volumétrica menor, siguen siendo lo suficientemente buenos para evitar que fluya una corriente significativa a voltajes utilizados normalmente y, por lo tanto, se emplean como aislamiento para cableado y cables eléctricos. Los ejemplos incluyen polímeros similares al caucho y la mayoría de los plásticos que pueden ser termoendurecibles o termoplásticos por naturaleza.
Los aisladores se utilizan en equipos eléctricos para sostener y separar conductores eléctricos sin permitir que la corriente fluya a través de ellos. Un material aislante utilizado en grandes cantidades para envolver cables eléctricos u otros equipos se denomina aislamiento . El término aislador también se utiliza de forma más específica para referirse a los soportes aislantes utilizados para sujetar 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 materia 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 no hay tales estados disponibles, el material es un aislante.
La mayoría de los aislantes tienen una gran brecha de banda . 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 banda que está inmediatamente 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 que se excede este voltaje, se produce una ruptura eléctrica y el material deja de ser un aislante y deja pasar la 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 una sustancia aislante excede en cualquier punto el campo de ruptura umbral para esa sustancia, el aislante se convierte de repente en un conductor, lo que provoca un gran aumento de la corriente, un arco eléctrico a través de la sustancia. La ruptura eléctrica se produce 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 arrancar electrones de los átomos cuando chocan con ellos, ionizándolos . Estos electrones e iones liberados se aceleran a su vez 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 de 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 una ruta conductora 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 el arco de vacío implica cargas expulsadas desde la superficie de los electrodos metálicos en lugar de ser producidas por el vacío en sí.
Además, todos los aislantes se convierten en conductores a temperaturas muy altas, ya que la energía térmica de los electrones de valencia es suficiente para colocarlos en la banda de conducción. [1] [2]
En ciertos capacitores, 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 los cables y alambres eléctricos; este conjunto se denomina cable aislado . A veces, los cables no utilizan un revestimiento aislante, solo aire, cuando un revestimiento sólido (por ejemplo, plástico) puede resultar poco práctico. Los cables que se tocan entre sí producen conexiones cruzadas, cortocircuitos y peligros de incendio. En el cable coaxial, el conductor central debe estar apoyado precisamente en el medio del blindaje hueco para evitar reflejos de ondas electromagnéticas. Los cables que exponen altos voltajes pueden provocar descargas eléctricas y peligros de electrocución .
La mayoría de los productos de cables y alambres aislados tienen valores nominales máximos para voltaje y temperatura del conductor. Es posible que el producto no tenga un valor nominal de capacidad de corriente (capacidad de transporte de corriente), ya que esto depende del entorno circundante (por ejemplo, la temperatura ambiente).
En los sistemas electrónicos, las placas de circuitos impresos están hechas de plástico epoxi y fibra de vidrio. Las placas no conductoras sostienen capas de conductores de láminas de cobre. En los dispositivos electrónicos, los componentes activos diminutos y delicados están incrustados dentro de plásticos epoxi o fenólicos no conductores , o dentro de revestimientos de vidrio o cerámica cocidos.
En los componentes microelectrónicos, como los transistores y los circuitos integrados , el silicio es normalmente un material conductor debido al dopaje, pero puede transformarse fácilmente y 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 alta tensión que contienen transformadores y condensadores , el aceite aislante líquido es el método típico que se utiliza para prevenir los arcos eléctricos. El aceite sustituye al aire en espacios que deben soportar un voltaje significativo sin que se produzcan cortes eléctricos . Otros materiales de aislamiento para sistemas de alta tensión incluyen soportes de cables de cerámica o vidrio, gas, vacío y simplemente colocar los cables lo suficientemente separados para utilizar el aire como aislante.
El material aislante más importante es el aire. En los aparatos eléctricos también se utilizan diversos aislantes sólidos, líquidos y gaseosos . En transformadores , generadores y motores eléctricos más pequeños , el aislamiento de las bobinas de cable consta de hasta cuatro capas finas de película de barniz de polímero. El cable magnético aislado con película permite a un fabricante obtener el número máximo de vueltas dentro del espacio disponible. Los devanados que utilizan conductores más gruesos suelen estar envueltos con cinta aislante de fibra de vidrio complementaria . Los devanados también pueden estar impregnados con barnices aislantes para evitar la corona eléctrica y reducir la vibración del cable inducida magnéticamente. Los devanados de los transformadores de potencia grandes todavía se aíslan principalmente con papel , madera, barniz y aceite mineral ; aunque estos materiales se han utilizado durante más de 100 años, todavía proporcionan un buen equilibrio entre economía y rendimiento adecuado. Las barras colectoras y los disyuntores en los cuadros de distribución pueden estar aislados con aislamiento de plástico reforzado con vidrio, tratado para tener una baja propagación de la llama y para evitar el seguimiento de la corriente a través del material.
