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PROYECTO FIN DE CARRERA
Validación de Aisladores de Alta Tensión, 1,8kV, como Soportes Estructurales y
Conductores Térmicos Compatibles con el Entorno Espacial
AUTOR: Ramón Arroyo de la Fuente
MADRID, Julio 2008
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL
Autorizada la entrega del proyecto del alumno/a:
Ramón Arroyo de la Fuente
EL DIRECTOR DEL PROYECTO
Fernando Pérez Gracia
Fdo.: Fecha:
Vº Bº del Coordinador de Proyectos
José Ignacio Linares Hurtado
Fdo.: Fecha:
Agradecimientos
En primer lugar agradecer a mi familia y en particular a mi hermana,
Raquel, su gran colaboración en forma de apoyo y ánimo a lo largo del
desarrollo del proyecto, y en especial en el tramo final del mismo.
Agradecer también a la Fundación Rafael Escolá por la oportunidad
brindada de realizar un proyecto con la colaboración de la Empresa de
Electrónica Española y por los medios ofrecidos, aunque no siempre
aprovechados.
Abstract
I
Autor: Ramón Arroyo de la Fuente
Director: Fernando Pérez Gracia
Entidades colaboradoras: Fundación Rafael Escolá
Empresa de Electrónica Española
Abstract
El presente proyecto tiene como objetivo la validación de unos
aisladores comerciales de alta tensión fabricados por Ceramic Seals S.L.
para su aplicación en el entorno espacial. Concretamente, su aplicación se
encuentra dentro del equipo que está siendo desarrollado por la Empresa de
Electrónica Española para el nuevo sistema de propulsión eléctrica que La
Agencia Espacial Europea está desarrollando. El equipo de la Empresa de
Electrónica Española es la unidad de control y alimentación de los motores
de propulsión iónica. Estos motores necesitan para desarrollar el empuje ser
alimentados con alta tensión, 1.8kV.
Los aisladores, por lo tanto, estarán sometidos a una tensión de
funcionamiento de 1,8kV, pero además deberán trabajar como soportes
estructurales y deberán ser buenos conductores térmicos.
La necesidad surge porque no existe en el mercado un componente
diseñado para que reúna dichas características. Por lo que se ha tenido que
seleccionar un aislador comercial de alta tensión que, por los materiales y la
Abstract
II
tecnología utilizada en su fabricación, parece el mejor candidato para
desempeñar tales tareas.
El problema aparece porque no están diseñados con el objetivo de
ser soportes estructurales ni conductores térmicos, por lo que resulta
necesario validar su utilización en dicho proyecto realizando una serie de
estudios y ensayos.
La función de soporte estructural surge de la solución de diseño
adoptada por la empresa para trabajar con alta tensión. Se decidió construir
un módulo de alta tensión del resto de los circuitos y componentes
electrónicos. Dicho módulo debe estar anclado y aislado a la estructura del
equipo. Esta son pues dos tareas que deben desempeñar los aisladores:
soportar y aislar el módulo de alta tensión de la estructura.
La función de conductor térmico se debe a que la única manera de
poder disipar el calor generado por los componentes es por conducción
térmica. Al estar el módulo de alta tensión conectado a la estructura exterior
únicamente a través de los aisladores, deben ser éstos los encargados de
conducir al exterior la potencia calorífica generada en el interior de dicho
módulo.
Para poder llevar a cabo la validación, se ha realizado una primera
fase de documentación en busca de información sobre los fundamentos de
los materiales aisladores, para conocer cuales son las propiedades más
importantes, sus aplicaciones, los fenómenos que pueden darse, etc. Se han
Abstract
III
consultado diferentes manuales de diseño de aislamiento de alta tensión en
espacio, así como artículos publicados, para conocer cuales son los límites
de diseño con los que se trabajan en el sector, los materiales más usados,
etc. Se ha consultado también diversas bibliografías para poder recopilar
información sobre los tipos de test a los que deben ser sometidos los
componentes utilizados para el espacio. Información sobre duración,
secuencia, criterios de aceptación, etc., necesarios para confeccionar el plan
de validación.
En una segunda fase, se han realizado simulaciones de campo
eléctrico, térmicas y mecánicas con programas de elementos finitos, para
comprobar los valores que se pueden alcanzar y verificar que podrán ser
soportados por el aislador.
Finalmente, se ha confeccionado una campaña de pruebas para su
validación.
Abstract
IV
Abstract
This project aims to validate some commercial high voltage insulators
manufactured by Ceramic Seals SL for application in the space environment.
Specifically, its implementation is within the equipment being developed by
the Electronics Corporation Spanish for the new electric propulsion system
that the European Space Agency is developing. The equipment from the
Spanish Electronics Company is the power supply and control unit of ion
propulsion engines. These engines need to develop the thrust being fed with
high voltage, 1,8kV. The insulators, therefore, shall be subjected to an
operating voltage of 1, 8 kV, but also must work as structural supports and
should be good heat conductor.
The need arises because it does not exist a component designed to
meet those characteristics. That’s the reason why they had selected a
commercial high voltage insulator that, for materials and technology used in
its manufacture, it seems to be the best candidate to perform such tasks.
The problem appears because they are not designed with the goal of
being structural support or heat conductors, making it necessary to validate
its use in this project, making a series of studies and tests.
The role of support stems from the structural design solution adopted
by the company for working with high voltage. It was decided to build a high-
voltage module from the rest of the circuits and electronic components. This
Abstract
V
module must be isolated and anchored to the structure of the team. This is
because two tasks to be played insulators: handle and isolate the form of
high voltage of the structure.
The role of thermal driver is because the only way to dissipate the
heat generated by components is by thermal conduction. Being the form of
high tension connected to the exterior structure only through insulators, they
must be responsible for driving to the external the heat generated in the
inside of the module.
In order to carry out validation, it was made an initial stage of
documentation for information on the basis of materials insulators, to know
what are the most important properties, their applications, phenomena’s that
may occur, and so on. It has been consulted various manuals of insulation
design of high voltage in space, as well as articles published, to know what
are the limits of design, materials, etc., being used in the sector. It was also
consulted various bibliographies in order to gather information on different
types of tests to be performed to the component that is going to be used in
space. Reports on time, sequence, acceptance criteria and so on. Needed to
make the plan validation.
In a second phase, simulations have been performed for electric field,
thermal and mechanical study. It was used a finite element program to check
the values that are achievable and verify that may be stood by the insulator.
Abstract
VI
Finally, a campaign of tests had been developed for the validation of
the component.
Tabla de Contenidos
1
Tabla de Contenidos
1. Introducción........................................................................................... 14
1.1 Posición del Proyecto..................................................................... 16
1.2 Importancia Industrial ..................................................................... 18
1.3 Objetivo del Proyecto ..................................................................... 27
1.4 Marco de Realización..................................................................... 29
1.5 Contenido del Proyecto .................................................................. 29
2. Análisis de la Tecnología ...................................................................... 31
2.1 Fundamentos de los Aisladores ..................................................... 33
2.1.1 Gases de Aislamiento ............................................................. 34
2.1.1.1 Teoría de la Ruptura del Gas ...............................................35
2.1.1.1.1 Ley de Paschen ............................................................37
2.1.1.2 Efecto Penning .....................................................................39
2.1.1.3 Gases Presurizados .............................................................40
2.1.2 Líquidos Dieléctricos ............................................................... 41
2.1.2.1 Efectos .................................................................................42
2.1.2.1.1 Efectos de la Temperatura ...........................................42
2.1.2.1.2 Efecto de la Humedad ..................................................43
2.1.2.1.3 Gas Disuelto .................................................................44
2.1.2.2 Aplicaciones .........................................................................44
2.1.3 Aisladores Sólidos................................................................... 45
2.1.3.1 Propiedades de los materiales .............................................46
2.1.3.1.1 Resistencia ...................................................................47
2.1.3.2 Información para la Selección del Material...........................48
2.1.3.2.1 Rigidez Dieléctrica ........................................................48
2.1.3.2.2 Vida del Aislamiento .....................................................52
2.1.3.3 Flashover Superficial ............................................................55
2.1.3.3.1 Influencia de la temperatura .........................................56
2.1.3.3.2 Influencia de la frecuencia ............................................57
Tabla de Contenidos
2
2.2 Criterios de Diseño en Alta Tensión............................................... 59
2.2.1 Defectos comunes .................................................................. 59
2.2.2 Recomendaciones .................................................................. 61
2.2.3 Criterios de Diseño.................................................................. 62
2.2.4 Comentarios............................................................................ 63
2.3 Tests .............................................................................................. 64
2.3.1 Tests de Alta Tensión ............................................................. 65
2.3.1.1 PD Testing............................................................................65
2.3.1.1.1 Equipo ..........................................................................66
2.3.1.1.2 Esquema Setup ............................................................68
2.3.1.1.3 Interpretación de las PD ...............................................69
2.3.1.1.4 Algunos diagnósticos de PD.........................................69
2.3.1.2 Dielectric Withstand Voltage Test (DWV).............................76
3. Requerimientos ..................................................................................... 77
3.1 Condiciones del Espacio ................................................................ 79
3.1.1 Fenómenos ............................................................................. 79
3.1.1.1 Corona .................................................................................79
3.1.1.2 Rayos Cósmicos y Efectos de la Radiación .........................81
3.1.1.3 Plasma del Espacio..............................................................82
3.2 Normativa....................................................................................... 84
3.2.1 Tests de Inspección ................................................................ 85
3.2.2 Pruebas de Descarga Parcial (nivel de módulo o equipo) ...... 87
3.2.3 Prueba de Evaluación a Nivel de Componente o Módulo ....... 89
3.3 Condiciones Negociadas en Oferta................................................ 92
3.3.1 Componentes.......................................................................... 92
3.3.2 Restricciones a las pruebas requeridas en el [Ref. 23] (excepto
la potted modules HV)........................................................................... 94
4. Descripción del Aislador Estudiado ....................................................... 97
4.1 Descripción del aislador ............................................................... 102
4.1.1 Materiales ............................................................................. 105
Tabla de Contenidos
3
4.1.1.1 Alúmina 97.6% ...................................................................105
4.1.1.2 Copper Oxigen Free High Conductivity (Cu OFHC) ...........123
4.1.2 Tipo de Unión........................................................................ 132
5. Simulaciones ....................................................................................... 138
5.1 Software de Simulación................................................................ 140
5.2 Modelo de Simulación.................................................................. 143
5.3 Campo Eléctrico........................................................................... 146
5.3.1 Configuración........................................................................ 146
5.3.1.1 Modelo de Trabajo .............................................................146
5.3.1.2 Parámetros de Estudio.......................................................147
5.3.1.3 Mallado...............................................................................148
5.3.1.4 Condiciones de Contorno...................................................151
5.3.2 Resultados ............................................................................ 152
5.4 Térmico ........................................................................................ 158
5.4.1 Configuración........................................................................ 159
5.4.1.1 Modelo de Trabajo .............................................................159
5.4.1.2 Parámetros de Estudio.......................................................159
5.4.1.3 Mallado...............................................................................161
5.4.1.4 Condiciones de Contorno...................................................164
5.4.2 Resultados ............................................................................ 166
5.4.2.1 Térmicos.............................................................................166
5.4.2.2 Estático...............................................................................177
5.5 Mecánico...................................................................................... 185
5.5.1 Configuración........................................................................ 186
5.5.1.1 Modelo de Trabajo .............................................................186
5.5.1.2 Parámetros de Estudio.......................................................187
5.5.1.3 Mallado...............................................................................188
5.5.1.4 Condiciones de Contorno...................................................189
5.5.2 Resultados ............................................................................ 192
6. Plan de Pruebas.................................................................................. 198
Tabla de Contenidos
4
6.1 Preparación y Manipulación de las Muestras............................... 201
6.1.1 Limpieza................................................................................ 201
6.1.2 Manipulación......................................................................... 203
6.1.3 Serialización.......................................................................... 203
6.2 Pruebas........................................................................................ 207
6.2.1 Pruebas Eléctricas ................................................................ 209
6.2.1.1 Resistencia Eléctrica ..........................................................210
6.2.1.2 Descargas Parciales ..........................................................211
6.2.1.3 Ruptura del Dieléctrico .......................................................212
6.2.2 Térmicas ............................................................................... 213
6.2.3 Mecánicas............................................................................. 216
6.2.3.1 Dureza................................................................................216
6.2.3.2 Tracción..............................................................................222
6.2.3.3 Flexión................................................................................229
6.2.4 Ensayo de Vida..................................................................... 231
7. Conclusiones....................................................................................... 233
7.1.1 Campo Eléctrico.................................................................... 235
7.1.2 Térmico ................................................................................. 244
7.1.3 Mecánico............................................................................... 245
8. Presupuesto ........................................................................................ 246
8.1 Presupuesto General ................................................................... 248
8.2 Presupuesto Detallado................................................................. 251
Bibliografía ................................................................................................. 259
Lista de Ilustraciones
5
Lista de Ilustraciones
Figura 1. Ejemplos de motores de propulsión iónica. [Ref. 30] ....................20
Figura 2. Esquema de motor iónico basado en el efecto Hall. [Ref. 30] .......21
Figura 3. Esquema de un gridded ion thruster [Ref. 1] .................................21
Figura 4. QinetiQ T6 Ion Thruster. [Ref. 1] ...................................................23
Figura 5. XFCU (Xenon Flow Control Unit). [Ref. 1] .....................................23
Figura 6. Diagrama de bloques de la PSCU. [Ref. 1] ...................................24
Figura 7. Configuración del sistema de propulsión de AlphaBus [R1] ..........25
Figura 8. Representación de orientación del montaje de los aisladores.......28
Figura 9. Representación de orientación del montaje de los aisladores.......28
Figura 10. Curva Tensión-Intensidad de ionización y ruptura de un gas
con campo eléctrico uniforme. [Ref. 17] ..................................36
Figura 11. Tensión de ruptura de gases puros en función de la presión
y el espacio. [Ref. 17]..............................................................39
Figura 12. Influencia de la Tª sobre la conductividad del dieléctrico.
[Ref. 7].....................................................................................43
Figura 13. Influencia de la temperatura sobre la rigidez dieléctrica..............50
Figura 14. Influencia de la HR sobre la rigidez dieléctrica............................51
Figura 15. Influencia del espesor sobre la rigidez dieléctrica. ......................51
Figura 16. Influencia del área activa del dieléctrico......................................52
Figura 17. Influencia de la temperatura en la vida del aislamiento...............53
Figura 18. Definición de creepage. [Ref. 17] ................................................56
Lista de Ilustraciones
6
Figura 19. Efecto de la frecuencia sobre la resistencia a “flashovers”..........57
Figura 20. Setup genérico del ensayo de PD. ..............................................68
Figura 21. Ejemplo de la señal en forma de elipse. [Ref. 4] .........................69
Figura 22. Descarga básica de corona. [Ref. 5] ...........................................80
Figura 23. Efecto bipolar provocado por la radiación. [Ref. 5]......................81
Figura 24. Variación de la tensión de ruptura del plasma con la
densidad. [Ref. 5] ....................................................................83
Figura 25. Tabla de requisitos del ensayo PD de la normativa [Ref. 19] ......88
Figura 26. Sello de certificación. [Ref. 39] ..................................................102
Figura 27. Recorrido de que dificulta la avalancha de e-. [Ref. 39] ............103
Figura 28. Ilustración del aislador. [Ref. 39] ...............................................103
Figura 29. Boceto del aislador. [Ref. 39] ....................................................104
Figura 30. Muestra de corindón..................................................................106
Figura 31. Proceso de obtención de alúmina. [Ref. 42]..............................115
Figura 32. Cadena de producción de alúmina de la empresa Aluar.
[Ref. 42].................................................................................119
Figura 33. Conductividad eléctrica del Cu OFC. ........................................127
Figura 34. Distribución del contenido en oxígeno.......................................127
Figura 35. Ensayo de tracción. ...................................................................128
Figura 36. Comparación ductilidad del cobre. ............................................128
Figura 37. Soldadura TIG en ambiente húmedo. .......................................129
Figura 38. Maqueta de la isolation box inicial para pruebas de
vibraciones. ...........................................................................143
Figura 39. Vista dimétrica del modelo explosionado y sin explosionar.......144
Lista de Ilustraciones
7
Figura 40. Vista frontal del modelo explosionado y sin explosionar. ..........145
Figura 41. Vista isométrica del modelo de trabajo......................................146
Figura 42. Vista frontal del modelo para la simulación de campo
eléctrico. ................................................................................147
Figura 43. Parámetros de estudio del modelo............................................147
Figura 44. Modelo completo mallado..........................................................150
Figura 45. Mallado del Aislador de Alta Tensión. .......................................150
Figura 46. Mallado del Aire.........................................................................151
Figura 47. Condiciones de Contorno. .........................................................151
Figura 48. Distribución del campo eléctrico en el aislador..........................152
Figura 49. Distribución de campo eléctrico en la sección central del
aislador..................................................................................153
Figura 50. Representación de la distribución del potencial eléctrico. .........153
Figura 51. Distribución de campo eléctrico en la sección media del
modelo completo. ..................................................................154
Figura 52. Distribución potencial en la sección media frontal del
modelo...................................................................................155
Figura 53. Líneas de campo eléctrico.........................................................155
Figura 54. Líneas de campo eléctrico en el centro de la alúmina...............156
Figura 55. Líneas de campo eléctrico en la zona “b”..................................156
Figura 56. Líneas de campo eléctrico en la zona “a”..................................157
Figura 57. Vista isométrica y frontal del modelo mallado. ..........................162
Figura 58. Vista isométrica y frontal del mallado del aislador mallado. ......163
Lista de Ilustraciones
8
Figura 59. Vista isométrica e inferior del soporte superior de aluminio
mallado..................................................................................163
Figura 60. Vista isométrica y superior del soporte inferior de aluminio
mallado..................................................................................164
Figura 61. Condiciones del estudio térmico................................................165
Figura 62. Condiciones del estudio de solicitaciones térmicas...................165
Figura 63. Flujo de calor resultado de la simulación...................................166
Figura 64. Detalle del flujo de calor por las esquinas del modelo y
cambio de material. ...............................................................167
Figura 65. Variación de temperatura en los extremos del aislador con la
potencia calorífica. ................................................................168
Figura 66. Distribución de temperaturas en el modelo. ..............................168
Figura 67. Esquema de conducción térmica. .............................................170
Figura 68. Esquema simplificación de resistencias térmicas......................171
Figura 69. Comparativa de ∆T....................................................................177
Figura 70. Distribución de tensiones por gradiente térmico........................177
Figura 71. Tensión en función de la potencia calorífica..............................179
Figura 72. Distribución de desplazamientos del modelo. ...........................184
Figura 73. Deformación del modelo............................................................184
Figura 74. Modelo mallado de COSMOS. ..................................................186
Figura 75. Modelo del aislador. ..................................................................187
Figura 76. Control de mallado. ...................................................................188
Figura 77. Mallado del modela del aislador. ...............................................189
Figura 78. Restricciones de desplazamiento..............................................190
Lista de Ilustraciones
9
Figura 79. Condiciones de carga................................................................191
Figura 80. Distribución de tensiones en el modelo de COSMOS. ..............192
Figura 81. Vista en detalle de la zona con máximas tensiones. .................192
Figura 82. Distribución de desplazamientos en el modelo de COSMOS....194
Figura 83. Estado de tensiones del caso 1.................................................196
Figura 84. Estado de tensiones del caso 2.................................................196
Figura 85. Estado de tensiones del caso 3.................................................197
Figura 86. Desplazamientos del modelo ....................................................197
Figura 87. Maqueta ensayos de módulo. ...................................................204
Figura 88. Serialización de bolsa contenedora...........................................205
Figura 89. Croquis de preparación de la muestra a ensayar......................210
Figura 90. Croquis del setup de pruebas térmicas. ....................................214
Figura 91. Durómetro .................................................................................217
Figura 92. Indentador piramidal Vickers .....................................................220
Figura 93. Impronta piramidal de dureza Vickers .......................................220
Figura 94. Sobre el ensayo de Vicerks (tomado del estándar ASTM E-
92) .........................................................................................221
Figura 95. Curva tensión-deformación. ......................................................224
Figura 96. Boceto del ensayo de tracción ..................................................227
Figura 97. Croquis del setup del ensayo de tracción..................................228
Figura 98. Croquis ensayo de flexión. ........................................................229
Figura 99. Croquis montaje de la muestra..................................................230
Figura 100. Tensión de Ruptura del Aire en función de la distancia de
electrodos (cm)......................................................................239
Lista de Ilustraciones
10
Figura 101. Gráfico de las curvas de tensión simuladas. ...........................240
Figura 102. Gráfica con superposición de curvas de simulación y
tensión de ruptura. ................................................................241
Lista de Tablas
11
Lista de Tablas
Tabla 1. Aplicaciones de los Líquidos Dieléctricos. [Ref. 20] .......................44
Tabla 2. Propiedades de interés para materiales aislantes. [Ref. 17] ..........46
Tabla 3. Valores máximos de tres materiales de encapsulado ....................53
Tabla 4. Ventajas y desventajas del estado del dieléctrico. .........................58
Tabla 5. Límites de diseño. ..........................................................................63
Tabla 6. Tabla de características de algunos equipos de detección de
PD ...........................................................................................67
Tabla 7. Diagnósticos de PD tests. [Ref. 9] ..................................................75
Tabla 8. Tabla de propiedades de la alúmina 97.6%. [Ref. 39] .................120
Tabla 9.Propiedades del Cobre OFHC.......................................................131
Tabla 10. Valoración de los procesos de soldadura. ..................................134
Tabla 11. Características del software de cálculo. .....................................141
Tabla 12. Compatibilidad del software con los programas de diseño
CAD.......................................................................................141
Tabla 13. Detalles del mallado del estudio eléctrico...................................148
Tabla 14. Detalles de los controles de malla del estudio eléctrico. ............149
Tabla 15. Casos de simulación térmica......................................................160
Tabla 16. Segunda tanda de simulaciones térmicas. .................................161
Tabla 17. Detalles del mallado del estudio térmico. ...................................161
Tabla 18. Detalles de los controles de malla del estudio térmico. ..............162
Tabla 19. Diferencia de temperatura en el aislador. ...................................167
Tabla 20. Materiales que componen el modelo. .........................................170
Lista de Tablas
12
Tabla 21. Datos para los cálculos térmicos. ...............................................173
Tabla 22. Resultados de las resistencias térmicas.....................................174
Tabla 23. Resultados de la resistencia térmica total. .................................175
Tabla 24. Resultados de temperatura y resistencia térmica.......................176
Tabla 25. Tensiones en los puntos críticos. ...............................................178
Tabla 26. Tabla con las propiedades mecánicas de los materiales. ..........183
Tabla 27. Detalles del mallado del estudio mecánico.................................188
Tabla 28. Resultado de reacciones. ...........................................................193
Tabla 29. Cargas de aplicación ..................................................................194
Tabla 30. Relación entre ejes de los modelos............................................195
Tabla 31. Casos de carga para la 2ª Etapa................................................195
Tabla 32. Tensiones máximas....................................................................196
Tabla 33. Listado de piezas para el setup del ensayo de PD.....................210
Tabla 34. Listado de piezas para el setup de tracción................................228
Tabla 35. Listado de piezas para el setup de flexión..................................230
Tabla 36. Valores de campo en las zonas críticas a 1,8kV. .......................236
Tabla 37. Valores de campo en las zonas críticas a 3,6kV. .......................237
13
Capítulo 1 Introducción
14
1. Introducción
Capítulo 1 Introducción
15
A lo largo de todo este capítulo se pretende exponer tanto el marco
industrial en el que se encuentra el proyecto objeto de estudio como la
importancia industrial del mismo dentro del sector aeroespacial. Para ello se
realizará una breve y general introducción de la evolución histórica de las
exigencias, consumos y demás aspectos de los sistemas eléctricos y
electrónicos utilizados en los aviones y en los vehículos espaciales.
