Árbore eléctrica

En enxeñaría eléctrica, a árbore ou arborización é un fenómeno eléctrico previo á avaría no illamento sólido. É un proceso daniño por descargas parciais e que avanza a través do illamento dieléctrico, nun camiño que se asemella ás pólas dunha árbore (figuras de Lichtemberg). A árbore de illamento sólido de cables de alta tensión é un mecanismo común de avaría e fonte de fallas eléctricas nos cables subterráneos.^[1]

Descrición e causas[editar | editar a fonte]

A árbore eléctrica prodúcese primeiro e propágase cando un material dieléctrico seco está sometido a un campo eléctrico diverxente e elevado durante un longo período de tempo. Obsérvase que a árbore eléctrica se orixina en puntos nos que impurezas, baleiros de gas, defectos mecánicos ou proxeccións condutoras provocan un estrés excesivo de campo eléctrico dentro de pequenas rexións do dieléctrico. Isto pode ionizar gases dentro dos ocos dentro do dieléctrico, creando pequenas descargas eléctricas entre as paredes do oco. Unha impureza ou defecto pode mesmo producir a ruptura parcial do propio dieléctrico sólido. A luz ultravioleta e o ozono destas descargas parciais (PD) reaccionan despois co dieléctrico próximo, descompoñendo e degradando aínda máis a súa capacidade illante. Os gases adoitan liberarse a medida que o dieléctrico se degrada, creando novos baleiros e fendas. Estes defectos debilitan aínda máis a forza dieléctrica do material, aumentan a tensión eléctrica e aceleran o proceso de PD.^[2]

Árbores de auga e árbores eléctricas[editar | editar a fonte]

En presenza de auga, dentro do dieléctrico de polietileno usado en cables de alta tensión enterrados ou mergullados en auga pódese formar unha estrutura en forma de penacho 3D difusa e parcialmente condutora, chamada árbore de auga.^[3] Sábese que a pluma ou penacho consiste nunha densa rede de canles moi pequenos cheos de auga que están definidos pola estrutura cristalina nativa do polímero. As canles individuais son extremadamente difíciles de ver usando o aumento óptico, polo que o seu estudo adoita requirir o uso dun microscopio electrónico de varrido (SEM, polas siglas en inglés).^[4]

As árbores de auga comezan como unha rexión microscópica preto dun defecto. Logo medran baixo a presenza continua dun campo eléctrico elevado e auga. As árbores de auga poden crecer ata o punto no que unen a capa de terra exterior ata o condutor central de alta tensión, momento no que o estrés se redistribúe polo illamento. As árbores de auga xeralmente non son un problema de fiabilidade a menos que sexan capaces de iniciar unha árbore eléctrica.

Outro tipo de estrutura tipo árbore que se pode formar con ou sen a presenza de auga chámase árbore eléctrica. Tamén se forma dentro dun dieléctrico de polietileno (así como moitos outros dieléctricos sólidos). As árbores eléctricas tamén se orixinan onde as melloras do estrés a granel ou da superficie inician a avaría dieléctrica nunha pequena rexión do illamento. Isto dana permanentemente o material illante nesa rexión. A continuación, o crecemento das árbores prodúcese a través de pequenos eventos de avaría eléctrica adicionais (chamados descargas parciais). O crecemento das árbores eléctricas pode acelerarse por cambios rápidos de voltaxe. Ademais, os cables inxectados con DC de alta tensión tamén poden desenvolver árbores eléctricas ao longo do tempo a medida que as cargas eléctricas migran ao dieléctrico máis próximo ao condutor de alta tensión. A rexión de carga inxectada (chamada carga espacial) amplifica o campo eléctrico no dieléctrico, estimulando unha maior mellora do estrés e o inicio das árbores eléctricas como o lugar de melloras de tensión preexistentes. Dado que a propia árbore eléctrica normalmente é parcialmente condutora, a súa presenza tamén aumenta o estrés eléctrico na rexión entre a árbore e o condutor oposto.

A diferenza das árbores de auga, as canles individuais das árbores eléctricas son máis grandes e son máis fáciles de ver. ^[5] A árbore foi un mecanismo de falla a longo prazo para cables de alimentación de alta tensión illados en polímeros enterrados, informado por primeira vez en 1969. De xeito similar, as árbores 2D poden aparecer ao longo da superficie dun dieléctrico moi estresado ou nunha superficie dieléctrica que foi contaminada por po ou sales minerais. Co paso do tempo, estes rastros parcialmente condutores poden crecer ata provocar unha falla total do dieléctrico. O seguimento eléctrico, ás veces chamado bandas secas, é un mecanismo de falla típico dos illantes eléctricos que están sometidos a contaminación por pulverización de sal ao longo das costas. Os patróns ramificados 2D e 3D chámanse ás veces figuras de Lichtenberg.