En los aparatos más antiguos fabricados hasta principios de los años 1970, se pueden encontrar placas hechas de amianto comprimido; si bien este es un aislante adecuado a frecuencias de energía, la manipulación o las reparaciones de material de amianto pueden liberar fibras peligrosas al aire y deben realizarse con precaución. El cable aislado con amianto en fieltro se utilizó en aplicaciones de alta temperatura y condiciones extremas a partir de los años 1920. General Electric vendió este tipo de cable bajo el nombre comercial "Deltabeston". [6]
Hasta principios del siglo XX, los cuadros eléctricos con frente vivo estaban hechos de pizarra o mármol. Algunos equipos de alta tensión están diseñados para funcionar dentro de un gas aislante de alta presión, como el hexafluoruro de azufre . Los materiales de aislamiento que funcionan bien en frecuencias altas y bajas pueden resultar insatisfactorios en frecuencias de radio , debido al calentamiento por disipación dieléctrica excesiva.
Los cables eléctricos pueden aislarse 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 el PVC (cloruro de polivinilo), para aislar el circuito y evitar el contacto humano con un cable "activo", es decir, con un voltaje de 600 voltios o menos. Es probable que se utilicen cada vez más materiales alternativos debido a que la legislación de la UE en materia de seguridad y medio ambiente hace que el PVC sea menos económico.
En aparatos eléctricos como motores, generadores y transformadores se utilizan diversos sistemas de aislamiento , clasificados según su temperatura máxima de trabajo recomendada para lograr una vida útil aceptable. Los materiales varían desde tipos de papel mejorados hasta compuestos inorgánicos.
Todos los dispositivos eléctricos portátiles o de mano están aislados para proteger a su usuario contra descargas eléctricas 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 que se conecta 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 . Esto se utiliza en algunos aparatos como las afeitadoras eléctricas, los secadores de pelo y las herramientas eléctricas portátiles. El doble aislamiento requiere que los dispositivos tengan tanto aislamiento básico como complementario, cada uno de los cuales es suficiente para evitar descargas eléctricas . Todos los componentes internos que reciben energía eléctrica están totalmente encerrados dentro de un cuerpo aislado que evita cualquier contacto con partes "activas". En la UE , todos los aparatos con doble aislamiento están marcados con un símbolo de dos cuadrados, uno dentro del otro. [7]
Los conductores para la transmisión de energía eléctrica de alto voltaje por vía aérea están desnudos y están aislados por el aire circundante. Los conductores para voltajes más bajos en la distribución pueden tener algún aislamiento, pero a menudo también están desnudos. Se requieren soportes aislantes en los puntos donde están sostenidos 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 aislarlo de la caja. A menudo, estos son bujes , 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 están cubiertos con un esmalte suave para repeler el agua. Los aisladores hechos de porcelana rica en alúmina se utilizan donde la alta resistencia mecánica es un criterio. La porcelana tiene una rigidez dieléctrica de aproximadamente 4-10 kV/mm. [8] El vidrio tiene una rigidez dieléctrica más alta, pero atrae la condensación y las formas irregulares gruesas necesarias para los aisladores son difíciles de moldear sin tensiones internas. [9] 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. Estos suelen estar compuestos por una varilla central hecha de plástico reforzado con fibra y una cubierta exterior hecha de caucho de silicona o caucho de etileno propileno dieno monómero ( EPDM ). Los aisladores compuestos son menos costosos, más livianos y tienen excelentes propiedades hidrófobas . Esta combinación los hace ideales para el servicio en áreas contaminadas. [10] Sin embargo, estos materiales aún no tienen la vida útil comprobada a largo plazo del vidrio y la porcelana.
La avería eléctrica de un aislante debido a un voltaje excesivo puede ocurrir de una de dos maneras:
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 producen descargas disruptivas antes de perforarse, para evitar daños.
La suciedad, la contaminación, la sal y, en particular, el agua sobre la superficie de un aislador de alta tensión pueden crear una ruta conductora a través de ella, lo que provoca corrientes de fuga y descargas disruptivas. La tensión de descarga disruptiva se puede reducir en más del 50% cuando el aislador está húmedo. Los aisladores de alta tensión 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. [11] Para lograr esto, la superficie se moldea en una serie de corrugaciones o formas de disco concéntrico. Estas suelen incluir uno o más cobertizos ; superficies en forma de copa orientadas hacia abajo que actúan como paraguas para garantizar que la parte de la ruta de fuga de la superficie debajo de la "copa" permanezca seca en clima húmedo. Las distancias de fuga mínimas son de 20 a 25 mm/kV, pero deben aumentarse en áreas con alta contaminación o 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 pasador no son adecuados para voltajes superiores a aproximadamente 69 kV de línea a línea. Las líneas de transmisión de voltaje más alto generalmente utilizan diseños de aisladores de suspensión modular. Los cables están suspendidos de una "cadena" de aisladores idénticos en forma de disco que se unen entre sí con pasadores de horquilla de metal 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 las unidades básicas. Los aisladores de cadena se pueden hacer para cualquier voltaje de transmisión práctico agregando elementos aisladores a la cadena. [14] Además, si una de las unidades aisladoras en la cadena se rompe, se puede reemplazar sin descartar toda la cadena.