Una vez situados se definirá el objetivo que se pretende alcanzar, así
como el marco de realización del proyecto y el contenido general del mismo.
Capítulo 1 Introducción
16
1.1 Posición del Proyecto
Los sistemas eléctricos y electrónicos de los aviones han sido y
continúan siendo una cuestión controvertida desde el punto de vista del
funcionamiento y la fiabilidad desde los inicios de los desarrollos en los años
30 y 40. Durante la Segunda Guerra Mundial, los sistemas de alta tensión de
los aviones se limitaron a los radares, transmisores y a los sistemas de
generación y transformación de potencia. Para mantener el volumen y el
peso de los equipos eléctricos y electrónicos en niveles bajos y para evitar
excesivos ratios de fallos, se limitó el voltaje y la potencia en 10kV y 2.5kW.
Por ejemplo, uno de los factores más significativos de los equipos de aquella
época era el uso de contenedores presurizados o rellenos con aceite, con
valores de campo eléctrico muy conservadores, raramente sobrepasando los
800V/mm para conseguir prolongados periodos de vida. Basados en estos
márgenes, se fabricaban equipos simples, grandes y pesados con
razonables tiempos de vida. Como los vuelos tenían un periodo de duración
corto, se mantenía a un gran número de personas cualificadas reparando y
reemplazando aquellos equipos que no estaban operativos a medida que
iban fallando para ajustarse a las especificaciones. Esto suponía un alto
coste de mantenimiento.
Después de la Segunda Guerra Mundial, la tendencia de los
diseñadores de sistemas electrónicos fue la de añadir más electrónica para
mejorar las comunicaciones, navegación y control de los aviones a medida
Capítulo 1 Introducción
17
que las velocidades y la maniobrabilidad comenzaban a ser críticas para la
seguridad y la vulnerabilidad de los aviones.
Desde el final de la Segunda Guerra Mundial hasta los años 70 se
consiguieron significativos avances en la industria de la electrónica. Gran
parte de los pesados diseños de tubos de vacío fueron reemplazados por
PCBs (Printed Circuit Boards – Tarjetas de Circuitos Impresos) y otros
sistemas. Asimismo, se realizaron importantes avances en materiales
aisladores y procesos con los que conseguir incrementar las solicitaciones
eléctricas a 2kV/mm para misiones de alta duración como los satélites, y
mayores de 8kV/mm con un pico de tensión mayor de 40kV/mm para unos
pocos vuelos con una duración corta de la misión [Ref. 5].
En las últimas décadas, la aplicación de alta tensión en aviones y
satélites está experimentando un considerable avance. Los requerimientos
eléctricos y electrónicos están aumentando casi con el mismo ratio con el
que están disminuyendo los ratios de masa y volumen exigidos.
Esto hace que los requerimientos de diseño para sistemas eléctricos y
electrónicos destinados al uso aeroespacial necesiten de un mayor énfasis
en la selección y aplicación de adecuados materiales aislantes. A la hora de
realizar el análisis y evaluación del aislamiento eléctrico, se debe prestar
especial atención a los efectos generados por los ciclos de temperatura, la
alta concentración de componentes para la reducción del volumen de los
equipos, la larga duración de las misiones y la utilización de alta tensión.
Capítulo 1 Introducción
18
Para diversos vehículos espaciales se ha investigado el aislamiento
eléctrico y sus aplicaciones en equipos de alta tensión. Estas aplicaciones
incluyen sistemas de comunicación y sistemas experimentales para
vehículos espaciales tripulados y no tripulados, orbitales, y vehículos de
reentrada; y en sistemas eléctricos y electrónicos de los modernos aviones
comerciales.
1.2 Importancia Industrial
En la industria aeroespacial existe un requisito fundamental en todos
los proyectos que se llevan a cabo: la minimización del peso y volumen de
los equipos. El exceso de peso se traduce en la necesidad de una mayor
fuerza de empuje en el lanzamiento aumentando con ello el consumo de
combustible, los que conlleva a disponer de unos mayores depósitos. Esto
se traduce al final en un incremento de los costes de lanzamiento y de la
misión, por lo que fuertes inversiones en I+D+i son requeridas para
desarrollar las tecnologías existentes que ayuden a mejorar dichos aspectos,
entre otros.
Uno de los campos en los que se ha realizado una fuerte inversión es
en el de la propulsión de los satélites. Uno de los resultados obtenidos son
los motores de propulsión eléctrica, con los que se ha conseguido reducir
notablemente el tamaño y peso de los motores, así como la cantidad
necesaria de combustible (gas noble Xenón) gracias a su alto rendimiento.
Aunque de momento estos motores no van a sustituir a los motores de
Capítulo 1 Introducción
19
combustión en las fases de lanzamiento, serán de gran utilidad en aquellas
misiones de larga duración y de largos recorridos gracias a sus ventajosas
características de rendimiento, peso, volumen, potencia,… Ejemplo de estos
motores son el NSTAR (NASA’s Solar Electric Propulsión Technology
Application Readiness), ahora evolucionado a NEXT (NASA’s Evolutionary
Xenon Thruster), o el proyecto europeo HPEPS (High Power Electric
Propulsión System) [Ref. 1] [Ref. 3].
Los principios de los propulsores de iones se remontan a los
conceptos desarrollados por el físico alemán/austriaco Hermann Oberth,
quien publicó en 1929 su famosa obra “Ways to Spaceflight” (Wege zur
Raumschiffahrt). En ella dedica todo un capítulo a la energía y propulsión
eléctrica, donde expuso sus ideas sobre el ahorro másico con la utilización
de dicha tecnología, previó su utilización en vehículos espaciales y de
control de estabilidad, y abogó por la aceleración electrostática de gases
ionizados.
El primer trabajo realizado sobre propulsores de iones fue llevado a
cabo por Harold R. Kaufman en el año 1959, en las instalaciones de la
NASA Glenn. Era muy similar al diseño general del motor de propulsión
iónica alimentado con mercurio. Durante los años 60 se realizaron pruebas
suborbitales y en el año 1964, el motor fue enviado en un vuelo suborbital en
el SERT 1 (Space Electric Rocket Test 1). Funcionó correctamente durante
los 31 minutos previstos antes de terminar cayendo sobre la Tierra.
Capítulo 1 Introducción
20
Figura 1. Ejemplos de motores de propulsión iónica. [Ref. 30]
El estudio del propulsor basado en el efecto Hall fue desarrollado de
forma independiente por los EE.UU. y la URSS en la década de 50 y 60. Sin
embargo, sólo la antigua Unión Soviética desarrolló eficazmente un motor
basado en este efecto (ver Figura 2), mientras que los científicos de los
EE.UU. se centraron en el desarrollo de los gridded ion thrusters (ver Figura
3).
• Los motores basados en el efecto Hall llevan operativos desde
1972 en los satélites soviéticos. Hasta los 90 sólo se utilizaban
para la estabilización de los satélites en las direcciones Norte-Sur y
Este-Oeste. Alrededor de 100-200 motores completaron
exitosamente sus misiones sobre satélites soviéticos y rusos hasta
finales de los 90.
• El propulsor soviético fue introducido en Occidente en el año 1992,
después de que un grupo de especialistas en propulsión eléctrica,
Capítulo 1 Introducción
21
bajo el soporte de la Organización de Defensa de Misiles
Balísticos, visitara las instalaciones soviéticas.
Figura 2. Esquema de motor iónico basado en el efecto Hall. [Ref. 30]
Figura 3. Esquema de un gridded ion thruster [Ref. 1]
En satélites geoestacionarios de telecomunicaciones, la tecnología de
propulsión iónica de alto impulso específico (SI) puede reducir
significativamente la masa de combustible requerida para North South
Capítulo 1 Introducción
22
Station Keeping (NSSK), así como maniobras de elevación de órbita y
abandono de órbita al final de la vida del satélite. El ahorro en masa de
combustible resultante, que puede llegar a cientos de kilos, podría permitir
alargar la vida de la misión, reducir los costes del lanzamiento, alojar cargas
útiles mayores, o una combinación de estos beneficios.
Actualmente, la NASA está desarrollando un avanzado sistema de
propulsión iónica, proyecto conocido con el nombre de NEXT (NASA’s
Evolutionary Xenon Thruster) evolución del NSTAR (NASA’s Solar Electric
Propulsion Technology Application Readiness), para futuras misiones de
exploración del sistema solar. En paralelo está la Agencia Espacial Europea
(ESA – European Space Agency), que, en un esfuerzo por no perder la
posición dentro del mercado espacial, ha comenzado los predesarrollos del
HPEPS (High-Power Electric Propulsion System) para preparar la gama alta
de satélites avanzados, basados en AlphaBus, lo que será la nueva gran
plataforma europea para satélites de comunicaciones.
HPEPS, el sistema de propulsión eléctrica seleccionado por la ESA
como la mejor solución técnica para Alphabus, está constituido
principalmente por los tres siguientes equipos:
Capítulo 1 Introducción
23
• Motor de propulsión iónica desarrollado por QinetiQ (UK)
Figura 4. QinetiQ T6 Ion Thruster. [Ref. 1]
• Unidad de alimentación de combustible Xenón desarrollado por
Marotta (UK).
Figura 5. XFCU (Xenon Flow Control Unit). [Ref. 1]
Capítulo 1 Introducción
24
• Unidad de control y alimentación de potencia desarrollado por la
Empresa de Electrónica Española (E);
Figura 6. Diagrama de bloques de la PSCU. [Ref. 1]
El esquema del sistema de propulsión que llevarán estos satélites es
el que se puede ver en la Figura 7, donde se aprecia el número total de los
equipos mencionados que lo integran.
Capítulo 1 Introducción
25
Figura 7. Configuración del sistema de propulsión de AlphaBus [R1]
Cabe destacar la participación de la Empresa de Electrónica Española
con su equipo PSCU (Power Supply and Control Unit) encargado de
proporcionar la alimentación así como de controlar tanto al motor QinetiQ T6
Ion Thruster como el XFCU. Para el T6 Ion Thruster, la PSCU incluye tanto
la alimentación de alta y baja tensión como las corrientes asociadas y las
tensiones de alimentación de la telemetría. Para el XFCU incluye el
aislamiento, la medida de temperatura y el control preciso del flujo de xenón
para la propulsión. Asimismo, comprende la alimentación de alta tensión
(1800V) para la eyección de los rayos de iones.
Capítulo 1 Introducción
26
Estas funciones, junto con otras que llevan asociadas, aparecen
recogidas en el equipo que está siendo desarrollado por la Empresa de
Electrónica Española , basándose en la experiencia adquirida en el diseño,
desarrollo, fabricación y calificación de la IPCU (Ion Propulsion Control Unit),
unidad que está desarrollada para el satélite GOCE.
El equipo ha sido diseñado teniendo en cuenta, entre otras, la primera
de las premisas mencionadas al principio: minimizar el peso y el volumen.
No es difícil adivinar los problemas de aislamiento que surgen al situar
circuitos de alta tensión muy próximos a los de baja tensión. A ellos, hay que
añadir los correspondientes a la disipación de calor en las condiciones de
funcionamiento del equipo debido al calentamiento de los componentes. De
ahí la necesidad de realizar una correcta evaluación y selección de los
materiales aisladores que deberán cumplir también la función de soportes
estructurales y de conductores térmicos.
Capítulo 1 Introducción
27
1.3 Objetivo del Proyecto
Este proyecto tiene como objetivo principal el establecer un método
de validación de los aisladores comerciales de alta tensión desarrollados por
la empresa del Reino Unido Ceramic Seals, para ser utilizados en la unidad
de control y alimentación. Su función dentro de la unidad será la de
mantener aislado el módulo de alta tensión de la PSCU con respecto al resto
de los módulos electrónicos, así como la de soporte estructural y conductor
térmico para lo que en principio no está específicamente diseñado.
Para ello, se plantea realizar una valoración computacional del
aislador en las condiciones de trabajo a través de programas de cálculos por
elementos finitos, para más tarde elaborar un plan de pruebas a las que se
tendrá que someter el aislador con el fin de poder validar su aplicación.
El criterio utilizado por la empresa para la distribución de los circuitos
ha sido el de mantener separados los de alta tensión de los de baja tensión.
En la Figura 6 se puede apreciar el diagrama de bloques de la PSCU
mostrado en páginas anteriores.
El sistema de aislamiento del módulo de alta tensión consiste en una
doble jaula de Faraday:
• La primera de ellas contiene el módulo de alta tensión, que estará a
1800V;
Capítulo 1 Introducción
28
• La segunda de ellas contiene a la primera. Está anclada al chasis
del equipo y referida a tierra 0 V.
La interfaz mecánica utilizada para anclar la primera jaula a la
segunda son precisamente los aisladores de alta tensión. En la Figura 8 se
muestra una configuración representativa del montaje de las jaulas de
aislamiento y los aisladores.
Figura 8. Representación de orientación del montaje de los aisladores
Figura 9. Representación de orientación del montaje de los aisladores
Capítulo 1 Introducción
29
1.4 Marco de Realización
El proyecto tiene su marco de realización dentro de otro proyecto de
mayor envergadura que está siendo desarrollado por la Empresa de
Electrónica Española , consistente en el diseño, desarrollo, fabricación y
validación de la unidad electrónica de control y alimentación del sistema
HPEPS, la PSCU (Power Supply and Control Unit).
1.5 Contenido del Proyecto
Este proyecto pretende realizar un estudio de los aisladores de alta
tensión utilizados en el equipo que está siendo desarrollado por la Empresa
de Electrónica Española , la PSCU, para el sistema de propulsión eléctrica
HPEPS, con el objeto de validar la utilización del componente comercial para
espacio.
En primer lugar, se dará un repaso general al estado de la tecnología
en este campo, realizando un estudio general de los fundamentos de los
materiales aisladores, desde los gaseosos hasta los sólidos, con el objeto de
poder evaluar la correcta selección de los materiales seleccionados. Dentro
de este punto también se hablará de los diferentes criterios de diseño
encontrados en la bibliografía, desde los utilizados en los aisladores de alta
tensión de las redes eléctricas hasta los empleados en el aislamiento de alta
tensión en equipos electrónicos espaciales. Por último, se comentarán los
Capítulo 1 Introducción
30
tests que se deben realizar para garantizar la selección del material y el
desarrollo del aislamiento.
En segundo lugar, se realizarán los análisis correspondientes a los
requerimientos de la misión establecidos por el cliente para determinar
cuales serán los márgenes de funcionamiento tanto térmico como
estructural.
Una vez realizado el trabajo anterior, se dispondrá de la información
necesaria para poder realizar los análisis y llevar a cabo la evaluación de los
resultados. Por lo tanto, en la siguiente fase se realizarán las simulaciones
de campo eléctrico, térmico y estructural pertinentes, utilizando como
limitaciones los requerimientos del la misión. Se analizarán los resultados
obtenidos y se evaluará el diseño desarrollado.
Por último, se redactará un posible plan de pruebas para la validación
de los aisladores de alta tensión, que irán desde la caracterización del
material hasta las pruebas de alta tensión con el objeto de comprobar la
tensión máxima que soporta el material, tests de descargas parciales para la
detección de microporosidades, etc.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
31
2. Análisis de la Tecnología
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
32
En este capítulo se analizará el estado del arte, profundizando en los
temas de tipos de materiales de aislamiento, criterios de diseño y tests a
realizar para la evaluación del mismo.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
33
2.1 Fundamentos de los Aisladores
Se denomina aislante eléctrico al material con escasa conductividad
eléctrica, no existiendo cuerpos absolutamente aislantes o conductores, sino
mejores o peores conductores. Son materiales muy utilizados para evitar
cortocircuitos, forrando con ellos los conductores eléctricos para mantener
alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos. Los
materiales utilizados más frecuentemente son los plásticos y las cerámicas.
El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial
que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la
existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través
del material.
Un material aislante tiene una resistencia teóricamente infinita.
Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas
condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, aislante a temperatura
ambiente y bajo condiciones de frecuencia de la señal y potencia
relativamente bajas, puede convertirse en conductor. Por tanto, se aprecia
como las condiciones de funcionamiento afectan a las propiedades del
dieléctrico.
El dieléctrico se verá afectado por las condiciones ambiente, como la
temperatura o presión, que modificarán las propiedades del material, y por
las condiciones de funcionamiento y fabricación, como el campo eléctrico
aplicado o la superficie de los electrodos con los que están en contacto.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
34
Estos factores influyen fuertemente en la tensión de ruptura del material. Por
ello resulta necesario conocer y comprender las principales características
del los materiales aislantes así como los posibles fenómenos que pueden
darse y su comportamiento frente a los mismos.
En este apartado se repasarán, de forma muy general los
fundamentos de las diferentes formas de aislamiento que se pueden utilizar
así como los fenómenos que pueden sufrir cada uno de ellos. El estudio se
centra en los gases de aislamiento (definiendo la Teoría de la Ruptura del
Gas, el Efecto Penning y los Gases Presurizantes), los líquidos dieléctricos
(identificando sus efectos y aplicaciones principales) y los aisladores sólidos
(analizando sus propiedades, la información para la selección del material y
el Flashover Superficial).
2.1.1 Gases de Aislamiento
Existe mucha literatura escrita sobre la teoría de la ruptura del gas,
así como información muy útil obtenida a través de ensayos y estudios
analíticos. No obstante, se procede a analizar los estudios sobre gases de
aislamiento que se consideran de mayor relevancia a la hora de realizar el
estudio, como son la Teoría de la Ruptura del Gas, el Efecto Penning y los
Gases Presurizados.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
35
2.1.1.1 Teoría de la Ruptura del Gas
Cuando se aplica un potencial eléctrico a un gas se puede medir una
pequeña corriente de prerruptura. Esto se debe a los electrones libres y a los
iones generados por la radiación del entorno de materiales radiactivos o
rayos cósmicos. Con potenciales bajos los electrones e iones viajan a través
del gas y colisionan con las moléculas neutras del mismo cuando están
sometidos a un campo eléctrico. Si aumenta el potencial, aumenta la energía
que los electrones e iones ganan al colisionarse. Esta energía es compartida
por los iones con las moléculas del gas con las que colisionan, mientras que
los electrones la van acumulando, ganando energía suficiente como para
llegar a excitar a los iones e ionizar las moléculas neutras del gas,
resultando en nuevos pares de iones. Estos nuevos electrones libres son
acelerados y vuelven a colisionarse, ionizando más moléculas del gas y
generando más electrones con un ratio exponencial función de la tensión
aplicada. Este proceso se conoce con el nombre de “ruptura del gas”.