Árbores eléctricas carbonizadas en 2D a través da superficie dunha placa de policarbonato que formaba parte dun trigatrón. Estes camiños de condución parcial provocaron finalmente unha avaría prematura e un fallo operativo do dispositivo

Utilidade en avarías[editar | editar a fonte]

A árbore eléctrica ou "figuras de Lichtenberg" tamén ocorren nos equipos de alta tensión xusto antes da avaría. Seguir estas liñas de Lichtenberg no illamento durante a investigación post-mortem do illamento roto pode ser útil para atopar a causa da avaría. Un enxeñeiro experimentado en alta tensión pode ver desde a dirección e o tipo de árbores e as súas ramas onde se situou a causa principal da avaría e posibelmente atopar a causa. Deste xeito pódense investigar de forma útil os transformadores avariados, os cables de alta tensión, os 'casquillos' illadores e outros dispotitivos; desenrólase o illamento (no caso de illamento de papel) ou córtase en rodelas finas (no caso de sistemas de illamento sólido), os resultados son bosquexados e fotografados e forman un arquivo útil do proceso de avaría.

Tipos de árbores eléctricas[editar | editar a fonte]

As árbores eléctricas pódense clasificar aínda máis dependendo dos diferentes patróns de árbores. Estes inclúen dendritas, tipo de rama, tipo de arbusto, espigas, cordas, lazos e árbores ventiladas. Os dous tipos de árbores máis comúns son as árbores de lazo e as árbores ventiladas.^[6]

Árbores de lazo: As árbores de lazo (ou de gravata de lazo) son árbores que comezan a crecer desde dentro do illamento dieléctrico e crecen simetricamente cara a fóra cara aos eléctrodos. Como as árbores comezan dentro do illamento, non teñen subministración de aire libre que permita o soporte continuo de descargas parciais. Así, estas árbores teñen un crecemento descontinuo, polo que as árbores de lazo normalmente non medran o tempo suficiente para cubrir por completo todo o illamento entre os eléctrodos, polo que non provocan fallos no illamento.

Árbores ventiladas: As árbores ventiladas son árbores que se inician nunha interface de illamento do eléctrodo e crecen cara ao eléctrodo oposto. Ter acceso ao aire libre é un factor moi importante para o crecemento das árbores ventiladas. Estas árbores son capaces de crecer continuamente até que sexan o suficientemente longas como para faceren ponte entre os eléctrodos, polo que provocan fallos no illamento.

Detección e localización de árbores eléctricas[editar | editar a fonte]

As árbores eléctricas poden ser detectadas e localizadas mediante medida de caudal parcial.

Como os valores de medición deste método non permiten unha interpretación absoluta, os datos recollidos durante o procedemento compáranse cos valores de medición do mesmo cable recollidos durante a proba. Isto permite unha clasificación sinxela e rápida da condición dieléctrica (novo, moi envellecido, defectuoso) do cable en proba.

Para medir o nivel de descargas parciais, 50-60 Hz ou ás veces un 0,1 sinusoidal, pódese utilizar voltaxe VLF (frecuencia moi baixa ) Hz. A tensión de encendido, un criterio de medición principal, pode variar máis do 100 % entre 50 e 60 Hz en comparación con 0,1 Hz VLF (frecuencia moi baixa). A fonte de AC sinusoidal na frecuencia de alimentación (50–60 Hz) segundo o obrigado polas normas IEEE 48, 404, 386 e as normas ICEA S-97-682, S-94-649 e S-108-720. Os modernos sistemas de detección de PD empregan un software de procesamento de sinal dixital para a análise e visualización dos resultados das medicións.

Unha análise dos sinais de PD recollidos durante a medición co equipo axeitado pode permitir a gran maioría da localización dos defectos de illamento. Normalmente móstranse nun formato de cartografía de descarga parcial. Pódese obter información útil adicional sobre o dispositivo en proba dunha representación relacionada coa fase das descargas parciais.

Un informe de medición suficiente contén:

Pulso de calibración (segundo IEC 60270) e detección final
Ruído de fondo da disposición da medida
Tensión de inicio de descarga parcial PDIV
Nivel de descarga parcial a 1,7 Vo
Tensión de extinción de descarga parcial PDEV
Patrón de descarga parcial resolto por fases PRPD para a interpretación avanzada do comportamento da descarga parcial (opcional)