Cada unidad está construida con un disco de cerámica o vidrio con una tapa de metal y un pasador cementados en lados opuestos. Para que las unidades defectuosas sean evidentes, las unidades de vidrio están diseñadas de modo que una sobretensión provoque un arco de perforación a través del vidrio en lugar de una descarga disruptiva. El vidrio se trata térmicamente para que se rompa, lo que hace 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 aisladores 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 clasificadas para un voltaje de operación de 10 a 12 kV. [15] 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 través de la cadena, sino que es más fuerte en el disco más cercano al conductor, que se descarga 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 de corona . [16] Estos suelen consistir en toros de aluminio (más comúnmente) o tubos de cobre unidos a la línea. Están diseñados para reducir el campo eléctrico en el punto donde el aislador está unido a la línea, para evitar la descarga de corona , que produce pérdidas de potencia.
Los primeros sistemas eléctricos que utilizaron aisladores fueron las líneas telegráficas ; se descubrió que la conexión directa de cables a postes de madera daba resultados muy pobres, especialmente en climas húmedos.
Los primeros aisladores de vidrio que se utilizaron en grandes cantidades tenían un orificio sin rosca. Estos trozos de vidrio se colocaban sobre un pasador de madera cónico que se extendía verticalmente hacia arriba desde el brazo transversal del poste (normalmente solo había dos aisladores por poste y quizás uno encima del poste mismo). La contracción y expansión naturales de los cables atados a estos "aisladores sin rosca" hacían que los aisladores se desencajaran de sus pasadores, lo que requería volver a colocarlos manualmente.
Entre las primeras empresas en producir aisladores cerámicos se encontraban empresas del Reino Unido: Stiff y Doulton utilizaban gres desde mediados de la década de 1840, Joseph Bourne (más tarde rebautizado como Denby ) los producía alrededor de 1860 y Bullers desde 1868. La 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 un orificio roscado: los aisladores de tipo pasador todavía tienen orificios roscados.
La invención de los aisladores de suspensión hizo posible la transmisión de energía de alto voltaje. A medida que los voltajes de las líneas de transmisión alcanzaban y superaban los 60.000 voltios, los aisladores necesarios se volvieron muy grandes y pesados, y los aisladores fabricados para un margen de seguridad de 88.000 voltios eran aproximadamente el límite práctico para la fabricación e instalación. Los aisladores de suspensión, por otro lado, se pueden conectar en cadenas de la longitud necesaria para el voltaje de la línea.
Se han fabricado una gran variedad de aisladores para teléfonos, telégrafos y electricidad; 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 Estados Unidos, que cuenta con más de 9000 miembros. [17]
A menudo, las antenas de radiodifusión se construyen como radiadores de mástil , lo que significa que toda la estructura del mástil recibe corriente de alta tensión y debe estar aislada del suelo. Para ello, se utilizan soportes de esteatita . Estos 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. Los pararrayos y las bocinas de arco son necesarios porque los rayos caen con frecuencia sobre el mástil.
Los cables tirantes que sostienen los mástiles de antena suelen tener aisladores de tensión insertados en el recorrido del cable para evitar que los altos voltajes de la antena provoquen cortocircuitos a tierra o un peligro de descarga eléctrica. A menudo, los cables tirantes tienen varios aisladores, colocados para dividir el cable en longitudes que eviten resonancias eléctricas no deseadas en el cable. Estos aisladores suelen ser de cerámica y cilíndricos o con 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 que, si el aislador 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 las riendas, se deben tener en cuenta las cargas estáticas en las riendas. En el caso de los mástiles altos, estas pueden ser mucho más altas que la tensión provocada por el transmisor, por lo que es necesario dividir las riendas mediante aisladores en varias secciones en los mástiles más altos. En este caso, las riendas que se conectan 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 las de doble conductor , a menudo deben mantenerse a cierta distancia de las estructuras metálicas. Los soportes aislados que se utilizan para este fin se denominan aisladores de separación .
pueden soportar viento y lluvia y tienen un buen rendimiento de autolimpieza bajo viento y lluvia, por lo que necesitan revisión de contaminación solo una vez cada 4 a 5 años y requieren menos tiempo para la reparación y la interrupción del suministro eléctrico.