En la figura Figura 10 se muestra la típica curva tensión-corriente.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
36
Figura 10. Curva Tensión-Intensidad de ionización y ruptura de un gas con campo
eléctrico uniforme. [Ref. 17]
En caso de no existir ningún electrón iniciador, el número de
electrones (N) que alcanzan el ánodo para un campo eléctrico uniforme
(placas paralelas) con una separación “d” entre electrodos es:
deNN ⋅⋅= α0
Donde α es el primer coeficiente Townsend de ionización, definido como el
número de ionizaciones por centímetro de longitud en la dirección del campo
eléctrico.
Los gases electronegativos tienen moléculas con otros niveles de energía
(rings) donde faltan uno o dos electrones para completar, siendo capaces de
capturar electrones libres y de formar iones negativos. Estos gases tienen
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
37
alta rigidez dieléctrica debido a su capacidad de unir electrones y de
eliminarlos del proceso de ruptura.
Gases con átomos de oxígeno y de halógeno son electronegativos y
por lo tanto buenos aisladores, todo lo contrario que los hidrocarburos y los
gases nobles. Algunos gases electronegativos son el hexafluoruro de sulfuro
(SF6), R-12 o Freon 12 (CCl2F2), el perfluoropropano (C4F10), el nitrógeno, el
Freon 14 o R-14 (CF4). [Ref. 20].
2.1.1.1.1 Ley de Paschen
La tensión de ruptura de un gas sometido a un campo eléctrico puede
ser representada para establecer la relación existente entre la tensión y el
producto de la presión y la separación entre los electrodos. Esta relación se
conoce con el nombre de Ley de Paschen (Paschen’s Law). La forma
general de expresar esta ley es:
( )dfv ⋅= ρ
Donde:
• ρ ≡ es la densidad del gas;
• d ≡ es la distancia entre los electrodos.
La Ley de Paschen establece:
“Al igual que la densidad se incrementa con respecto a una
temperatura y presión estándar, la tensión de ruptura también se
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
38
incrementará porque a altas densidades las moléculas están más próximas
entre sí, necesitándose un campo eléctrico mayor para poder acelerar los
electrones hasta alcanzar la energía de ionización dentro del espacio libre
que queda.
A medida que la presión va disminuyendo hasta valores por debajo
del mínimo de la Ley de Paschen, la tensión de ruptura se incrementa
bruscamente, ya que el espacio entre moléculas es tan grande que, aunque
cada colisión de un electrón produce una ionización, resulta difícil encadenar
las necesarias como para mantener la reacción. Finalmente, la presión es
tan baja que la probabilidad de que un electrón colisione en su trayecto entre
electrodos es casi nula. Esta es la razón por la que la tensión mínima de
ruptura depende tanto de la densidad como del espacio entre electrodos. En
la Figura 11 se recogen una serie de curvas de diferentes gases.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
39
Figura 11. Tensión de ruptura de gases puros en función de la presión y el espacio.
[Ref. 17]
Cuando la presión se incrementa hasta alcanzar valores superiores a
dos atmósferas, o cuando el campo eléctrico supera los valores de 100 a
200kV/cm, se deja de satisfacerse la Ley de Paschen. En estos casos la
tensión de ruptura es inferior a la que predice la ley. Aunque también hay
que decir que a medida que va aumentando la presión, la tensión de ruptura
tiende a alcanzar un máximo de saturación debido a la rugosidad de la
superficie del electrodo. En esta zona existe otro efecto denominado “efecto
área” donde la tensión de ruptura decrece con el aumento del área.
2.1.1.2 Efecto Penning
Nombre adquirido por el físico alemán Frans Michel Penning, quien
descubrió que si una traza (más pequeña que un 1%) de un gas como el
argón se mezcla con un gas como el neón, se produce una fuerte reducción
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
40
en su rigidez dieléctrica. Esto es debido a que los átomos metaestables del
neón ionizan los átomos del argón. [Ref. 20] [Ref. 40]
metaCu Ar Cu Ar e+ −+ → + +
Algunas mezclas gaseosas que tiene esta característica son helio-
argón, neón-argón, helio-mercurio y argón-yodo. Por eso la necesidad de
mantener totalmente aislado el gas aislante como el helio utilizado en las
naves aeroespaciales.
2.1.1.3 Gases Presurizados
El gas hexafluoruro de azufre (SF6) es el más valorado, ya que es
muy estable, es un gas electronegativo y resulta muy fácil de encerrar.
Debería ser la primera de las opciones tanto a la hora de seleccionar un gas
aislante para equipos de vuelo con alta densidad de componentes como
cuando no existe otro criterio de alta tensión mejor que el de utilizar gas
presurizado.
SF6 es un gas que presenta una excelente transferencia de calor y
propiedades dieléctricas. La mezcla con otros gases puede mejorar algunas
de sus propiedades con poco cambio en la rigidez dieléctrica frente a
campos uniformes de DC.
Posee una alta aplicación en conmutadores de alto y medio voltaje,
interruptores, celdas de alta tensión, subestaciones eléctricas del tipo GIS,
etc.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
41
2.1.2 Líquidos Dieléctricos
A menudo utilizados con aisladores sólidos, los líquidos dieléctricos
ofrecen alternativas razonables para muchas aplicaciones terrestres.
Eliminando el aire u otros gases, mejoran el aislamiento de los sistemas.
Son además “autocurable”, no como los dieléctricos sólidos. El área dañada
por el efecto de un sobrevoltaje transitorio es inmediatamente renovada por
el flujo del líquido aislante.
Los líquidos utilizados como aisladores son los aceites minerales,
aceites de silicona, aceites vegetales, ésteres orgánicos, fluorocarbonos y
aceites de polihidrocarbonos.
A la hora de seleccionar el tipo de líquido dieléctrico, resulta necesario
realizar una evaluación de sus propiedades con relación a la aplicación.
Mencionar que como desventajas presentan un alto coste, añaden mucho
peso y la temperatura de funcionamiento limita bastante su aplicación.
Asimismo requieren de un contenedor perfectamente sellado para evitar
fugas del dieléctrico.
Otras desventajas que presentan algunos líquidos son la oxidación, la
contaminación y la reacción con los materiales con los que entran en
contacto. El deterioro del material puede generar humedad, desarrollar
gases, formar ácidos corrosivos, incrementar las pérdidas dieléctricas y
reducir la rigidez dieléctrica. Sin embargo, el mayor peligro en la utilización
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
42
de líquidos dieléctricos es el potencial de formación de burbujas que
presentan.
Por estos motivos, la utilización de este tipo de dieléctricos no debe
contemplarse para el entorno espacial.
A continuación se describen los principales efectos y aplicaciones de
los líquidos dieléctricos.
2.1.2.1 Efectos
Los efectos que este tipo de dieléctricos sufren son consecuencia,
principalmente de la temperatura, la humedad y el gas disuelto.
2.1.2.1.1 Efectos de la Temperatura
La temperatura de funcionamiento afecta a la vida del dieléctrico y a
su estabilidad. Esto se debe a que las reacciones que deterioran las
propiedades del dieléctrico se suceden de forma más rápida y en mayor
cuantía a medida que la temperatura aumenta. En la Figura 12 se puede ver
cómo afecta la temperatura a un líquido aislante.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
43
Figura 12. Influencia de la Tª sobre la conductividad del dieléctrico. [Ref. 7]
Afecta también a la conductividad eléctrica del material aislante.
Cuanto mayor es la temperatura a la que se encuentra el dieléctrico menor
es la viscosidad del fluido, por lo que mayor será la movilidad de los
electrones. Esto provoca un aumento de la conductividad eléctrica.
2.1.2.1.2 Efecto de la Humedad
El agua disminuye la rigidez dieléctrica y aumenta las pérdidas
dieléctricas, además de degradar al dieléctrico. La presencia de agua
disuelta en los aceites minerales puros no afecta a la rigidez dieléctrica hasta
que se separa de la solución del aceite y se deposita en los conductores, en
las superficies de los aisladores sólidos o sobre sólidos que flotan en el
líquido dieléctrico. La presencia de dichas deposiciones provocan la
aparición de descargas parciales a tener una menor rigidez dieléctrica.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
44
2.1.2.1.3 Gas Disuelto
Los efectos de la absorción de gas y de su liberación en los líquidos
dieléctricos deben tenerse en cuenta para un correcto funcionamiento
durante largos periodos de actividad.
Los cambios de presión pueden provocar la liberación del gas, así
como los aumentos de temperatura. El fenómeno corona se dará en estas
pequeñas burbujas de gas provocando rupturas del dieléctrico eventuales.
2.1.2.2 Aplicaciones
Las aplicaciones de los líquidos mencionados con anterioridad se
resumen en la Tabla 1.
Tipo Aplicación
Aceites Minerales Aislamiento de Transformadores y equipos de alta tensión
Aceites de Silicona Aplicaciones especiales: alta resistencia al fuego altas temperaturas de funcionamiento
Aceites Vegetales Ésteres Orgánicos Fluorocarbonos Aromáticos Sintéticos
Aislamiento para condensadores.
Tabla 1. Aplicaciones de los Líquidos Dieléctricos. [Ref. 20]
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
45
2.1.3 Aisladores Sólidos
El aislador sólido ideal es aquel que no presente burbujas, grietas,
elementos conductores y que posea unas propiedades dieléctricas
uniformes. La realidad es que los aisladores tienen variaciones con el
espesor y pueden contraerse tanto con temperaturas de curado como con el
tiempo. Además, pueden haberse depositado elementos conductores, y sus
propiedades pueden variar con la frecuencia, con la temperatura y con las
tensiones mecánicas.
En las aplicaciones espaciales, el entorno y las tensiones eléctricas
cambian en función del tiempo. Algunas lo hacen de forma independiente,
mientras que otras lo hacen sinérgicamente. Estas variaciones dificultan la
selección del material adecuado para aplicaciones específicas. Es
importante remarcar que no es posible realizar una extrapolación en el
funcionamiento de un aparato de segunda o tercera generación basándose
en el diseño de la primera, ya que existen de por medio muchos factores que
no serán idénticos, como por ejemplo la composición del material, la limpieza
en el proceso y la fabricación. Todos estos factores deben tenerse en cuenta
en el desarrollo del diseño del aislamiento para nuevos productos de alta
tensión.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
46
2.1.3.1 Propiedades de los materiales
En la Tabla 2 se muestra un resumen de las propiedades eléctricas,
mecánicas, térmicas y químicas que se deben de tener en cuenta. El
parámetro más importante es el de la vida del aislamiento que depende del
entorno y de la tensión eléctrica a la que esté sometido.
Tabla 2. Propiedades de interés para materiales aislantes. [Ref. 17]
De entre todas las propiedades expuestas, destaca la resistencia, que
se analiza a continuación.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
47
2.1.3.1.1 Resistencia
Un alto volumen de resistencia reduce el calentamiento del dieléctrico.
Para la gran mayoría de los equipos de potencia resultan adecuados valores
superiores a 1012Ω·cm. Para aisladores de alta tensión se requieren valores
superiores a 1014Ω·cm.
La resistencia superficial debe ser mayor que 109Ω·cm para prevenir
las descargas disruptivas y eventuales “contorneos” (flashovers1). Los
nuevos aislantes tienen una resistencia superficial superior a 1012 Ω·cm a 23º
C y 50% de HR (Humedad Relativa). Estos valores se reducen
significativamente con el aumento de la temperatura y de la humedad. Si la
reducción alcanzase valores entorno a 108 o 109Ω·cm por la contaminación,
se produciría una significativa corriente de fuga por la superficie. Esto
provocaría un desecamiento de la superficie del dieléctrico formando un
“banda seca”, la cual sería puenteada por una pequeña descarga eléctrica
como consecuencia del alto estrés eléctrico localizado en la zona que
1 Flashover: cuando la descarga disruptiva se produce en la superficie del dieléctrico en un
medio gaseoso o líquido.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
48
sobrepasaría la tensión de ruptura del aire en la interfaz aire-sólido. El
calentamiento provocado por la descarga descompone el dieléctrico
formándose un camino conductivo en la superficie. Con el tiempo, este
camino terminaría formando “árbol” y con la ruptura del dieléctrico.
2.1.3.2 Información para la Selección del Material
A la hora de seleccionar el material aislante adecuado para una
aplicación de alta tensión, resulta difícil encontrar la información correcta.
Los datos mecánicos y químicos son abundantes, pero a menudo los datos
eléctricos son escasos y aparecen simplemente tabulados sin presentar el
cómo podrían variar. La mayoría de la información debe ser adaptada o
traducida para la aplicación que se va a realizar.
En este apartado, se habla tanto de la rigidez dieléctrica, identificando
los principales parámetros que influyen en la misma, como del valor del
aislamiento.
2.1.3.2.1 Rigidez Dieléctrica
La rigidez dieléctrica se puede definir como la intensidad del campo
eléctrico para el cual el material deja de ser un aislador para convertirse en
un material conductor.
El valor de la rigidez dieléctrica está sometido a variaciones en
función de una serie de parámetros como son la temperatura, la frecuencia,
la humedad relativa, el espesor utilizado y el área activa. Este último factor
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
49
suele ser de cierta relevancia y tenerse en cuenta para la valoración de la
rigidez.
• En las aplicaciones aeroespaciales, si bien la temperatura máxima
total de funcionamiento de los equipos suele estar definida y ser
normalmente de 75 ÷ 85º C., este valor no es el que se tiene que
tener en cuenta en el diseño del aislamiento. La temperatura de
diseño debe ser la del punto más caliente dentro el equipo. El
diseño debe ser tal que el calor generado por este punto caliente
tiene que permitir su difusión a través del material aislante. Por
ejemplo, el punto caliente puede estar entorno a 20º C por encima
de la temperatura nominal de funcionamiento. Este punto caliente
está generado por la disipación de energía, por efecto Joule, en los
elementos resistivos de los circuitos electrónicos. Resulta evidente,
como se puede ver en la gráfica de la Figura 133 sobre el Kapton
H, que un incremento en la temperatura de funcionamiento en 20º
C va a suponer una reducción considerable en la rigidez dieléctrica.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
50
Figura 13. Influencia de la temperatura sobre la rigidez dieléctrica.
• La humedad relativa, tal y como se ha comentado en párrafos
anteriores, también afecta a la rigidez dieléctrica. Por esta razón,
equipos de muy alta tensión se suelen sellar en contenedores
presurizados con un ambiente seco como puede ser el SF6.
Generalmente, los ensayos de rigidez dieléctrica se suelen realizar
con una humedad relativa del 50%. En la Figura 144 se muestra
una gráfica donde se aprecia la influencia de la humedad sobre la
rigidez dieléctrica del Kapton H.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
51
Figura 14. Influencia de la HR sobre la rigidez dieléctrica.
• En aplicaciones de alta tensión, aislamientos con un espesor
pequeño no presentan una rigidez dieléctrica suficiente, por lo que
se suelen intercalar finas capas de aislamiento. La rigidez
dieléctrica disminuye con el espesor tal y como se puede ver en la
Figura 155 del Kapton H.
Figura 15. Influencia del espesor sobre la rigidez dieléctrica.
• La influencia del área activa del dieléctrico suele pasarse por alto
tanto en los libros como en las hojas de especificaciones de los
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
52
materiales. Si el área es pequeña, el efecto es mínimo
generalmente necesitando un 5% de “derating”. Para grandes
áreas, el valor de “derating” es considerable. Estas pérdidas del
dieléctrico se deben principalmente a la rugosidad del acabado del
electrodo y a la no uniformidad del espesor del dieléctrico
fabricado. El la Figura 166 se muestra la influencia del área frente a
la rigidez dieléctrica.
Figura 16. Influencia del área activa del dieléctrico
2.1.3.2.2 Vida del Aislamiento
Es quizás la propiedad más importante en el diseño del aislamiento. La
característica del la vida del material aislante puede ser evaluado como
función de la temperatura cuando la información necesaria está
representada como una gráfica Arrhenius (Figura 17).
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
53
Figura 17. Influencia de la temperatura en la vida del aislamiento
Como regla, los tres tipos genéricos de materiales para el
encapsulado tienen un valor máximo de solicitación eléctrica después de una
hora de funcionamiento, tal y como se muestra en la Tabla 3. Los valores
más bajos se corresponden con los valores más altos del espesor del
dieléctrico. Los valores más altos son para espesores inferiores a 0,25mm.
Tabla 3. Valores máximos de tres materiales de encapsulado
La tabla recoge valores para un ensayo de una hora de duración, no
para 10.000 horas. El estrés eléctrico debe ser reducido en torno al 8÷10%
por cada incremento en el orden de magnitud de la vida del dieléctrico. Para
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
54
el caso de 10.000 horas de funcionamiento, los valores de a tabla deberían
de reducirse en un 65%.
Factores que influyen significativamente en la reducción de la vida del
material aislante son la mala preparación de los materiales, del encapsulado,
pegado y las burbujas o espacios vacíos (los poros que pueda presentar el
material). El término de “libre de porosidades” no significa que sea sin
defectos, sino que no existen burbujas o huecos en el dieléctrico
significativamente grandes. Aun así, hay que decir que con el tiempo el
aislamiento se degrada y que las micro-porosidades aumentan su tamaño
incrementando con ello la posibilidad de descargas parciales y de ruptura del
dieléctrico, es decir, disminución de la vida del material.
Otro importante factor a tener en cuenta a la hora de valorar la vida
del aislamiento es la frecuencia (si bien ha sido mencionada como
parámetros que influye igualmente en la rigidez dieléctrica). Numerosos tests
realizados han demostrado que la vida de un dieléctrico disminuye de forma
inversamente proporcional a la frecuencia sinusoidal, o lo que es lo mismo:
fL 1=
Donde:
• L ≡ vida del material en horas;
• f ≡ frecuencia en Hz.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
55
Cuando se combinan los factores de frecuencia, temperatura y
solicitación eléctrica, se puede llegar a entender cómo es posible extrapolar
los resultados de un test a 10.000V durante un minuto a pocos voltios de
funcionamiento para una aplicación.
2.1.3.3 Flashover Superficial
Las corrientes circulantes por la superficie del aislador, que se dan
especialmente cuando sobre la superficie está algo húmeda o se han
depositado partículas contaminantes que actúan como elementos
conductores, pueden provocar un aumento de temperatura considerable
favoreciendo así la creación de un trazado de carbón. Este trazado mucho
más conductor disminuye la capacidad del material para mantener la
tensión. En algunos materiales no se forman estas trazas, pero sí van
erosionando la superficie. Existen elementos de relleno que ayudan a
disminuir estos fenómenos, aunque también es posible reducirlos
disminuyendo la solicitación eléctrica en la superficie mediante la utilización
de combinaciones de configuraciones de aislamiento para alargar la
superficie de recorrido de la disrupción.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
56
Figura 18. Definición de creepage. [Ref. 17]
Entre otros, son la temperatura y la frecuencia los factores de
influencia de mayor relevancia.
2.1.3.3.1 Influencia de la temperatura
A medida que aumenta la temperatura disminuye la resistencia del
dieléctrico frente a estos fenómenos
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
57
2.1.3.3.2 Influencia de la frecuencia
Todos los materiales poseen una baja rigidez disruptiva a altas
frecuencias, tal y como se puede observar en la Figura 19.
Los materiales con una constante dieléctrica elevada poseen una
menor resistencia a este fenómeno que los que poseen la constante
dieléctrica más baja.
Figura 19. Efecto de la frecuencia sobre la resistencia a “flashovers”
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
58
En la tabla que se presenta a continuación, se establecen las ventajas
y desventajas entre aislamiento con medio gaseoso, líquido o sólido.
Medio del Dieléctrico Ventajas Desventajas
Gas - Ligereza - Buena rigidez dieléctrica - Ensamblaje reparable
-Requiere mantenimiento continuo y purgado - Debe ser presurizado -Necesidad de un calentador para evitar condensaciones
Líquido - Buena rigidez dieléctrica -Muy buen conductor térmico - Ensamblaje reparable
- Necesidad de una cámara de expansión - Debe ser filtrado - Requiere mantenimiento - Aumenta el peso
Sólido - Buena rigidez dieléctrica - Libre de mantenimiento - Buen conductor térmico
- Algunos no son reparables - Aumenta el peso
Tabla 4. Ventajas y desventajas del estado del dieléctrico.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
59
2.2 Criterios de Diseño en Alta Tensión
2.2.1 Defectos comunes
En el diseño de alta tensión para espacio es necesario ser muy
rigurosos en todas las etapas de desarrollo del producto. Desde la etapa de
diseño hasta la etapa de fabricación, sin permitirse ningún tipo de relajación
en ninguna de las fases de trabajo.
Los defectos más comunes que se han encontrado en la práctica
debido a estas relajaciones son:
• Fabricación:
- Fallos:
+ cortos y roturas debido a grietas o micro grietas
formadas en el curado de las resinas;
+ corona;
+ arcos eléctricos;
+ porosidades o gases atrapados en el curado de resinas;
+ sobrecalentamiento de componentes en el proceso de
curado de la resina;
+ separación o aparición de espacios con gas debido a
una mala adhesión en el curado de la resina de los
componentes;
- Factores de materiales y procesos:
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
60
+ control inadecuado o inexistente en la mezcla de
materiales;
+ corto periodo de vida de la resina catalizada y problemas
de fugas relacionadas con la resina.
• Materiales y Procesos:
- inadecuada o ausencia de control en la aplicación del
pretratamiento;
- mala adhesión del curado de la resina a los materiales del
substrato;
- problemas de compatibilidad entre la resina, el esmalte de los
cables, y los materiales en el ensamblaje encapsulado;
- diferentes coeficientes de expansión térmica entre la resina y
los materiales del encapsulado;
- mala conductividad térmica;
- ciclos complejos de presión de vacío;
- contracción de la resina en el proceso de curado;
- aparición de tensiones internas en la resina en el proceso de
curado;
- mala eliminación del aire contenido en la resina en estado
líquido;
- complejidad de los procesos y de los equipos.
• Problemas de fiabilidad:
- efectos de corona;
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
61
- sobrecalentamiento de los componentes o inadecuada
evacuación del calor;
- arcos superficiales internos;
- fallos de los transformadores;
- rotura de la resina;
- fallos de los hilos, cables y conectores.
2.2.2 Recomendaciones
Las recomendaciones generales para evitar estos defectos comunes
son:
- Diseño y dimensionado adecuado de la fuente de
alimentación para reducir la tensión de ruptura.
- Separar los circuitos que trabaja en alta tensión de los que
trabajan en baja tensión.
- Asegurar que los PCBs cumplen todos los requisitos de alta
tensión requeridos.
- Realizar un diseño que maximice el flujo de transferencia de
calor.
- Realizar un cursillo para el personal en la fabricación en alta
tensión.
- Seleccionar y trabajar con los mejores materiales existentes.
- Facilitar las reparaciones.
- Asegurar un buen control de calidad de los materiales.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
62
- Utilizar resinas con bajos coeficientes de expansión térmica.
- Utilizar siempre que sea posible resina con alto poder de
adhesión.
- Realizar un control de adhesión.
- Utilizar adecuados procesos de limpieza y mantenerlos
controlados.
- Precalentar los componentes que van a ser encapsulados.
- Controlar los componentes más críticos y realizar una
calificación del diseño.
2.2.3 Criterios de Diseño
Un buen diseño debe garantizar la existencia de un margen de
seguridad frente a la solicitación eléctrica a la que se le va a someter al
material de aislamiento.
En esta sección se recogen ciertos márgenes y recomendaciones
obtenidas de diferentes biografías y normativas relacionadas que hablan del
tema en cuestión.
Los límites que se deben emplear para el diseño del dieléctrico son
los que se indican en la tabla sigueinte[Ref. 22]:
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
63
Límites de diseño AC 2 kV / mm Campo eléctrico en
dieléctrico DC 6 kV / mm Fugas Superficiales 400 V / mm
Tensión de campo en vacío 800 V / mm
Tabla 5. Límites de diseño.
2.2.4 Comentarios
Se pasan a listar una serie de comentarios a tener en cuenta para el
diseño:
• Generalmente se producen presiones críticas en los equipos a
altas altitudes de espacio por el retardo en la estabilización bárica
provocado por la desgasificación o por otros factores.
• Los defectos más frecuentes en los componentes de alta tensión
encapsulados son la presencia de porosidades, grietas o una mala
adhesión de la resina a los componentes o piezas.
• La limpieza y eliminación de partículas contaminantes así como de
presencia de humedad resulta crítico.
• Los transformadores deben tratarse como componentes
especialmente críticos.
• Minimizar el diseño de alta tensión requerido para evitar sobre
estresar eléctricamente los componentes.
• Para una alta fiabilidad y rendimiento se debe tratar de trabajar con
valores de coeficientes de expansión térmica bajos y y materiales
térmicamente estables.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
64
2.3 Tests
Los diseñadores de los modernos sistemas de alimentación han
conseguido importantes reducciones de peso y volumen para su aplicación
aeroespacial. Estos avances se han obtenido convirtiendo la potencia de
entrada de baja frecuencia (60Hz – 400Hz) AC o de DC a potencia por
radiofrecuencia, generalmente con frecuencias entre 100kHz – 1.0MHz, o
incluso superiores. Para ello, resulta necesario minimizar las uniones entre
circuitos, dimensionar correctamente los componentes y evaluar los factores
de vida del aislamiento en alta frecuencia.
Los ensayos de descargas parciales (Partial Discharge Tests – PD
tests) constituyen un gran método directo empleado para evaluar la
integridad del aislamiento de dichos componentes, interfaces y módulos de
alta tensión, así como una técnica para detectar las grietas y burbujas
existentes en el aislamiento.
La disponibilidad de amplificadores analógicos lineales con un gran
ancho de banda y de osciloscopios de tiempo real, permiten la observación
directa de señales de varios megahertzs (MHz) de alta frecuencia con
niveles de milivoltios (mV). En la práctica, estos niveles son los necesarios
para la detección de descargas parciales. Por ello, hoy en día se dispone de
los medios los medios adecuados para la medición de las señales
generadas por las descargas parciales.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
65
El objetivo pues de los ensayos de alta tensión es el de evaluar y
garantizar el diseño de aislamiento a lo largo de la vida del equipo
desarrollado en el que va a ser utilizado.
2.3.1 Tests de Alta Tensión
2.3.1.1 PD Testing
Las principales causas de fallo son el incorrecto dimensionamiento de
los componentes, un pobre trabajo de fabricación y montaje, y un mal
aislamiento eléctrico y tratamiento. Las típicas causas de fallos son:
- Burbujas de aire no detectadas: 42%
+ Corona
+ Descargas Parciales (PD)
+ Arcos eléctricos
+ Elevado estrés eléctrico
- Fallo del componente eléctrico 38%
- Trabajo
- Workmanship 20%
El objetivo de los tests de descargas parciales (PD en adelante) es el
de detectar la presencia de porosidades, fracturas y microburbujas en el
interior del material aislante. Los gases atrapados en las pequeñas
cavidades del material poseen una tensión de ruptura más baja (300 – 400 V
pico DC 1,0kHz), debido a las diferentes propiedades dieléctricas del gas, a
la tensión del campo eléctrico y a la distancia entre paredes, que puede ser
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
66
inferior a los 0,1mm. Estas condiciones se localizan cerca del mínimo de la
tensión de ruptura, establecida por la ley de Paschen, que a su vez
disminuirá con el incremento de la frecuencia.
En materiales reales, los resultados obtenidos de varios test
realizados sobre materiales aislantes epoxy muestran que el tiempo de fallo
disminuye con el aumento de la tensión aplicada; y, a altas frecuencias de
AC, los valores de tiempo de vida observados son bastante menores.
2.3.1.1.1 Equipo
Hoy en día, existen en el mercado equipos muy avanzados capaces
de expresar las señales de PD en valores de pico-coulombs (pC). Ha habido
también grandes avances tecnológicos que permiten la utilización de dichos
equipos en entornos eléctricamente ruidosos.
En la taba que se presenta a continuación, Tabla 6, se realiza una
breve comparación entre equipos de detección de PD.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
67
Nº Ancho de Banda Características
1 150kHz – 30MHz · Generalmente con medidor analógico · Ajuste manual en frecuencia
2 40 – 200kHz
· Señal mostrada en forma de elipse · Salida en x-y a un autoplotter · Circuito puente opcional para la eliminación de interferencias
3 50-500kHz
· Selector de ancho de banda: - Band 1: 50-80kHz - Band 2: 135-165kHz - Band 3: 40-400kHz · CRO visualizado en forma de elipse · Salida en x-y a un autoplotter · Circuito puente opcional para la eliminación de interferencias
4 50-500kHz
· Selector de ancho de banda: - Band 1: 50-80kHz - Band 2: 50-80kHz with location feature - Band 3: 135-165kHz - Band 4: 135-165kHz with location feature - Band 5: 40-400kHz · CRO visualizado en forma de elipse · Salida en x-y a un autoplotter · Circuito puente opcional para la eliminación de interferencias
5 50-250kHz
· Selección de 12 conexiones que abarcan un rango total de muestreo de 6-250μF · CRO · Visualización en forma de elipse
6 - · Equipo de banda ancha capaz de medir en PD en pC y el CIV en μV
Tabla 6. Tabla de características de algunos equipos de detección de PD
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
68
En la selección del equipo hay que tener en cuenta:
• La aplicación
• La sensibilidad requerida
• Las opciones disponibles
• La calibración asociada requerida para una corrección de las
medidas.
2.3.1.1.2 Esquema Setup
Figura 20. Setup genérico del ensayo de PD.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
69
2.3.1.1.3 Interpretación de las PD
Resulta muy importante en las mediciones de descargas parciales el
mantener un background lo más bajo de interferencias posible.
Resulta muy conveniente la utilización de una elipse para la
visualización de la señal y localizar la posición de los ceros. En la Figura 21
se muestra un ejemplo de la conversión de la onda sinusoidal en elíptica.
Figura 21. Ejemplo de la señal en forma de elipse. [Ref. 4]
2.3.1.1.4 Algunos diagnósticos de PD
La evaluación del origen de las descargas parciales no suele ser
posible a través únicamente de la observación de la pantalla de salida de la
señal. Resulta necesario realizar el diagnóstico durante el desarrollo de la
prueba, y para ello se recomienda:
a. Grabar el patrón de descargas.
b. Estudiar los efectos de las variables de aplicación tiempo y
tensión.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
70
c. Considerar otras opciones como el recambio de la muestra para
realizar comparaciones.
En la siguiente tabla se muestran una serie de ejemplos de ensayos
realizados, junto con un diagnóstico de la señal de salida recogida.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
71
CASO DECRIPCIÓN FIGURA PANTALLA INTERPRETACIÓN
A Descargas internas en el interior de una cavidad de un dieléctrico sólido.
· Las descargas aparecen a medida que nos acercamos a los picos de tensión. · De igual amplitud y número en ambos lados de la onda. · DIV bien definido por encima del MDD · Mínima variación en magnitud con el aumento de tensión. · DEV ≈ o < DIV · El tiempo ejerce una mínima influencia en el patrón de las descargas.
B
Descargas internas en fisuras en la dirección del campo eléctrico de un aislante elastómero. Ej. Aislamientos de cables
· Las descargas aparecen a medida que nos acercamos a los picos de tensión. · En general de igual amplitud y número en ambos lados de la onda. · Mínima variación en magnitud con el aumento de tensión. · Con ↑ t de aplicación de tensión: - ↓ magnitud de la descarga - ↑ DEV (mayor que el inicial DIV)
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
72
CASO DECRIPCIÓN FIGURA PANTALLA INTERPRETACIÓN
1 Descargas internas en cavidades con diferente tamaño y forma en el interior de un dieléctrico.
2 Descargas en la superficie externa de un dieléctrico entre dos conductores en contacto.
C
3
Descargas en la superficie externa en zonas con alto estrés tangencial. Ej. Mal diseño de los bushings
· Las descargas aparecen a medida que nos acercamos a los picos de tensión. · De igual amplitud y número en ambos lados de la onda. · ↑ Nº de descargas con ↑ de la tensión. · DEV ≈ o < DIV · El tiempo ejerce una mínima influencia en el patrón de las descargas (como mínimo hasta 10min.).
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
73
CASO DECRIPCIÓN FIGURA PANTALLA INTERPRETACIÓN
D Descargas en cavidades laminares. Típico en el aislamiento de máquinas eléctricas.
· Las descargas aparecen a medida que nos acercamos a los picos de tensión. · De igual amplitud en ambos lados de la onda. · ↑ Nº de descargas con ↑ de la tensión, llegando a no resolverse. · DIV normalmente bien definido y claro · Con ↑ t tensión de aplicación: - ↑ magnitud de la descarga, estabilizándose a los 10min. - ↓ DEV mucho menor que el DIV inicial.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
74
CASO DECRIPCIÓN FIGURA PANTALLA INTERPRETACIÓN
E
Burbujas de gas en un dieléctrico líquido en contacto con celulosa húmeda. Típico en condensadores. Burbujas generadas por el estrés eléctrico en la celulosa húmeda. Desaparecen con la desaparición del estrés.
· Las descargas aparecen a medida que nos acercamos a los picos de tensión. · De igual amplitud en ambos lados de la onda. · Variación random en amplitud o localización con el tiempo de aplicación. · DEV un poco menor que el DIV · Si la tensión se mantiene ≥ DIV por algunos minutos, las magnitudes crecerán x100 o más, con DEV cerca de 3 veces el valor original.. · Con tiempo de reposo, se vuelven a los valores originales.
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
75
CASO DECRIPCIÓN FIGURA PANTALLA INTERPRETACIÓN
F
Descargas en cavidades de diferente tamaño pegados a uno de los metales por un lado y por el otro al dieléctrico.
· Con ↑ tensión se vuelve irresoluble. · DIV está bien definido e inalterable con el aumento de la tensión. · El tiempo (aplicación de 10min) tiene muy poco efecto.
G
Tracking de un aislamiento orgánico resultado de descargas originadas por una cavidad que ha degenerado en un sedero en no crecimiento.
· Generalmente de igual magnitud a ambos lados de la onda. · Con ↑ tensión, la respuesta se extiende pero no existe aumento en magnitud. · No existe variación con el tiempo
Tabla 7. Diagnósticos de PD tests. [Ref. 9]
Capítulo 2 Análisis de la Tecnología
76
2.3.1.2 Dielectric Withstand Voltage Test (DWV)
Todos los componentes electrónicos están sujetos a uno o más
ensayos de ruptura del dieléctrico antes de la integración final en el sistema.
Estos tests son ampliamente utilizados por su simplicidad y su fácil
interpretación de los resultados. El componente pasa, o no pasa porque se
rompe eléctricamente durante la prueba.
Este tipo de pruebas puede ser perfectamente integrado junto con las
pruebas de descargas parciales para evitar potenciales riesgos de fallos de
componente/módulo antes de la destrucción total.
En la industrial espacial, es muy común la práctica de diseñar equipos
para operar a tensiones de 2 V/mm, con un nivel máximo de estrés de 8-12
V/μm. Si estos equipos son sometidos a los valores típicos de ensayo de
ruptura de dieléctrico:
10002 +⋅= nomtest UU
se obtendrían zonas con un estrés excesivamente elevado, en torno a
25-30 V / μm. Este exceso de estrés degradará los componentes,
reduciendo la vida y la fiabilidad del equipo. En base a esto, las pruebas de
ruptura del dieléctrico deben realizarse en función de la tensión máxima del
campo eléctrico en altas densidades de equipos eléctricos, tanto comerciales
como de espacio, con una tensión de ensayo, determinada por las tasas de
envejecimiento por estrés eléctrico y para un nivel de fiabilidad determinado.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
77
3. Requerimientos
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
78
En este capítulo se realizará un análisis de los requisitos del aislador
de alta tensión, desde los establecidos por el cliente hasta los impuestos por
el entorno.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
79
3.1 Condiciones del Espacio
Cuando un sistema eléctrico es planeado para un nuevo o un futuro
viaje espacial, las condiciones del espacio deben tenerse en cuenta como un
requisito importante en el diseño.
En el entorno espacial, el equipo va a estar sometido a diferentes
fenómenos que son únicos o más severos que los fenómenos localizados en
tierra, provocados todos ellos por una serie de factores de los que cabe
destacar la presión, radiación electromagnética, radiación cósmica, protones,
electrones, iones, meteoritos, partículas y desechos.
Estos fenómenos son el efecto corona, los rayos cósmicos y los
efectos de la radiación y el plasma espacial. Los efectos magneto
hidrodinámicos comienzan en el entorno espacial y se suelen pasar por alto
en el entorno terrestre.
3.1.1 Fenómenos
3.1.1.1 Corona
El efecto corona es un efecto cascada que se produce como
consecuencia de la ionización de un gas por la acción de fotoelectrones y
rayos cósmicos en presencia de un campo eléctrico lo suficientemente
elevado como para acelerar los electrones libres hasta las velocidades de
ionización. Estos electrones, en el medio ionizado, son acelerados y como
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
80
resultado de las colisiones producidas se crean nuevas áreas adicionales
ionizadas junto con más fotones.
Si el campo eléctrico es bajo, no se dará la ionización en el espacio
ánodo-cátodo y se producirá la recombinación de los iones positivos y los
electrones libres, localizándose los arcos en el ánodo.
Figura 22. Descarga básica de corona. [Ref. 5]
Si de lo contrario el campo eléctrico es elevado, la formación de iones
es más rápida que la recombinación. El elevado campo eléctrico
concentrado en el cátodo evita que los electrones alcancen el ánodo,
causando el característico arco eléctrico entre ánodo y cátodo.
El efecto corona depende del gas, de la presión, de la temperatura,
del espacio entre electrodos, del tipos de electrodos y de la frecuencia de
alimentación. La tensión de corona, o tensión de ruptura, suele estar definida
por la ley de Paschen, representada como tensión de ruptura frente a la
presión, variando dicha ley en función de la frecuencia, del espaciado entre
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
81
electrodos y de la temperatura. Por ello, se especifican los valores de estos
parámetros junto con la curva. Asimismo, la tensión de corona se puede
representar como la tensión de ruptura frente a la presión por el espacio.
3.1.1.2 Rayos Cósmicos y Efectos de la Radiación
Exceptuando las centrales nucleares e instalaciones similares, el
entorno espacial resulta ser el ambiente más severo en cuanto a este tipo de
influencias. Cerca del 80% de los rayos cósmicos procedentes del sol son
protones. Cuando los protones colisionan con una molécula de O2 o de N2,
se originan un neutrón y rayos cósmicos de segundo orden (muones y
piones). El pico en el flujo de neutrones se da a una altitud en torno a los
60.000 pies (18288 m), donde es 500 veces el que hay al nivel del mar.
Uno de los efectos de la radiación es el fenómeno bipolar. Cualquier
corriente de base ya sean corrientes de fotones que procedan de la luz,
rayos gamma o corrientes conducidas, pueden poner el dispositivo en
marcha.
Figura 23. Efecto bipolar provocado por la radiación. [Ref. 5]
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
82
Existen otros fenómenos que se listan a continuación:
• Efectos cumulativos (Total Ionizing Dose - TIP)
• Daño por desplazamiento (Displacement Damage - DD)
• Fenómenos eventuales (Single Event Phenomena - SEP)
- Destructivos
+ Single Event Latch-up – SEL
+ Single Event Burn-out – SEB
+ Single Event Gate Rupture – SEGR
+ Single Hard Error – SHE
- No Destructivos
+ Single Event Upsets – SEU
+ Single Event Transients – SET
+ Single Event Functional Interrupt – SEFI
De los fenómenos listados, quizás los que más se deben tener en
cuenta en el desarrollo del proyecto son los dos primeros, ya que provocan
variaciones en las propiedades del dieléctrico.
3.1.1.3 Plasma del Espacio
Resulta un fenómeno de interés con una base física similar a la del
fenómeno corona. Muchas técnicas de diseño para corona pueden ser
utilizadas para el plasma del espacio. En el espacio, el flujo de corriente se
da donde existen electrones o plasma ionizado. Este plasma tiene su origen
en los vientos solares, en la interactuación de la magnetosfera de la tierra
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
83
con la atmósfera y en la gasificación de los materiales de la nave espacial.
La tensión de ruptura varía con respecto a la densidad del plasma, tal y
como se puede apreciar en la Figura 24. Como la densidad varía con la
altitud, también lo hace la tensión de ruptura.
Figura 24. Variación de la tensión de ruptura del plasma con la densidad. [Ref. 5]
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
84
3.2 Normativa
En este capítulo se describen los métodos de tests que se han
aplicado en la realización del proyecto objeto de estudio.
A continuación se procede a introducir alguna terminología que será
empleada en el desarrollo de este apartado, de forma que se facilite la
comprensión del mismo.
• Alto Voltaje: Hace referencia a la aplicación de voltajes superiores
a 250V (aplicaciones DC) o 175V (AC). Con el objeto de determinar
si un electrodo es considerado de “alto voltaje” o no, se tendrá en
cuenta, cuando sea relevante, la mejora del campo debida a las
formas no ideales de los electrodos. El campo mejorado se
determinará cuando sea necesario por Elementos Finitos u otro
método de análisis apropiado y validado por la Agencia.
• Normas de Diseño: EL RD1 requiere que un específico voltio por
mm sea respetado en los diseños de alto voltaje a través de un
dieléctrico: a saber 6kV/mm en un campo DC y 2kV/mm en un
campo AC. Asimismo, se debe evitar el creepage a través de una
superficie, respetando los requerimientos de 400V/mm sobre
cualquier superficie entre electrodos de alto voltaje. Estas normas
de diseño se deben cumplir en el desarrollo de esta actividad, salvo
que cualquier variación en las mismas sea aprobada por la
Agencia. Una renuncia a estos requisitos es posible en los casos
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
85
en los que una sólida base de datos técnica en tests de vida
acelerados indique que el diseño es satisfactorio para los 15 años
de vida requeridos.
En los siguientes apartados se procede a realizar una descripción de
los principales test de inspección, pruebas de descarga y la prueba de
Evaluación a Nivel de Componente o Módulo a aplicar.
3.2.1 Tests de Inspección
Cuando sea relevante, se aplicará la nueva inspección en los
componentes que vayan a ser empleados en las aplicaciones de alto voltaje,
donde dichos tests no hayan sido ejecutados por el proveedor.
Se debe recalcar que en el caso de una gran mayoría de
componentes de alto voltaje como pcbs, conectores, harness y relés, es más
que probable que las especificaciones existentes no cubran la actual
aplicación de estos componentes de alto voltaje, a pesar de que están
catalogados dentro de estos para el uso a presiones ambientales. En este
caso, tanto una cualificación genérica como un nuevo test de inspección en
un lote base se ejecutará con el fin de asegurar la integridad del elemento.
En este caso, el objetivo de las nuevas pruebas también debe cubrir
estos componentes para el uso espacial mediante la confirmación de la
idoneidad del lote para aplicaciones espaciales de alto voltaje. Para el
upscreening se debe formar en un lote o en una base individual según sea
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
86
propuesto por el contratista y aprobado por la Agencia. Las nuevas pruebas
no se pueden reemplazar por una calificación ya que los objetivos no son los
mismos. Además, las nuevas inspecciones se deben desarrollar
independientemente de la aceptación de las pruebas en el nivel de equipo,
salvo que sea aprobado por la Agencia. No obstante, en caso de que se
prescinda de las nuevas pruebas de inspección, se podría ejecutar un test
equivalente en el proveedor siempre que la Agencia lo apruebe y autorice.
Las pruebas se realizarán pues a presión ambiente, con la aplicación
de tensión AC (aceptándose otros métodos equivalentes). La tensión a
aplicar es la que se presenta a continuación con la fórmula:
VoltmmVolt
mmVolt
Volt
VVDVW
VWV
pressurepartial
airapplied
⋅⋅=
⋅⋅⋅= 3.1_
Donde:
- V aplicado ≡ es el voltaje al que el artículo debe ser testado.
- VW ≡ es el voltaje de ruptura del aire a presión ambiente
(~3kV/mm).
- VW presión parcial ≡ es la tensión de ruptura de la curva de
Paschen (170 – 250V).
- VD ≡ es el diámetro de la burbuja en el peor de los casos.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
87
- V ≡ es el voltaje máximo al que se ve el artículo en vuelo,
incluyendo ondas (teniendo en cuenta los efectos del campo
incrementado).
Esta fórmula garantiza que la aplicación de la prueba de voltaje
detectará las descargas parciales, teniendo en cuenta que dichas descargas
tendrán lugar con mayor facilidad en una presión parcial que en una presión
ambiental.
El voltaje aplicado no deberá superar el ratio del componente a ser
testado; en caso contrario, se deberá aplicar una prueba 1,5 veces la tensión
en una cámara de vacío en la que el aire ha sido evacuado y luego poco a
poco se ha dejado entrar en la cámara, de forma que cualquier invalidez sea
demostrable a través de una presión parcial durante la prueba para un
espacio de tiempo satisfactorio.
Para su criterio de aceptación no se aceptará ninguna descarga
parcial, tal y como se define la Figura 25.
3.2.2 Pruebas de Descarga Parcial (nivel de módulo o equipo)
Se realizará la descarga parcial en AC, DC o con una rampa de
voltaje, a presión ambiente o en vacío, tal y como se estipula posteriormente
en este apartado. Se podrán proponer otros métodos para ser aprobados por
la Agencia.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
88
La prueba deberá desarrollarse después de las pruebas de vibración
mecánica y de temperatura cíclica. La duración de la prueba y la descarga
parcial aceptable podrán variar (ver Figura 25).
Figura 25. Tabla de requisitos del ensayo PD de la normativa [Ref. 19]
Para su aceptación no se deberá registrar ninguna descarga parcial
por encima de los niveles establecidos en la Figura 25.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
89
3.2.3 Prueba de Evaluación a Nivel de Componente o Módulo
La prueba resulta ser relevante para los encapsulados de
componentes de la PSCU u otro equipo empleando sistemas electrónicos de
alto voltaje, y se desarrolla en muestras representativas que no formarán
parte del EQM, de forma que se verifique que el diseño de los componentes
es aceptable. La necesidad de realizar pruebas a nivel de componente o
módulo se plantea por una de las cuatro razones siguientes:
• Los componentes no pueden ser probados aceleradamente en un
grado suficiente al nivel de equipo.
• Se intenta minimizar el riesgo asociado al diseño de los
componentes previo a la elaboración del EQM.
• Determinadas pruebas son imposibles de desarrollar a nivel de
equipo.
• Procesos individuales no se pueden calificar por integración de los
mismos en el modelo de calificación de equipo.
Mientras que algunas evaluaciones son opcionales de cara a reducir
el riesgo, la prueba del encapsulado de componentes a nivel de componente
o módulo resulta obligatoria para permitir la fatiga y las pruebas de
envejecimiento seguidas por el DPA. Por ello, basadas en las directrices de
la [Ref. 22], las pruebas de los transformadores y los encapsulados de
componentes deben ser desarrollados para nuevos diseños.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
90
El método de prueba debe ser, en general, acorde a las directrices de
la norma [Ref. 19]. Las pruebas de evaluación deberán ser desarrolladas de
forma separada para los transformadores y los módulos HV.
• Transformadores
Todas las pruebas de transformador HV deberán ser desarrolladas en
la siguiente secuencia (cinco muestras de cada tipo de transformador *)
i. Prueba funcional
ii. Prueba mecánica
iii. Prueba funcional
iv. Almacenamiento frío en aire 24 horas
v. Almacenamiento caliente en aire 250 horas
vi. Prueba funcional
vii. Vacío térmico 100 ciclos, 1500horas, 1deg/min, 2 horas plateau
incluyendo 10 encendidos en frío y prueba de presión crítica en
el primer y último ciclo. Todas las temperaturas aplicadas
deberán ser mayores o iguales a la de calificación,
incrementada en 5 grados para el límite superior únicamente.
viii. Prueba funcional
ix. Entrega a la Agencia para la inspección y DPA
• Módulos HV
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
91
Los componentes se deben probar conjuntamente en un módulo HV
siguiendo la secuencia que se especifica a continuación (cinco muestras):
i. Prueba funcional
ii. Prueba mecánica
iii. Prueba funcional
iv. Almacenamiento frío en aire 24 horas
v. Almacenamiento caliente en aire 250 horas
vi. Prueba funcional
vii. Vacío térmico 100 ciclos, 1500horas, 1deg/min, 2 horas
incluyendo 10 encendidos en frío. Todas las temperaturas
aplicadas deberán ser mayores o iguales a la de calificación,
incrementada en 5 grados para el límite superior únicamente.
viii. Prueba funcional
ix. Entrega a la Agencia para la inspección y DPA
*El número de muestras se podrá reducir de 5 a 3 bajo acuerdo de la
Agencia.
** El número de ciclos/hora puede reducirse previo acuerdo con la
Agencia.
El criterio de aceptación es: el componente no podrá sufrir ningún tipo
de fallo.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
92
3.3 Condiciones Negociadas en Oferta
En este capítulo se recogen las líneas más importantes de la oferta
técnica donde se establecen los requisitos que se van a cumplir y las
pruebas que se van a hacer.
Se comenzará identificando los elementos afectados por la alta
tensión. Se considera elemento afectado a cualquier material, parte o grupo
de partes (módulo) o ensamblajes que debe manejar alto voltaje (V > 250
Vdc o 175Vrms AC). A pesar de que la prueba a desarrollar será diferente en
función de cómo se maneje el voltaje, aquella a aplicar a un circuito que
debe trabajar a 300V (como acelerador red de suministro) debe ser diferente
a la prueba realizada a aquella parte que sólo tiene que aislar a 300V ya que
su uso está claramente diferenciado.
3.3.1 Componentes
En general, un programa de evaluación basado en la norma [Ref. 23],
puede desarrollarse en aquellos componentes que la Empresa de
Electrónica Española utiliza en una aplicación para las que no han sido
específicamente fabricadas, o cuando son fabricadas bajo el diseño de la
Empresa de Electrónica Española, como por ejemplo:
• Isolation box isolators.
• Interconnection Plates.
• Feedthroughs.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
93
La evaluación se debe realizar acorde a un plan de evaluación
basado en los requerimientos de la norma [Ref. 23] en tres muestras no
montadas en el EQM.
Las piezas a ser montadas en el EQM se deben someter únicamente
a una nueva prueba de inspección.
No se realizará evaluación alguna a aquellas partes que son
fabricadas para aplicaciones de alto voltaje, bajo conocidas especificaciones
(MIL, NASA, SCC, etc.) o que ya están siendo utilizadas en aplicaciones
espaciales como:
• Retransmisión HV
• HV BJTs
• HV MOSFETs
• Resistencias HV
• HV Optocouplers
• Cables HV
Sólo una nueva inspección para chequear el aislamiento se debe
realizar a los relés de HV que vayan a ser montados en el EQM.
Todas las partes mencionadas arriba deben ser montadas en
ensamblajes que deben ser sometidos a Pruebas de Descargas Parciales y /
o Prueba de “Triple Junction” de forma que se garantice la idoneidad de la
aplicación.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
94
3.3.2 Restricciones a las pruebas requeridas en el [Ref. 23] (excepto la
potted modules HV)
En esta sección se hace referencia a algunas limitaciones y
descripciones de la manera en la que diferentes pruebas definidas en la
[Ref. 24] van a ser desarrolladas.
• Inspección de Entrada
Debe consistir en el desarrollo de una prueba de descarga parcial a
presión ambiental con un voltaje AC durante 10 minutos. La prueba de
voltaje pico debe ser 1,3 veces el voltaje nominal máximo (Vnom) de la
aplicación.
Criterio de aprobación / suspenso:
• No pulsaciones durante diez minutos por encima de 5pC.
• Voltaje inicial (1.000 pulsos / 10 minutos por encima de 10pC) > 1,5
* Vnom
Se ha seleccionado el valor de 5pC, ya que para valores menores, las
facilidades requeridas para asegurar la influencia de factores externos en las
mediciones no se encuentran disponibles; además, se trata del valor
estándar utilizado en el laboratorio de referencia (LCOE) donde el calibre de
set-up se puede desarrollar.
• Descarga Parcial.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
95
Esta prueba se debe desarrollar después de la prueba mecánica y el
ciclo de temperatura del ensamblaje o módulo.
Debe consistir en el desarrollo de la prueba de descarga parcial en
vacío con un voltaje AC durante diez minutos. La prueba de voltaje pico
debe ser 1,3 veces el voltaje nominal máximo (Vnom) de la aplicación.
Criterio de aprobación / suspenso:
• No pulsaciones durante diez minutos por encima de 5pC.
• Voltaje inicial (1.000 pulsos / 10 minutos por encima de 10pC) > 1,5
* Vnom
Se ha seleccionado el valor de 5pC, ya que para valores menores, las
facilidades requeridas para asegurar la influencia de factores externos en las
mediciones no se encuentran disponibles; además, se trata del valor
estándar utilizado en el laboratorio de referencia (LCOE) donde el calibre de
set-up se puede desarrollar.
• Aislamiento “Triple Junction”.
Esta prueba se debe desarrollar después del ciclo de temperatura y
en vacío.
Para el aislamiento de ensamblajes o módulos, esta prueba debe
consistir en medir la fuga / escape actual mientras se aplica 1,5 veces el
voltaje nominal máximo (V nom) de la aplicación durante 36 horas.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
96
Para el equipo y el ensamblaje Accelerator Grid Assembly, debe
consistir en medir el actual escape / fuga mientras se aplica en la operación
nominal el voltaje máximo nominal durante 36 horas.
En la práctica, para el equipo significa medir el actual escape mientras
la referencia de alto voltaje proporcionada por el “Beam Supply” es sustituido
por el Suministro Externo DC y la unidad, excepto el “Beam Supply”, está
operando normalmente.
Para el Accelerator Grid Assembly, el voltaje nominal máximo se debe
colocar con un suministro externo y el escape actual haber sido medido (el
suministro no puede estar operativo durante la medición).
Criterio de aprobación / suspenso:
• El escape actual no se debe alterar por encima del error de la
medida durante la prueba.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
97
4. Descripción del Aislador Estudiado
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
98
Esta nueva sección está dedicada única y exclusivamente al aislador
en estudio. Se tratará de justificar la utilización de este componente como
solución de diseño al problema planteado.
Asimismo, se realizará una descripción del aislador. El objetivo es el
de entender y conocer el componente que se desea validar, tanto desde el
punto de vista de los materiales que lo componen como desde el
correspondiente al tipo de unión utilizado para su fabricación y a las
características de los materiales utilizados para su diseño.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
99
En el desarrollo de este proyecto objeto de análisis, se han
encontrado multitud de posibles soluciones frente al problema de diseño.
Como se comentaba en el capítulo del estado del arte, a partir de ciertas
tensiones de funcionamiento se suele dirigir el diseño a un sistema aislado y
presurizado con un dieléctrico gaseoso como el SF6.
El problema que surge con estos sistemas presurizados es que la
tecnología de control de fugas no es del todo fiable hoy en día para su
aplicación en el entorno espacial. Estas fugas son muy perjudiciales en el
espacio, reduciendo la presión del dieléctrico, y, por lo tanto, la tensión de
ruptura del dieléctrico, pudiendo llegar a niveles inferiores de los de diseño y
provocar como poco la pérdida del equipo. No obstante, la tensión de
funcionamiento requiere de dicha tecnología.
Existen además otros parámetros dentro del proyecto, como el factor
tiempo para el desarrollo del producto, que en muchas ocasiones restringen
el margen de maniobra de los diseñadores, viéndose obligados a desechar
soluciones más óptimas y trabajar con sistemas prácticamente industriales.
La solución de separación de los circuitos de alta tensión con
respecto de los de baja tensión resulta ser la más acertada. No sólo es una
recomendación encontrada en la literatura consultada, sino que es, en la
actualidad, una práctica habitual. Pero quizás lo novedoso del método es el
concepto de doble jaula y la utilización de aisladores como soportes
estructurales.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
100
Los espaciadores, aisladores y pasamuros son elementos muy
importantes en el diseño de equipos de estructura abierta. La estabilidad
mecánica, las interfaces, así como el “flashover” superficial y su rigidez
dieléctrica deben ajustarse a los requisitos de funcionamiento.
Los materiales a utilizar requieren de un bajo nivel de “out-gassing”.
Los dieléctricos preferidos son: alúmina, epoxy, PMMA y PTFE, entre los
cuales, los cerámicos como la alúmina destacan por sus bajísimos niveles
de out-gassing y sus buenas propiedades tanto mecánicas como térmicas,
además de una remarcable resistencia a la radiación. El problema que
presentan, y por lo que en la gran mayoría de los casos se tiende a utilizar
materiales poliméricos, es que no son fáciles de manejar ni de mecanizar,
impidiendo diseños complejos.
En cuanto a las características de diseño existen tres reglas básicas
que hay que considerar [Ref. 18]:
a. Reducir la tensión de campo eléctrico en el cátodo de
“triple junction”.
b. Evitar trayectorias entre cátodo y electrones emitidos a
lo largo de la superficie del dieléctrico.
c. Construir barreras para impedir el desarrollo de
avalanchas de electrones a lo largo de la superficie.
Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, se barajaron dos
posibles soluciones de diseño: la utilización de aisladores comerciales
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
101
fabricados por Ceramic Seals; y la fabricación de los aisladores con
tecnología de soldadura y DBC (Direct Bonding Copper), utilizando la
alúmina como material dieléctrico.
Tras un estudio realizado por la Empresa de Electrónica Española, se
concluyó que la segunda de las opciones resultaba o bien excesivamente
cara si se realizaba fuera, o bien el tamaño del producto final era
relativamente grande también, o bien necesitaba más investigación si se
realizaba en España. Por ello, se desecharon dichas opciones y se optó por
trabajar con los aisladores comerciales.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
102
4.1 Descripción del aislador
La empresa del Reino Unido Ceramic Seals, con amplia experiencia
en el campo de las cerámicas y altas tensiones, ofrece una amplia gama de
productos de alta tensión con la utilización de alúmina como material
aislante. Productos como pasamuros individuales, pasamuros con varios
pines, conectores, heat sink, etc.
Ceramic Seals S.L. ha demostrado tener una gran experiencia en la
fabricación de productos de alta tensión, con demostrado control de sus
procesos de fabricación y con el sello de certificación ISO 9001, que se
muestra en la Figura 26.
Figura 26. Sello de certificación. [Ref. 39]
Dichos aisladores están compuestos por un disco de alúmina de
espesor mínimo de 3mm y diámetro de 33mm. A cada lado del disco se ha
soldado un cilindro de cobre de diámetro y longitud variable en función del
modelo seleccionado.
Estos aisladores cumplen las recomendaciones que en líneas más
arriba se comentaban. En la figura que se presenta a continuación se puede
ver la barrera que evita la avalancha de electrones a lo largo de la superficie.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
103
Figura 27. Recorrido de que dificulta la avalancha de e-. [Ref. 39]
El producto estándar es como el que se aprecia en la Figura 28.
Existe la posibilidad de encargar un diseño diferente en lo que al sistema de
anclaje se refiere.
Figura 28. Ilustración del aislador. [Ref. 39]
En la Figura 29 se muestra el plano del aislador estándar.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
104
Figura 29. Boceto del aislador. [Ref. 39]
A continuación, se realiza un análisis detallado de los materiales y
tipos de unión correspondientes al aislador objeto de estudio.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
105
4.1.1 Materiales
Dos son los principales materiales que caracterizan al aislador en
cuestión: la Alúmina 97.6%, con sus diversas variantes que se tratarán más
adelante, y el Copper Oxigen Free High Conductivity (Cu OFHC).
4.1.1.1 Alúmina 97.6%
La alúmina es un material cerámico de color blanco tiza de
consistencia similar a la arena fina. Muy versátil, sus propiedades le hacen
especialmente apta para aplicaciones donde la temperatura es un factor
crítico, además de su relativa facilidad para adaptarse a diversos trabajos y
usos.
La alúmina es uno de los materiales abrasivos más importantes y
ampliamente utilizados. Hace algunos años el procesamiento habitual en la
industria era el corindón2 artificialmente producido, o α-Alúmina, fabricado
2 Corindón: es un mineral formado por óxido de aluminio (Al2O3) que se encuentra en la
naturaleza bajo forma de cristales y forma amorfa.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
106
mediante un proceso térmico en el cual la Bauxita (FeO(OH) y Al2O3.2H2O)
era convertida al óxido.
Figura 30. Muestra de corindón.
En la actualidad, la industria emplea el proceso Bayer para producir
alúmina a partir de la bauxita. Junto con la sílice, es el ingrediente más
importante en la constitución de las arcillas y los barnices, impartiéndoles
resistencia y aumentando su temperatura de maduración. La alúmina resulta
vital para la producción de aluminio – se requieren aproximadamente dos
toneladas de alúmina para producir una tonelada de aluminio –.
El óxido de aluminio existe en la naturaleza en forma de corindón2, y
de esmeril. Ciertas piedras preciosas como el rubí y el zafiro, son formas de
alúmina coloreadas por indicios de óxidos de metales pesados; se pueden
fabricar piedras artificiales por fusión en la llama oxhídrica. La alúmina Al2O3
se halla también en forma de óxidos hidratados que son los componentes de
la Bauxita y de la laterita (ésta consta principalmente de hidróxidos alumínico
y férrico, sílice y menores proporciones de otros óxidos).
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
107
En los siguientes párrafos se procede a describir los aspectos más
relevantes de este material, como sus características estructurales, su
tipología y las formas de obtención y producción de la misma.
Características Estructurales
Los cristales de óxido de aluminio son normalmente hexagonales y de
tamaño diminuto. Los tamaños mayores de los granos se forman a partir de
numerosos cristales, a diferencia de los grandes granos monocristalinos del
carburo de silicio. Su peso especifico de aproximadamente 3.95g/cm3; y la
dureza puede llegar a ser de hasta 2000Knoop.
La estructura en forma de octaedro de alúmina, está compuesta por 6
grupos hidroxilos (OH-) o átomos de oxigeno dispuestos de tal manera que
cada uno forma un vértice del octaedro que se mantiene unido por un átomo
de aluminio en el centro. Algunas veces éste es sustituido por hierro en
estado ferroso o férrico. Los octaedros se encuentran unidos entre sí por una
hoja o lámina conocida como “hoja de alúmina” u “octaédrica”.
Clases de Alúmina
• Alúmina Activada o Adsorbente
La alúmina activada de forma porosa y adsorbente, se produce
calentando los hidratos a temperatura superficie de forma que se expulsa la
mayor parte del agua combinada. Es necesario regular el calentamiento, ya
que si la temperatura es demasiado alta no se obtiene la extensión máxima
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
108
de superficie. La sustancia comercial viene en granos gruesos, en terrones,
bolas y tabletas de diversos tamaños.
Una de las aplicaciones más importantes que tienen estas sustancias
es la desencadenación de gases y líquidos. La alúmina activada tiene la
propiedad de secar el aire hasta dejarle muy poca humedad. Los
experimentos efectuados por el National Bureau of Standards indican la
potencia de diversas desecantes.
Asimismo, la alúmina activada es un material con buenas propiedades
de adsorción de fluoruros del agua, constituyendo el material adsorbente
mas usado para este fin.
• Alfa Alúmina (α-alúmina, corindón)
La alúmina se usa principalmente para la obtención de aluminio
metálico, para lo cual debe de ajustarse a ciertas normas de pureza, con
propiedades físicas adecuadas para la reducción electrolítica. A causa de la
gran proporción de alúmina que contiene la bauxita, y de que se puede
refinar económicamente, ésta es la principal sustancia comercial a partir de
la cual se obtiene la α-alúmina. Una de las principales aplicaciones del
proceso Bayer es en la refinación de la bauxita. La α-alúmina se produce al
calentar a una temperatura mínima de 1250º C durante un periodo de varias
horas cualquiera de las alúminas hidratadas puras o γ-alúmina, no siendo
necesarias otras fases cristalinas.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
109
Esta variedad de alúmina tiene multitud de aplicaciones en la industria
y se producen diversas calidades conforme a la necesidad. Uno de los
caracteres notables de la α-alúmina es su dureza, 9 en la escala de Mohs;
por consiguiente, puede servir bien como abrasivo.
Entre otras aplicaciones, cabe destacar su empleo para lechos en el
tratamiento de aceros especiales de aleación, como fundente en la fusión de
aceros especiales, componente de vidrios de poca dilatación térmica y de
vidriados para porcelana, así como materia prima para la fabricación de
porcelanas dentales. Con poca proporción de carbonato sódico se usa como
material refractario para aisladores eléctricos, en los que conviene que no
haya carbonato.
• Alúmina Tabular
Es una variedad porosa de poca área que conserva su porosidad a
temperaturas comprendidas en el intervalo de fusión de la alúmina. En vista
de su gran estabilidad, se recomienda como portador de agentes activos en
reacciones en las que no es necesaria gran superficie, como son las de
oxidación. Por ejemplo: se puede convertir naftaleno en anhídrido ftálico
sobre alúmina o algún catalizador con soporte de alúmina. La alúmina
tabular se obtiene en variedades con menos de 0.05% de carbonato sódico.
La gran pureza y estabilidad de esta clase de alúmina la hace adecuada
como material inerte para intercambio de calor o reserva de calor a reservas
catalizadas. Bolas de alúmina tabular calentadas a alta temperatura por
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
110
combustión superficial se usa en el cracking térmico de gases de
hidrocarburos para la obtención de olefinas.
La alúmina tabular se prepara calentando alúmina calcinada por el
proceso Bayer, a temperatura no mucho menor del punto de fusión, y tiene
la forma cristalina del corindón. Se obtiene en tamaños que varían desde
terrones de unos 25mm hasta polvo pasado por el tamiz numero 300. Por
razón de su relativamente alto punto de fusión, de su poca contracción y de
su inercia química, esta alúmina resulta conveniente como materia
refractaria para altas temperaturas.
Tiene mucha aplicación en la fabricación de ladrillos de alta calidad y
formas para hornos de fusión de metales, tanques de vidrio, boquillas de
quemadores y usos similares en rudas condiciones de servicio. La alúmina
tabular resulta ser un material excelente para cuerpos de aisladores
eléctricos en la industria de la radio y para cuerpos de aisladores de bujías
de encendido en aviones y automóviles.
Se usa también como portador de catalizadores cuando es
indispensable la estabilidad a altas temperaturas. Aunque se emplea
alúmina refinada para cuerpos refractarios, se hacen ladrillos refractarios y
otras formas de alúmina menos pura.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
111
• Beta Alúmina (β-alúmina)
Hay referencias de una forma llamada β-alúmina, pero Ridgway y sus
colaboradores observaron que esta alúmina solo se forma en presencia de
un álcali. Por consiguiente, se trata esencialmente de un alúminato cuya
composición aproximada es Na2O·11Al2O3 (NaAl11O17).
• Gama Alúmina (γ-alúmina)
Cuando se calienta a temperatura suficientemente alta, los trihidratos
de alúmina o el alfa-monohidrato pierden su agua combinada y, a 900°C, se
forma una nueva variedad cristalina de alúmina llamada γ-alúmina.
Calentando la alúmina a más de 1000°C, se convierte en α-alúmina. En
consecuencia la γ-alúmina es una forma cristalina intermedia del óxido. La
formación de la γ-alúmina en la descomposición de un hidrato es progresiva,
y la imagen de difracción de los rayos X cambia en complejidad y precisión
de líneas al aumentarse la temperatura de calentamiento.
• Alúminas Hidratadas
Los precipitados que se forman cuando se tratan soluciones de sales
de aluminio con iones hidroxilos contienen proporción variable de agua y se
pueden representar con la fórmula AL2O3·H2O.
Estas sustancias se conocen también en la literatura con el nombre
de “hidróxidos de aluminio”. En este caso se suele asignar la fórmula
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
112
Al(OH)3 al trihidrato, y la fórmula AlO(OH) al monohidrato, también
denominado hidroxioxido .
Se forma rápidamente calentando el alfa trihidrato en solución acuosa
diluida de álcali a temperatura de unos 200°C. El monohidrato preparado de
esta manera tiene de ordinario cristales sumamente finos, da al tacto
sensación parecida a la del talco y embadurna el vidrio. Su densidad
aparente es muy baja, hasta de 80 g/dm3.
La conversión de alfa trihidrato en alfa monohidrato se efectúa
lentamente calentando y dejando envejecer suspensiones de los trihidratos
en álcali diluidos a temperaturas algo menores a los 100°C. Por lo general,
se forma algo de monohidrato cuando se expulsa el agua combinada del
trihidrato por calentamiento en aire a temperaturas de 300º C a 400º C.
Cuando se calienta el alfa monohidrato a unos 450°C pierde rápidamente el
agua combinada y por lo común se observa una detención térmica a esa
temperatura en la curva de calentamiento. El monohidrato se disuelve con
menos facilidad en acido y álcali que el trihidrato.
El monohidrato de beta alúmina se halla en la naturaleza en forma de
mineral diásporo, que suele estar contaminado con arcilla y otros minerales y
ser difícil de obtener en forma pura. Según Laubengayer y Weisz, el
diásporo se forma lentamente calentando gama alúmina o alfa monohidrato
en agua a presión, a unos 400°C, en presencia de cristales de diásporo que
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
113
sirven de núcleo. El beta monohidrato es menos soluble que la forma alfa y
se convierte en alfa alúmina por calcinación.
El trihidrato de alfa alúmina es el trihidrato cristalino que se produce
en el proceso Bayer mediante siembra de núcleos y enfriamiento de la
solución de aluminato sódico obtenido por digestión de la bauxita. Se halla
en la naturaleza en forma del mineral gibbsita y es el principal componente
de una variedad de bauxita.
El alfa trihidrato empieza a perder agua al pasar de unos 150°C; la
perdida es rápida hacia 300°C y por lo general se observa una detención
térmica a esta temperatura en la curva de temperatura y tiempo.
Este material se usa mucho para producir compuestos de aluminio
como el sulfato alumínico sin hierro, el aluminato sódico, el sulfato alumínico
básico, el cloruro y el fosfato, puesto que reacciona fácilmente con ácidos
inorgánicos y álcalis fuertes. Otras importantes aplicaciones son la
fabricación de vidrio, esmaltes vítreos, esmaltes de cerámica, artículos de
cerámica y vidriados para porcelana. Añadiendo el hidrato al vidrio, aumenta
la resistencia mecánica de éste y su resistencia al choque térmico,
haciéndose el vidrio más resistente a la desvitrificación, a los agentes
atmosféricos y al ataque de líquidos.
Asimismo, este trihidrato es buena materia prima para la preparación
de alúmina activada. En la precipitación del hidrato por medio del proceso
Bayer, los tanques quedan revestidos de una capa gruesa y dura del
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
114
trihidrato. Este material, machacado para convertirlo en terrones y granos y
calentado para expulsar el agua combinada, resulta ser un magnífico
adsorbente y portador de catalizadores.
El trihidrato de beta alúmina se puede preparar neutralizando una
solución de aluminato sódico con dióxido de carbono a temperatura de 20 a
30°C. Es indispensable para su formación la precipitación rápida. También
se puede formar el beta trihidrato durante la precipitación de alúmina por
álcalis en soluciones de sales y aluminio. Este compuesto es meta estable y
se convierte lentamente en alfa trihidrato cuando se deja reposar en contacto
con álcali. La transformación se acelera por el calor. El beta trihidrato no se
halla en la naturaleza y algunas veces se le da el nombre de bayerita.
Tanto el beta trihidrato y sus mezclas como el alfa trihidrato se
preparan en forma de polvos livianos y sedosos formados por partículas
sumamente pequeñas y de tamaño uniforme. Estas alúminas finas son
buenos pigmentos reforzadores del caucho. Se usan con algunos cauchos
sintéticos, particularmente con el G-RS. Sirven también para glasear el
papel, como base de polvos cosméticos, como un pigmento para pinturas de
caseína y como material de relleno para compuestos plásticos moldeables.
Obtención de la Alúmina
Se realiza con la explotación del yacimiento a cielo abierto, sin
voladuras. El mineral se obtiene directamente de los diferentes bloques del
yacimiento con el fin de obtener la calidad requerida del mineral, con palas
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
115
que arrancan y cargan la bauxita en camiones de alto tonelaje y la
transportan hasta la estación de trituración. En el sistema de trituración, la
bauxita se traslada hasta un molino donde se reduce el material a un tamaño
de grano inferior a los 100mm para su fácil manejo y traslado.
En la Figura 31 se muestra un esquema de las principales etapas en
el proceso de obtención de la alúmina.
Figura 31. Proceso de obtención de alúmina. [Ref. 42]
• Predesilicación
Consta de cuatro tanques calentadores de 1.7m3 y bombas
destinados a controlar los niveles de sílice (SiO2), en el licor de proceso y la
alúmina. El proceso consiste en elevar la temperatura de 650m3/h de pulpa
de bauxita a la temperatura de 100° C, manteniéndola durante 8 horas, al
tiempo que se agita el material.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
116
• Trituración y molienda
Tiene como función reducir el mineral de bauxita a un tamaño de
partículas apropiado para extracción de alúmina.
• Desarenado
Separa los desechos insolubles de tamaño comprendidos entre .1 y .5
mm, los cuales se producen en la etapa de disolución de la alúmina en el
licor cáustico.
• Separación y lavado de lodo
Esta área tiene como funciones la separación de la mayor parte de los
desechos indisolubles, comúnmente llamados “lodos rojos” (producto de la
disolución de alúmina en el licor cáustico) y la recuperación de la mayor
cantidad de soda cáustica asociada a estos desechos, empleando para ello
una operación de lavado con agua en contracorriente.
• Caustificación de carbonatos
Controla los niveles de contaminación del licor de proceso a través del
carbonato de sodio (Na2 CO3). Capacidad: 600m3 de licor/hora, para la
conversión de 4 toneladas de carbonato de sodio a carbonato de calcio
(CaCO3) por hora, el cual se elimina en el proceso.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
117
• Apagado de cal
Tiene la función de apagar la cal viva y producir una lechada de
hidróxido de calcio que se utiliza en la separación y lavado del lodo, en la
caustificacion de carbonatos y en la filtración de seguridad.
• Filtración de seguridad
Separa las trazas el lodo rojo en el licor madre saturado en alúmina.
• Enfriamiento por expansión
Opera la reducción de la temperatura del licor madre al valor
requerido para el proceso de precipitación de alúmina.
• Precipitación
En esta área la alúmina es disuelta en el licor madre y en estado de
sobresaturación es inducida a cristalizar en forma de trihidroxido de aluminio
sobre una semilla del mismo compuesto.
• Clasificación de hidrato
Clasificación por tamaño de partículas del trihidroxido de aluminio,
conocido como hidrato, producto que se utiliza para calcinar semilla fina y
semilla gruesa.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
118
• Filtración y calcinación de producto
En estas áreas se convierte el trihidroxido de aluminio en alúmina
grado metalúrgico, con máxima reducción de sodio soluble asociado al
hidrato.
• Filtración de semilla final
Filtración y lavado con agua caliente de la semilla fina a ser reciclada
en el área de precipitación, a fin de eliminar el oxalato de sodio y otras
impurezas precipitadas en ella y garantizar así el control de granulometría
del hidrato.
• Filtración de semilla gruesa
Filtración de la semilla gruesa con el fin de reducir al máximo el
reciclaje de licor agotado, con poca capacidad para precipitar el hidrato.
En el proceso Bayer, la bauxita es lavada, pulverizada y disuelta en
soda cáustica (hidróxido de sodio) a alta presión y temperatura; el líquido
resultante contiene una solución de alúminato de sodio y residuos de bauxita
que contienen hierro, silicio, y titanio. Estos residuos se van depositando
gradualmente en el fondo del tanque y luego son removidos. Se los conoce
comúnmente como "barro rojo".
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
119
Producción de la Alúmina
La solución de aluminato de sodio clarificada es bombeada dentro de
un enorme tanque llamado precipitador. Se añaden finas partículas de
alúmina con el fin de inducir la precipitación de partículas de alúmina puras,
una vez que el líquido se enfría. Las partículas se depositan en el fondo del
tanque, se remueven y luego son sometidas a 1100 ° C en un horno o
calcinador, para eliminar el agua que contienen, producto de la cristalización.
El resultado es un polvo blanco, alúmina pura. La soda cáustica es devuelta
al comienzo del proceso y usada nuevamente.
A modo de ejemplo, en la Figura 27 se refleja una cadena de
producción de la alúmina y el la las propiedades mas significativas de ésta.
Figura 32. Cadena de producción de alúmina de la empresa Aluar. [Ref. 42]
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
120
10MHz 9.53 9.91 10.14
1000MHz 9.00 - -
8500MHz 9.04 9.32 9.54
10MHz 0.00004 0.00016 0.00052
1000MHz 0.00030 - -
8500MHz 0.00045 0.00040 0.00072
10MHz 0.00038 0.00158 0.00527
1000MHz 0.00270 - -
8500MHz 0.00407 0.00373 0.00687
25°C >1014
300°C 1.0 x 1012
600°C 2.3 x 1010
900°C 5.0 x 108
Loss Factor
Volume Resistivity
Ohm-cm
Material Properties-Alumina (Al2O3)
Technical Information
Dielectric constant
Dissipation Factor
(Tanδ)
6.9
7.8
8.5
8.8
9.0
Only the highest quality alumina is employed in the construction of our products. The alumina content can vary with the particular application but is normally in the range of 97.6% to 99.5%. High electrical resistivity, corrosion resistance, good thermal shock resistance, together with a consistency in its properties and a relatively simple manufacturing route make alumina the accepted material where high performance, reliability and strength are crucial.
1650°C
43kV/mm
Per °C(x10-6) 25°C - 200°C
200°C - 400°C
400°C - 600°C
600°C - 800°C
800°C - 1000°C
97.6%
300MN/m2
0.00% Water Absorption
White
75 Rockwell 45N
24W/mK
Al2O3
Flexural Strength
Porosity
Colour
Hardness
Thermal Conductivity (at 20°C)
Maximum Working Temperature
Dielectric Strength
Tabla 8. Tabla de propiedades de la alúmina 97.6%. [Ref. 39]
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
121
Los cerámicos de alúmina son materiales impermeables que
normalmente no necesitan de ningún tratamiento superficial adicional para
hacerlos más adecuados en aplicaciones de Alto Vacío y de Muy Alto Vacío.
Las condiciones más óptimas para obtener el mayor rendimiento de estos
materiales en aplicaciones eléctricas se consigue con una limpieza
cuidadosa de los mismos y sin ningún tipo de recubrimiento vítreo en la
alúmina. Bajo estas condiciones se logra una resistividad superficial en la
alúmina del orden de 1013 Ω-cm a temperatura ambiente.
El acabado exterior del esmalte aplicado sobre el material actúa como
repelente de la suciedad y la contaminación y reduce el riesgo de la
formación de caminos de contaminación a lo largo del aislador. También
ofrece una limpieza más sencilla del elemento, disminuyendo así el
mantenimiento del equipo.
Moldeo por Sinterizado de la Alúmina
Sinterización es el tratamiento térmico de un polvo o compactado
metálico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para
incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes
entre las partículas.
En la fabricación de cerámicas, este tratamiento térmico transforma
de un producto en polvo en otro compacto y coherente. La sinterización se
utiliza de modo generalizado para producir formas cerámicas de alúmina,
berilia, ferrita y titanatos.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
122
En la sinterización las partículas coalescen por difusión al estado
sólido a muy altas temperaturas, pero por debajo del punto de fusión del
compuesto que se desea sinterizar. En el proceso, la difusión atómica tiene
lugar entre las superficies de contacto de las partículas a fin de que resulten
químicamente unidas.
Aplicaciones de la Alúmina
La industria del aluminio primario utiliza la alúmina fundamentalmente como
materia prima básica para la producción del aluminio. Además, la alúmina se
utiliza de manera complementaria para:
• Aislante térmico en la parte superior de las cubas electrolíticas.
• Revestimiento de protección para evitar la oxidación de los ánodos
de carbón.
Absorción de las emisiones provenientes de las cubas.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
123
4.1.1.2 Copper Oxigen Free High Conductivity (Cu OFHC)
Es un cobre libre de oxígeno y de alta conductividad eléctrica. Se
obtiene refundiendo los cátodos de cobre electrolítico en hornos eléctricos
de inducción en atmósfera inerte. Posee gran ductilidad, pero tiene alguna
impureza que afectan a la red cristalina.
El cobre aparece en forma de sulfuros, óxidos y carbonatos. Su
obtención se lleva a cabo por dos vías:
• Vía seca: que se realiza en 4 fases:
- Concentración del mineral:
Fase en la que se lleva a cabo la eliminación de la “ganga”.
- Eliminación parcial del hierro:
A través del proceso de tostación incompleta, en esta fase se realiza
la eliminación parcial del hierro y azufre. El hierro se va en forma de óxido,
quedando una masa de sulfuro de cobre llamada mata blanca.
- Oxidación de la mata
Para la eliminación del resto del hierro, la mata obtenida en el proceso
anterior se oxida en convertidores. El resultado es un cobre bruto o cobre
negro de una pureza en torno 90÷98%.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
124
- Afino del cobre:
Mediante la utilización de hornos de reverbero, se procede a la
eliminación de impurezas.
• Vía húmeda.
Nomenclatura del cobre:
- Cobre: elemento químico.
- Cobre metal: cristaliza en cubos centrados en las caras.
- Cobre Blister: obtenido por fusión de la Mata.
- Cáscara de cobre: obtenido por vía húmeda.
- Cobre electrolítico: obtenido por electrólisis.
- Cobre OFHC: libre de oxígeno, altamente conductor y muy
dúctil.
A continuación se describen las propiedades, tratamientos,
aplicaciones y formas comerciales del cobre.
Propiedades del cobre
El cobre es un metal de color rojizo más o menos oscuro. Blando y
con un punto de fusión de 1083º C. Es, después de la plata, el mejor
conductor de la electricidad y el calor.
De entre otras propiedades del cobre, destacan las mecánicas y las
químicas.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
125
• Propiedades mecánicas
Es dúctil y maleable. Tiene un alargamiento del 50%. Adquiere gran
acritud cuando se deforma en frío.
• Propiedades químicas
Resiste al agua pura a cualquier temperatura. Los agentes
atmosféricos lo atacan formando una película verde (sulfato de cobre o
verdín). En zonas próximas al mar le atacan los cloruros.
Al calentarlo a 120º C se forma una película roja de çocido cçuprico
(CuO) y a los 500º C se oxida por completo.
Se alea muy fácilmente con Au, Ag, Snm Zn y Ni y difícilmente con Pb
y Fe.
Es fácilmente soldable. Con estaño forma el bronce y con cinc el
latón.
Tratamientos del cobre
• Tratamientos mecánicos: forjado, laminado o trefilado en frío.
• Recocido de estabilización: se eliminan las tensiones producidas
por la deformación en frío.
• Recocido contra la acritud: para ablandar el cobre frágil que había
sido endurecido por golpeo o trefilado.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
126
Aplicaciones del cobre:
• Por su gran conductividad térmica, se emplea en la fabricación de
serpentinas de refrigeración, hornos de baños...
• Por su gran conductividad eléctrica, se utiliza en la fabricación de
conductores eléctricos (cables).
• Por su resistencia a la corrosión, se emplea en la industria química.
Formas Comerciales:
• Chapas, tubos, alambres (0,1 mm a 2 cm) y varillas.
El cobre libre de oxígeno tiene una excelente conductividad eléctrica
térmica, siendo la más alta entre los diferentes grados de cobre que se
pueden encontrar en el mercado. Gracias a la alta pureza del material y su
homogeneidad de propiedades, este cobre tiene un comportamiento estable
en todas las direcciones.
En la Figura 33 se muestra un gráfico en el que se puede ver la gran
conductividad eléctrica que posee dicho material, de acuerdo con el método
de medición SIGC. La conductividad térmica presenta también una ventaja
similar.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
127
Figura 33. Conductividad eléctrica del Cu OFC.
La obtención de máxima pureza lleva consigo una mínima variación.
Esto significa que el contenido de cobre sin oxígeno es muy alto, cerca del
99,996%, y las pequeñas impurezas no afectan a las propiedades. Así, cada
pieza se comporta exactamente de la misma manera en la fabricación y en
la aplicación - una y otra vez, año tras año.
A continuación, se muestra la distribución de contenido de oxígeno en
el OFC en la Figura 34. La variación es limitada debido a las buenas
condiciones de fusión y colada que se mantienen invariables a lo largo del
proceso.
Figura 34. Distribución del contenido en oxígeno.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
128
La conformabilidad o maleabilidad es importante en todas las
aplicaciones en las que el cobre tiene que ser doblado. Una medida de
conformabilidad es la reducción de área (RA) en los ensayos de tracción, en
que el espécimen se estira hasta que se rompe, tal y como se observa en la
Figura 30.
Figura 35. Ensayo de tracción.
Donde:
- A1 ≡ original área de sección transversal
- A2 ≡ área de sección transversal de la superficie a romper
Cuanto menor sea el área donde se produce la fractura, mejor es la
ductilidad del material. En la Figura 36 se puede comparar la ductilidad del
cobre libre de oxígeno y la de otro tipo de cobre.
Figura 36. Comparación ductilidad del cobre.
Existe un fenómeno que causa una gran pérdida de propiedades
mecánicas. Este fenómeno es el debilitamiento por absorción de hidrógeno.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
129
Se produce debido a la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno libre que
puede encontrarse en el cobre. La reacción provoca la aparición de
porosidades internas y la operación a temperaturas elevadas acelera el
dicho proceso.
El cobre OF, al no contener nada de oxígeno, no se ve afectado por
dicho fenómeno de debilitamiento por hidrógeno. Esto hace que este tipo de
cobre sea muy adecuado para soldadura y aplicaciones en vacío.
En la imagen derecha de la Figura 37 se muestra el contraste entre
una soldadura con cobre OF, y en la de la izquierda otra soldadura con
cobre con contenido de oxígeno. La primera de ellas se ve mucho más
compacta y limpia, mientras que la segunda imagen aparece con
porosidades y escoria.
Figura 37. Soldadura TIG en ambiente húmedo.
Por la misma razón comentada anteriormente, el cobre libre de
oxígeno presenta una unión fiable con la mayoría de métodos de soldadura y
brazing. Si tratamos de realizar una unión soldada en un ambiente húmedo,
las moléculas de agua atacarán al cobre que, si tiene presencia de oxígeno,
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
130
el hidrógeno del agua reaccionará con éste dando origen al fenómeno de
debilitamiento por hidrógeno.
En la Tabla 9 se presentan las propiedades típicas del cobre OFHC
C10200. Pero dentro de este tipo de cobre existe también un amplio rango
de variación en las propiedades, por lo que se necesitará realizar ensayos
para la caracterización del componente.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
131
Density 8.90 g/cc
Mechanical Properties MetricTensile Strength, Ultimate 261 - 441 MPaTensile Strength, Yield 88.0 - 324 MPaElongation at Break 6.00 - 30.0 %Modulus of Elasticity 117 - 132 GPaPoissons Ratio 0.310Izod Impact 34.0 - 61.0 JMachinability 20.0 %
Shear Modulus 44.0 GPa
Electrical Properties Metric
Thermal Properties Metric
@Temperature 20.0 - 100 °C17.3 µm/m-°C
@Temperature 20.0 - 200 °C
17.7 µm/m-°C@Temperature 20.0 - 300 °C
0.385 J/g-°C391 W/m-K
Melting Point 1083 °C
Material Components Properties Metric
Oxygen-free high conductivity Copper, Hard, UNS C10200
Copper, Cu
Physical Properties
Electrical Resistivity
CTE, linear 20°C
Specific Heat Capacity
Tabla 9.Propiedades del Cobre OFHC
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
132
4.1.2 Tipo de Unión
En primer lugar, se debe realizar una distinción entre los conceptos de
soldadura (“welding”), soldadura blanda (“soldering”) y soldadura fuerte
(“brazing”). Estos tres procesos se derivan de la unión de materiales, con la
gran diferencia de que en los dos últimos no se llega a fundir el material
base, sólo el material de aporte.
En el proceso de la soldadura fuerte (o "brazing") la temperatura de
fusión del metal de relleno está por encima de los 450° C, habitualmente
entre 600° C y 800° C., mientras que para la soldadura blanda (o “soldering”)
cuando se unen dos metales con un metal de relleno cuya temperatura de
fusión está por debajo de los 450° C, normalmente entre los 200° C y los
400° C.
Dentro del proceso de soldadura “welding” existen diferentes técnicas
de unión, entre las que cabe destacar las siguientes:
- Soldadura de arco manual (SMAW – Shielding Metal Arc
Welding)
- Soldadura MIG – Metal Inert Gas (también GMAW – Gas
Metal Arc Welding)
- Soldadura TIG – Tuesten Inert Gas (también GTAW – Gas
Tuesten Arc Welding)
- Soldadura de arco sumergido (SAW – Sumerged Arc Welding)
- Soldadura por fricción (FSW – Friction Stir Welding)
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
133
- Soldadura por arco de plasma (PAW – Plasma Arc Welding)
En ambos procesos se obtienen normalmente uniones más
resistentes que el propio material base que se está uniendo.
Conocidos los tipos de procesos, se debe evaluar aquél que mejor se
ajusta a nuestras necesidades. Para una correcta selección del tipo de
proceso hay que fijarse en los siguientes puntos:
- Materiales que se van a unir.
- Espesor de los materiales que se van a soldar.
- Tamaño del ensamblaje.
- Configuración de la unión.
- Volumen de producción.
- Apariencia de la unión.
En la evaluación de dichos parámetros aplicados a nuestro
componente, se obtiene la siguiente tabla de valoración:
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
134
Tipo Welding Brazing
Materiales Necesidad de técnicas sofisticadas para unir materiales diferentes.
Ningún problema para unir materiales diferentes.
Tamaño Tamaños grandes de ensamblaje.
Mejor para tamaños pequeños. Los grandes disipan mucho calor aportado.
Espesor Puede llegar a quemar el material si el espesor es muy pequeño.
Todos.
Unión Más rápido y económico cuando son puntos de soldadura (uniones localizadas).
Para uniones lineales o superficiales resulta mejor.
Car
acte
rístic
as
Estética Necesita otros procesos para conseguir un buen acabado superficial
Buen acabado sin necesidad de acudir a otros procesos.
Tabla 10. Valoración de los procesos de soldadura.
En vistas a la información de la tabla, parece lógico acudir a la
soldadura por brazing para la fabricación de esta pieza de aislamiento,
compuesta por alúmina y cobre, dos materiales diferentes.
Soldadura Brazing
La soldadura fuerte (conocida a veces con la palabra inglesa
"brazing"), define el proceso de unir dos metales mediante un proceso de
calentamiento a la temperatura adecuada, utilizando en la unión un metal de
relleno con una temperatura de fusión inferior a la de los metales que se
deben unir y que no intervienen en el proceso de soldadura.
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
135
La soldadura brazing une los materiales creando una unión
metalúrgica entre el material de aporte y la superficie de los dos materiales.
El material de aporte, al alcanzar su temperatura de fusión, se funde y se
introduce por efecto capilar a través de las hendiduras, cavidades o poros de
ambos materiales creando la unión.
Cada vez que hay que unir dos metales iguales o distintos, habría que
someterlos a un proceso de soldadura bien sea fuerte o blanda para:
- Crear una unión permanente y de alta resistencia.
- Simplificar la operación mecánica, introduciendo la unión de
piezas pequeñas.
- Adoptar técnicas de producción sencillas, siempre
compatibles con las exigencias de la producción en cadena.
Brazing es probablemente el método más versátil para unir metales
hoy en día. Las uniones con brazing son uniones fuertes en metales no
férricos y aceros, cuya resistencia muchas veces supera la de los metales
bases. De hecho, en acero inoxidable, es posible desarrollar una soldadura
con una tensión de 895 MPa. Las soldaduras con brazing son dúctiles,
considerablemente fáciles y rápidas de hacer y cuando son hechas
correctamente, prácticamente no hay necesidad de un proceso de acabado
superficial. La unión por Brazing es ejecutada relativamente a bajas
temperaturas, reduciendo la posibilidad de deformaciones,
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
136
sobrecalentamientos, o fundición de los metales a ser soldados. Además,
resulta ser económico y altamente adaptable a métodos de automatización.
Teniendo en cuenta que los metales bases nunca se funden, estos
mantienen básicamente intactas todas sus propiedades mecánicas y físicas.
Una ventaja importante del Brazing es la facilidad con la que se pueden unir
metales no similares: siempre que los metales bases no se derritan, en
realidad no importa si tienen diferentes puntos de fusión. Otra ventaja de las
soldaduras con brazing es su excelente apariencia, característica
especialmente importante en productos de consumo como es la industria
relacionada con los alimentos o bebidas donde los suaves acabados del
brazing no se convierten en una trampa para los materiales sólidos o
líquidos.
Existen muchas clases de juntas con brazing pero son dos en
particular las que constituyen los procedimientos básicos en brazing: la junta
de Tope y la junta de Plano. La junta de Tope tiene la ventaja de
proporcionar un espesor uniforme en la unión. La preparación de este tipo de
juntas es usualmente muy simple, sin embargo la fuerza de la soldadura de
Tope es limitada y dependerá, en parte, de la sección del área a soldar. En
cuanto a la soldadura de Plano, ésta proporciona el doble de espesor en la
soldadura.
En casi todas las juntas hechas con brazing el requerimiento principal
es simplemente la fuerza, pero frecuentemente hay otras condiciones que se
Capítulo 4 Descripción del Aislador Estudiado
137
podrían considerar cuando se prepara una junta. Por una parte, abría la
posibilidad de trabajar en un ensamble hecho con brazing que tuviera buena
conductividad eléctrica así como buena capacidad de presión. Por otra parte,
es importante tener en cuenta a ventilación del ensamblaje para que durante
el proceso de brazing el aire o los gases en expansión puedan escapar del
material fundido que fluye por la junta. Ventilando el ensamble también se
previene de que el fundente quede atrapado en la junta.
Capítulo 5 Simulaciones
138
5. Simulaciones
Capítulo 5 Simulaciones
139
En el capítulo de simulaciones se exponen los estudios realizados con
sofware de cálculo por elementos finitos (FEM). Se explica para cada
análisis, campo eléctrico, térmico y mecánico, el modelo con el que se ha
trabajado, el flujo de trabajo, la configuración del modelo, etc. Finalmente se
muestran los resultados obtenidos junto con una valoración de los mismos.
Se tratará también de contrastar analíticamente los resultados a los
que se han llegado con el software de análisis.
Capítulo 5 Simulaciones
140
5.1 Software de Simulación
Hoy en día nos podemos encontrar en el mercado multitud de de
programas de diseño CAD que ya llevan implementados software de análisis
por elementos finitos.
En nuestro caso se ha trabajado con los siguientes programas:
• SolidWorks 2006 SP0.0
Se ha utilizado este programa de diseño CAD para la elaboración del
modelo 3D de trabajo para las simulaciones.
• ProEngineer Wildfire 2.0
Este programa de diseño CAD se ha utilizado para el diseño de los
útiles necesarios para los setups de pruebas, así como para la elaboración
de los planos correspondientes para su fabricación.
• COSMOS DesignSTAR 4.5
Por último, las simulaciones de los diferentes casos de estudio se han
realizado con el software COSMOS DesignSTAR 4.5. En la Tabla 11 se
muestra los módulos de cálculo que posee el programa utilizado, de los
cuales utilizaremos el de transmisión de calor, cálculo estático lineal,
electromagnetismo y GEOSTAR.
Capítulo 5 Simulaciones
141
Tabla 11. Características del software de cálculo.
En la siguiente tabla, la Tabla 12, se recogen los programas de diseño
CAD con los que comparte compatibilidad CAD.
Tabla 12. Compatibilidad del software con los programas de diseño CAD.
Capítulo 5 Simulaciones
142
Para la importación de los modelos de trabajo el proceso que se debe
seguir es el siguiente: una vez creado el modelo 3D con el programa CAD
correspondiente se debe exportar el archivo en formato Parasolid, cuya
extensión será “.x_b”. Realizada la exportación del modelo al formato de
Parasolid, ejecutamos una importación de datos desde el programa de
simulación, indicando que el archivo a importar está en formato Parasolid.
Capítulo 5 Simulaciones
143
5.2 Modelo de Simulación
El modelo que se ha empleado en las simulaciones es resultado de
una serie de simplificaciones realizadas de otro modelo, concretamente de
una maqueta construida con anterioridad. Aunque la línea actual de trabajo
para el diseño interior y de soporte de la IsolationBox difiere en algunos
aspectos con el que presenta la maqueta mostrada en la Figura 38, se ha
decidido continuar con el concepto inicial para la realización de los estudios.
Tal y como se aprecia en la figura, la línea de trabajo histórica estaba
basada en la utilización de cuatro aisladores, fijados en una única dirección,
y dos en cada lado superior e inferior.
Figura 38. Maqueta de la isolation box inicial para pruebas de vibraciones.
Capítulo 5 Simulaciones
144
El motivo de esta simplificación es tener un modelo menos pesado
con el que poder con mayor facilidad, y que permitirá obtener mallados más
finos y resultados más próximos. El problema de trabajar con un modelo que
represente la maqueta completa, incluyendo el medio que lo rodea, se
presenta al realizar el mallado del mismo, estando limitado el tamaño del
elemento de mallado y resultando en una malla excesivamente gruesa. De
poder realizar un mallado aceptable, el problema se presentaría a la hora de
la resolución del estudio, siendo necesarios en algunos casos hasta horas
de ejecución de simulaciones. Por ello, resulta considerablemente más
favorable el realizar una simplificación del modelo y establecer las correctas
condiciones de contorno.
El modelo resultante utilizado para desarrollar los diferentes estudios
se presenta en la Figura 39 y Figura 40.
Figura 39. Vista dimétrica del modelo explosionado y sin explosionar.
Capítulo 5 Simulaciones
145
Figura 40. Vista frontal del modelo explosionado y sin explosionar.
Capítulo 5 Simulaciones
146
5.3 Campo Eléctrico
El software empleado para la realización de las simulaciones de
campo eléctrico es COSMOSDesignSTAR 4.5 módulo de campo eléctrico.
5.3.1 Configuración
5.3.1.1 Modelo de Trabajo
El modelo de trabajo es un modelo simplificado con el que se
pretende reducir el peso del mismo para poder utilizar un mallado más fino
en los elementos que este proyecto estudia. En la simplificación se ha
tratado de mantener cierta lógica para representar lo más fielmente la
realidad, y obtener unos resultados fiables y representativos del objeto de
estudio.
Figura 41. Vista isométrica del modelo de trabajo.
Capítulo 5 Simulaciones
147
Figura 42. Vista frontal del modelo para la simulación de campo eléctrico.
5.3.1.2 Parámetros de Estudio
Del modelo presentado en el apartado anterior se realizarán
diferentes estudios modificando una serie de parámetros del mismo para
examinar el comportamiento del diseño frente a diferentes situaciones.
Figura 43. Parámetros de estudio del modelo.
Los parámetros que se van a ir modificando para cada uno de los
estudios son:
• “a” ≡ distancia mínima de separación entre las dos jaulas. Los
valores entre los que se va a mover serán:
Medio
envolvente
Aislador
Cerámico
Capítulo 5 Simulaciones
148
- 3mm
- 4mm
- 5mm
• “b” ≡ distancia entre la alúmina del aislador y la cara vertical de la
jaula interior más cercana al aislador. Los valores a estudiar serán:
- 3mm
- 4mm
- 5mm
Con todo ello se tiene un total de nueve simulaciones diferentes para
obtener las variaciones del campo eléctrico en función de dichos parámetros
de diseño.
5.3.1.3 Mallado
Los datos de la malla utilizada son los siguientes:
Mesh Detail Mesh Type Solid Mesh Mesher Type Standard Mesh Quality Draft Automatic Transition On Smooth Mesh On Mesh Control Defined Element Size 3mm Tolerance 0,15mm Total Nodes 109627 Total Elements 637677
Tabla 13. Detalles del mallado del estudio eléctrico.
Capítulo 5 Simulaciones
149
Se han definido unos controles de mallado en los sólidos, caras o
vértices con el objeto de lograr aquél que más interesa, tanto un mallado
más fino como otro más grueso. Esto permite aligerar el modelo evitando
cargarlo en exceso con elementos que quizás no interesen tanto por no
aportar información relevante.
Los controles de mallado definidos son los que se muestran en la
Tabla 14:
Mesh Controls Nº Element Size (mm) Ratio Layers
1 Alúmina 0,5 1,25 5
2 Cobre (superficies) 1 1,25 5
3 Aire (sólido) 2 1,25 5
4 Aire (superficies) 1 1,25 5
5 Aire (aristas) 1 1,25 5 Tabla 14. Detalles de los controles de malla del estudio eléctrico.
En las siguientes figuras se visualiza el resultado del mallado
realizado al modelo.
En la primera de ellas, la Figura 44, se muestra el modelo completo
mallado, en el que se pueden apreciar las diferentes densidades de mallado
obtenidas a través de los controles establecidos.
Asimismo, se observa cómo en las proximidades del aislador, la
densidad de mallado aumenta tanto en el aire como en las superficies de
Capítulo 5 Simulaciones
150
separación de las jaulas. También se existe un mallado más fino en la arista
del aire que coincide con la arista de la jaula de alta tensión.
Figura 44. Modelo completo mallado.
En la Figura 45 se presenta el mallado del aislador, con una alta
concentración de mallado en la alúmina y en la arista de soldadura de unión
entre ambos materiales, cobre y alúmina. Se aprecia igualmente una alta
densidad en la superficie del cobre que se encuentra en contacto con el aire.
Figura 45. Mallado del Aislador de Alta Tensión.
Tal y como se comentaba en el párrafo anterior, el mallado es más
fino en las superficies del aire que se encuentran en contacto con el aislador.
Con esto se logran unos resultados más precisos en los puntos identificados
y definidos como los más críticos en el diseño.
Capítulo 5 Simulaciones
151
Figura 46. Mallado del Aire.
5.3.1.4 Condiciones de Contorno
Las condiciones de contorno establecidas para la simulación de
campo eléctrico son las siguientes:
• En las superficies superiores del aire, así como en el sólido de
cobre superior del aislador, tal y como se muestra en la Figura 47,
se establece la condición de conductor flotante al que le
definiremos posteriormente, en el análisis de los resultados, el
potencial al que se encuentra.
• En las superficie inferior del aire, así como en el sólido de cobre
inferior del aislador, tal y como se muestra en la Figura 47, se
establece la condición de 0V.
Figura 47. Condiciones de Contorno.
Capítulo 5 Simulaciones
152
5.3.2 Resultados
Los resultados obtenidos y analizados son la consecuencia de
simulaciones realizadas con un potencial definido en los conductores
flotantes de 1800V (tensión nominal de funcionamiento y diseño del módulo
de alta tensión) y 3600V (para posibles futuras ampliaciones de diseño).
De las simulaciones se obtienen multitud de datos, como el valor de
campo, potencial eléctrico,… en cada uno de los nodos que componen la
malla, así como resultados visuales tales como las figuras que a
continuación se presentan.
Figura 48. Distribución del campo eléctrico en el aislador.
Como es de esperar, en la Figura 49 se observa una gran
concentración de campo en el perfil de unión entre la alúmina y el cobre,
alcanzándose valores elevados que hay que tener controlados y ver cómo se
pueden atenuar.
Capítulo 5 Simulaciones
153
Figura 49. Distribución de campo eléctrico en la sección central del aislador.
En las imágenes de la Figura 50 se representa la distribución de
potencial eléctrico del aislador en su sección media, donde el color rojo
representa el potencial definido, 1800V o 3600V, y el azul el de 0V.
Figura 50. Representación de la distribución del potencial eléctrico.
Las dos siguientes imágenes recogen la distribución de campo
eléctrico tanto en el aislador como en el aire y la distribución del potencial
eléctrico. En la primera de ellas se pueden identificar los puntos y zonas más
críticas, aquellas con mayor acumulación de líneas de campo y por lo tanto
de mayor valor de campo.
Capítulo 5 Simulaciones
154
Figura 51. Distribución de campo eléctrico en la sección media del modelo completo.
Se aprecia cómo la zona de separación entre jaulas es una zona a
tener identificada como posible riesgo de diseño, así como la unión entre la
alúmina y el cobre. La concentración de campo en este punto es importante
y crítica en el lado del aire, donde se pueden llegar a dar descargas no
deseadas.
Capítulo 5 Simulaciones
155
Figura 52. Distribución potencial en la sección media frontal del modelo.
En la distribución de potencial eléctrico de la Figura 52, se puede
apreciar e identificar sin ningún tipo de dudas la localización del cobre.
En las siguientes figuras, de la Figura 53 a la Figura 56, se muestran
las líneas de campo eléctrico que aparecen en el modelo cuando se aplica
una diferencia de tensión entre las jaulas.
Figura 53. Líneas de campo eléctrico.
Capítulo 5 Simulaciones
156
En la Figura 54 se muestra en detalle las líneas de campo en el
centro de la alúmina donde se da la mayor concentración de campo.
Figura 54. Líneas de campo eléctrico en el centro de la alúmina.
En las siguientes figuras, la Figura 55 y Figura 56, se observan las
líneas de campo eléctrico que aparecen en las zonas críticas de estudio: la
zona “a” de separación entre jaulas; y la zona “b” de separación entre la
jaula a alta tensión y la alúmina del aislador.
Figura 55. Líneas de campo eléctrico en la zona “b”.
Capítulo 5 Simulaciones
157
Figura 56. Líneas de campo eléctrico en la zona “a”.
Capítulo 5 Simulaciones
158
5.4 Térmico
Para el cálculo de las solicitaciones que aparecen como consecuencia
de la existencia de un gradiente térmico en el componente, se han realizado
dos estudios: uno térmico y otro estático.
• Estudio Térmico
En este primer estudio se establecen las condiciones de temperatura
y disipación de calor en las que el aislador va a trabajar. El resultado es una
distribución de temperaturas a lo largo de todo el componente que será
utilizado en el siguiente estudio para obtener las solicitaciones que aparecen
como consecuencia de dicho gradiente.
• Estudio Estático
En este segundo estudio, como ya se comentaba en el párrafo
anterior, se calculan las solicitaciones que aparecen como resultado del
input del gradiente de temperaturas obtenido en el caso anterior.
El esquema de trabajo pues para esta segunda fase de simulaciones
es el siguiente:
Capítulo 5 Simulaciones
159
5.4.1 Configuración
5.4.1.1 Modelo de Trabajo
El modelo utilizado es el mismo modelo reducido definido en párrafos
anteriores con la diferencia de que en este se ha eliminado la presencia de
un medio gaseoso.
5.4.1.2 Parámetros de Estudio
Se han realizado una gran variedad de casos tratando de cubrir dos
objetivos diferentes. El primero de ellos es el de obtener los esfuerzos
térmicos a los que van a estar sometidos los aisladores en función del
número que se dispongan en el diseño, suponiendo una distribución
equitativa del calor a disipar. El segundo de ellos es el de obtener la
conductividad térmica del aislador en su conjunto.
BC Cargas Mesh
Ejecutar Simulación
Resultados Estudio Térmico
BC Cargas Mesh
Ejecutar Simulación
Resultados Estudio Estático
Documentación
Capítulo 5 Simulaciones
160
Según datos de diseño la potencia a disipar a través de los aisladores
es de un total de 50W. En la actual línea de diseño se está barajando la
posibilidad de fijar aisladores en los tres ejes para así tratar de reducir al
máximo el trabajo a flexión y torsión de los aisladores. Partiendo de esta
idea, suponemos un mínimo de seis aisladores, dos por eje. Por lo que, con
una distribución equitativa de potencia a disipar, queda que cada uno de
ellos deberá conducir como máximo un total de:
WWPaislador 3,86
50≈=
Partiendo del mínimo número de aisladores de los que se puede
disponer, estos se irán aumentando en un intento de abarcar los posibles
casos de diseño que se pueden llegar a dar. Los casos resultantes de este
planteamiento son los que se listan en la tabla siguiente:
Caso Nº
Pot. x Aislador (W)
Nº Aisladores Requerido
1 4 13 2 5 10 3 6 8 4 7 7 5 8 6
Tabla 15. Casos de simulación térmica.
Sin embargo, tras realizar el estudio de tensiones térmicas, se
observa que no aparecen solicitaciones por encima de los 200MPa, límite
establecido como máximo para este diseño e impuesto por el cobre. Por ello,
se decide ampliar el estudio para localizar el gradiente máximo que es capaz
de soportar el componente hasta alcanzar dicho valor de tensión.
Capítulo 5 Simulaciones
161
Por esta razón, a la lista anterior se le añaden los casos que se
muestran en la Tabla 16, aunque físicamente no se van a plantear a la hora
de diseñar la Isolation Box de la PSCU.
Caso Nº
Pot. x Aislador (W)
Nº Aisladores Requerido
6 10 5 7 12 5 8 14 4 9 16 4 10 18 3
Tabla 16. Segunda tanda de simulaciones térmicas.
5.4.1.3 Mallado
Los datos de la malla utilizada son los siguientes:
Mesh Detail Mesh Type Solid Mesh Mesher Type Standard Mesh Quality Draft Automatic Transition On Smooth Mesh On Mesh Control Defined Element Size 3mm Tolerance 0,105mm Total Nodes 170498 Total Elements 927032
Tabla 17. Detalles del mallado del estudio térmico.
Se han definido unos controles de mallado en los sólidos, caras o
vértices con el fin de obtener el mallado que más interesa, tanto un mallado
más fino como otro más grueso. Esto permite aligerar el modelo, evitando
cargarlo en exceso con elementos que quizás no interesen tanto por no
aportar información relevante.
Capítulo 5 Simulaciones
162
Los controles de mallado definidos son los siguientes:
Mesh Controls Nº Element Size (mm) Ratio Layers 1 Alúmina 0,35 1,25 5 2 Cobre (superficies) 0,5 1,25 5 3 Aluminio (superficies de contracto) 0,75 1,25 5
Tabla 18. Detalles de los controles de malla del estudio térmico.
En las figuras que se muestran a continuación se puede visualizar el
resultado del mallado realizado al modelo.
En la primera de ellas, la Figura 57, se muestra el modelo completo
mallado, en el que se ve las diferentes densidades de mallado conseguidas
a través de los controles establecidos.
Figura 57. Vista isométrica y frontal del modelo mallado.
En la Figura 58 se muestra el mallado resultante del aislador, con un
mallado muy fino tanto en la alúmina como en el cobre. En las transiciones
de material el cambio de tamaño de malla es proporcional.
Capítulo 5 Simulaciones
163
Figura 58. Vista isométrica y frontal del mallado del aislador mallado.
En la Figura 59 y Figura 60 se observa como en las superficies en las
que ser ha definido un control de malla el tamaño de la misma es más fino
que en aquellas donde a prevalecido el tamaño genérico. En las zonas de
transición de material se aprecia el cambio de mallado progresivo.
Figura 59. Vista isométrica e inferior del soporte superior de aluminio mallado.
Y debido a la condición de transición de ratio y número de capas,
podemos ver claramente como en la zona de contacto con el cobre, con otro
control de malla más fino aún, la malla del aluminio se adapta para coincidir
lo elementos y realiza una transición de malla suave y progresiva.
Capítulo 5 Simulaciones
164
Figura 60. Vista isométrica y superior del soporte inferior de aluminio mallado.
5.4.1.4 Condiciones de Contorno
Las condiciones de contorno definidas en para la configuración del
problema en estudio son las siguientes:
• Estudio térmico
Para la definición del problema térmico se han establecido las
siguientes condiciones de contorno:
- En la cara superior de la estructura de aluminio que simula la
jaula de alta tensión se establece una fuente de calor de valor
variable en función del caso en estudio (ver Tabla 15 y Tabla
16).
- En la cara inferior de la estructura de aluminio que simula la
jaula de aluminio de 0V, se fija la temperatura de las heat
pipes del caso más desfavorable (Tª = 323K).
Capítulo 5 Simulaciones
165
Figura 61. Condiciones del estudio térmico.
• Estudio estático
Para la definición del problema térmico se han establecido las
siguientes condiciones de contorno:
- En la cara inferior de la estructura de aluminio que simula la
jaula a 0V se establece una fijación rígida (desplazamiento
nulo en las tres direcciones).
- En las caras laterales de la estructura de aluminio que simula
la jaula a alta tensión, se establece la condición de simetría
(único desplazamiento posible en la dirección vertical).
Figura 62. Condiciones del estudio de solicitaciones térmicas.
Capítulo 5 Simulaciones
166
5.4.2 Resultados
5.4.2.1 Térmicos
En la Figura 63 y Figura 64 se muestra el flujo del calor a través de la
estructura modelada suponiendo un medio vacío como medio gaseoso que
rodea al aislador, es decir, sin transferencia de calor por convección, y sin el
fenómeno de la radiación.
Figura 63. Flujo de calor resultado de la simulación.
Capítulo 5 Simulaciones
167
Figura 64. Detalle del flujo de calor por las esquinas del modelo y cambio de material.
Las temperaturas que se recogen del estudio térmico son las que se
muestran en la siguiente Tabla 19:
Casos Q (W) T1 (K) T2 (K) ∆Tª R Cal. (K/W)
1 4 331,09 328,63 2,46 0,61 2 5 331,87 328,78 3,09 0,62 3 6 332,64 328,94 3,70 0,62 4 7 333,41 329,10 4,31 0,62 5 8 334,19 329,25 4,94 0,62 6 10 335,74 329,57 6,17 0,62 7 12 337,28 329,88 7,40 0,62 8 14 338,83 330,20 8,63 0,62 9 16 340,38 330,52 9,86 0,62
Qto
t = 5
0W
10 18
Res
ulta
dos
341,92 330,82 11,10 0,62 Tabla 19. Diferencia de temperatura en el aislador.
Capítulo 5 Simulaciones
168
Temperaturas
326
328
330
332
334
336
338
340
342
344
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Potencia Calorífica (W)
Tem
pera
tura
(K)
T1T2
Figura 65. Variación de temperatura en los extremos del aislador con la potencia
calorífica.
Y en la figura que se muestra a continuación se aprecia la distribución
de temperaturas en el aislador.
Figura 66. Distribución de temperaturas en el modelo.
Capítulo 5 Simulaciones
169
Cálculos analíticos
Resulta interesante y necesario para contrastar la congruencia de los
resultados obtenidos con el software de simulación el realizar unos cálculos
analíticos del problema en cuestión. Esta comparativa de resultados nos
ayuda a comprobar si el modelo con el que se ha trabajado está
correctamente definido y nos está calculando y actuando como nosotros
esperamos.
El problema a resolver se reduce a un estudio de conducción simple
unidimensional de estado estable, sin la existencia de otros fenómenos de
intercambio de calor: ni convección ni radiación, con lo que las ecuaciones
de estudio son relativamente sencillas si se plantean las hipótesis correctas.
El planteamiento pues del problema térmico a resolver es el que se
muestra en la Figura 67, donde se puede observar que se ha simplificado el
problema a un circuito de resistencias térmicas en serie. Se tiene en cuenta
también para el cálculo la influencia de las resistencias de contacto aluminio-
cobre, así como la resistencia térmica de la soldadura de unión del
componente entre la alúmina y el cobre.
Capítulo 5 Simulaciones
170
2T
Cu (1) Cu (3)
Al2O3 (2)
A
L1 L2 L1
34 4
Q
T
1T
Figura 67. Esquema de conducción térmica.
Donde cada uno de los materiales que conforman el modelo son los
definidos en la Tabla 20.
Nº Material 1 OFHC – Cobre 2 Al2O3 al 97,6% 3 OFHC – Cobre 4 Aire / vacío 5 Aluminio 6 Aluminio
Tabla 20. Materiales que componen el modelo.
El método de contraste de resultados es el siguiente:
• En función de las condiciones que se establezcan en el estudio,
potencia a disipar por aislador, se calculará de forma analítica la
diferencia de temperatura que debería aparecer en los extremos
del aislador. Para ello se calculará previamente la resistencia del
45 6
Capítulo 5 Simulaciones
171
aislador a partir del esquema simplificado de resistencias térmicas
que se puede ver en la Figura 68.
• Del estudio por elementos finitos se obtendrá la distribución de
temperaturas en el aislador, y por lo tanto se dispondrá de la
diferencia de temperaturas en los extremos del aislador. Con las
condiciones de potencia a disipar y la diferencia de temperaturas
se podrá calcular la resistencia térmica del aislador.
Una vez realizados los cálculos y las simulaciones se compararán
tanto las resistencias térmicas como la diferencia de temperaturas obtenidas
de forma analítica y por elementos finitos.
Las primeras simulaciones se llevaron a cabo sin definir las
resistencias térmicas de contacto entre el cobre y el aluminio. Tampoco se
definió la resistencia térmica de la interfaz de soldadura del componente.
Con lo que se realizará una primera comparativa entre estos resultados y los
resultados numéricos.
T2
Q
R2R1 R1Rc Rsold Rc RsoldT1
Figura 68. Esquema simplificación de resistencias térmicas.
• Para el cálculo de los parámetros que vamos a compara se
utilizarán las siguientes fórmulas:
Para el cálculo de la resistencia del modelo de simulación:
Capítulo 5 Simulaciones
172
WKR
QTR
=
Δ=
][
Donde:
- ∆T ≡ diferencia de temperatura entre los extremos del aislador
obtenida de los resultados de la simulación;
- Q ≡ calor a disipar establecido como condición de carga en el
modelo de simulación.
• Para los cálculos numéricos, primero se calcularán las resistencias
del esquema simplificado de resistencias en serie para cada uno de
los materiales. El procedimiento se explica en párrafos posteriores.
Calculada la resistencia térmica total entre los extremos del
componente, se calculará la caída de temperatura con la hipótesis
de trabajo de calor a disipar establecida en cada uno de los casos
a simular. Esta fórmula es:
KWKWT
RQT
=⋅=Δ
⋅=Δ
][
Donde:
- Q ≡ calor que circula a entre los extremos del componente,
definido en cada uno de los casos a simular.
Capítulo 5 Simulaciones
173
- R ≡ resistencia térmica total calculara analíticamente que para
el componente.
Los datos utilizados para el cálculo de cada uno de las resistencias
son:
DATOS Parámetro Valor Unidades
L1 8 mm L2 3 mm k1 0,024 W/mm-K k2 0,385 W/mm-K A 240,53 mm2
Sin indio R’’t, c 5·104 m2·K/W Con indio R’’t, c 0,07·104 m2·K/W Soldadura R’’sold 0,15·104 m2·K/W
Tabla 21. Datos para los cálculos térmicos.
Donde el valor de resistencia térmica de contacto en el caso de no
utilizar indio se ha obtenido para una interfaz en vacío entre aluminio y cobre
con una presión de contacto de 100kN/m2.
Comentar también que los valores de conductividad térmica de los
materiales sufren variaciones con la temperatura, pero en el rango de trabajo
se mantienen constantes.
Retomando el cálculo de la resistencia térmica de los materiales, se
empleará la siguiente fórmula:
Capítulo 5 Simulaciones
174
2[ ]
xx
x
LRk A
mm KR WW mmmm K
=⋅
= =⋅
⋅
Donde “x” indicaría el tipo de material que se está utilizando para el
cálculo.
Para el cálculo de las resistencias de contacto se empleará la fórmula:
,,
2
2
''
·
[ ]
t ct c
RR
Amm K
W KR Wmm
=
= =
Con lo que obtenemos las siguientes resistencias térmicas:
Resitencias Térmicas Resitencia Valor Unidades
R1 8,64·10-2 K/W R2 0,52 K/W Rt, sold 6,24·10-6 K/W Sin indio Rt, c 2,08·10-4 K/W Con indio Rt, c 2,91·10-6 K/W
Tabla 22. Resultados de las resistencias térmicas.
El cálculo de la resistencia térmica total se apoyará en el esquema de
resistencias anteriormente señalado en la Figura 68. Se calcularán cuatro
tipos de resistencias en el análisis de la variación que sufre la resistencia
total por la definición de las resistencias de contacto y de soldadura:
Capítulo 5 Simulaciones
175
- Una primera sin tener en cuanta la resistencia de contacto en
la unión aluminio cobre, ni la resistencia de la soldadura.
- Una segunda que será la anterior a la que le sumaremos la
resistencia de la soldadura.
- La tercera de ellas tendremos en cuanta la resistencia térmica
de contacto en una interfaz de vacío.
- Y por último, calcularemos una cuarta con una resistencia
térmica de contacto suponiendo la utilización de indio para
mejorar la conducción de calor.
El cálculo de la resistencia total se reduce a un simple cálculo de
resistencias en serie, por lo que su valor final será la suma de todas las
resistencias en serie del esquema que se estén considerando. El resultado
del cálculo se muestra en la Tabla 23 que se presenta a continuación.
Resitencias Térmicas Nº Rtot Valor Unidades 1 sin Rt, sold 0,692 K/W 2 Sin Rt, c 0,692 K/W 3 Con Rt, c sin indio 0,693 K/W 4 Con Rt, c con indio 0,692 K/W Tabla 23. Resultados de la resistencia térmica total.
Del análisis de dichos resultados se observa que la variación de los
mismos, teniendo en cuenta o no las resistencias térmicas de contacto, son
despreciables. Por ello, en principio no se valora la posibilidad de realizar
una segunda fase de simulaciones incluyendo dicha información. Lo que sí
Capítulo 5 Simulaciones
176
se ha realizado es una única simulación recogiendo dicha información para
contrastar el comportamiento del modelo.
En la tabla que se expone a continuación se recogen los valores de
las diferencias de temperatura obtenidas como resultado de la simulación, la
resistencia térmica de la simulación del componente, y los resultados de los
cálculos analíticos. A modo de curiosidad, se ha incluido el cálculo de las
diferencias de temperaturas que se deberían obtener en caso de utilizar las
resistencias térmicas de contacto y de soldadura.
Calculado Simulaciones Simple Completa Potencia a disipar
(W) ∆T Rtot. (K/W)
Rtot (K/W) ∆T Rtot
(K/W) ∆T
4 2,46 2,77 2,77 5 3,09 3,46 3,46 6 3,70 4,15 4,16 7 4,31 4,85 4,85 8 4,94 5,54 5,54 10 6,17 6,92 6,93 12 7,40 8,31 8,31 14 8,63 9,69 9,70 16 9,86 11,08 11,0918 11,10
0,62 0,692
12,46
0,693
12,47Tabla 24. Resultados de temperatura y resistencia térmica.
De la tabla se desprende la casi inexistente variación producida por
los efectos de las resistencias de contacto y la de soldadura. Se ve
claramente que la variación por el efecto de los contactos entre es
totalmente despreciable.
Capítulo 5 Simulaciones
177
Diferencia de Tª
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Potencia Calorífica (W)
ΔTª
DTª TeóricaDTª Simulaciones
Figura 69. Comparativa de ∆T.
5.4.2.2 Estático
Los resultados obtenidos en esta segunda parte con los inputs de la
distribución de temperaturas son los que se muestran en la Figura 70.
Figura 70. Distribución de tensiones por gradiente térmico.
Capítulo 5 Simulaciones
178
En la tabla que se presenta a continuación se recogen los valores
máximos de tensión de Von Misses localizados en la unión por brazing del
aislador, como consecuencia de la existencia de una diferencia de
temperaturas.
Solicitaciones térmicas (MPa) Casos U-D D-U 1 165,88 158,49 2 168,48 160,23 3 171,08 161,97 4 173,67 163,71 5 176,27 165,46 6 181,47 168,94 7 186,67 172,43 8 191,88 175,93 9 197,08 179,42 10 202,28 182,92
Tabla 25. Tensiones en los puntos críticos.
Donde:
• La columna U-D recoge las tensiones máximas en la unión superior
del aislador del modelo.
• La columna D-U recoge las tensiones máximas en la unión inferior
del aislador del modelo.
Y en la gráfica se muestra la variación de las tensiones en función de
la potencia calorífica a disipar por el aislador.
Capítulo 5 Simulaciones
179
Tensión de Von Misses
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Potencia Calorífica (W)
Tens
ión
(MPa
)
U-DD-U
Figura 71. Tensión en función de la potencia calorífica.
Cálculos analíticos
Se ha realizado unos cálculos analíticos para obtener las tensiones
que aparecen en la superficie de unión entre el cobre y la alúmina, es decir,
las tensiones que soportará la unión de soldadura brazing.
Sabemos que las deformaciones para un cilindro son ¡Error! No se
encuentra el origen de la referencia. [Ref. 28]:
( )[ ]
( )[ ]
( )[ ] TsE
TsE
TsE
rr
zz
Δ⋅+⋅−⋅+⋅=
Δ⋅+⋅−⋅+⋅=
Δ⋅+⋅−⋅+⋅=
αμσμε
αμσμε
αμσμε
θθ 11
11
11
Capítulo 5 Simulaciones
180
Donde:
θσσσ ++= rzs
Y el incremento de temperatura es con respecto a la temperatura
ambiente, condiciones a las que no existe ninguna deformación:
KT 43=Δ
Para la resolución del problema debemos conocer las condiciones
particulares de contorno. En nuestro caso sabemos que el modelo tiene
libertad de deformación en la dirección del eje de revolución del aislador, el
eje Z. Esto significa que no existirá tensión alguna en dicha dirección, por lo
que podemos afirmar que:
0=zσ
Las otras condiciones de contorno se obtienen a partir del concepto
de soldadura de ambos materiales. Al estar soldada sus deformaciones en la
dirección radial y en dirección θ deben ser las mismas. Es decir:
'rr εε =
'θθ εε =
Capítulo 5 Simulaciones
181
Donde
- εx ≡ deformación unitaria del cobre;
- εx’ ≡ deformación unitaria de la alúmina.
Con estas tres hipótesis de trabajo y las ecuaciones de deformación
obtendremos los valores de las tensiones que aparecen como consecuencia
del gradiente de temperaturas.
De la primera condición obtenemos que:
( )θσσμαε +⋅−Δ⋅= rz ET
y
θσσ += rs
Sustituyendo esta última expresión en las dos últimas ecuaciones de
deformación tenemos que:
( )
( ) TE
TE
r
rr
Δ⋅+⋅−⋅=
Δ⋅+⋅−⋅=
ασμσε
ασμσε
θθ
θ
1
1
Igualando estas ecuaciones de deformación de cada uno de los
materiales, tal y como indicamos en las otras dos hipótesis de trabajo,
resulta:
Capítulo 5 Simulaciones
182
( ) ( )
( ) ( ) TE
TE
TE
TE
rr
rr
Δ⋅+⋅−⋅=Δ⋅+⋅−⋅
Δ⋅+⋅−⋅=Δ⋅+⋅−⋅
'''
11
'''
11
ασμσασμσ
ασμσασμσ
θθ
θθ
Desarrollándolas un poco más y ordenándolas, resulta:
( )
( ) TEEEE
TEEEE
r
r
Δ⋅−=⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −−⋅⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −
Δ⋅−=⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −−⋅⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −
αασμμσ
αασμμσ
θ
θ
'''
'11
'''
'11
Utilizando constantes arbitrarias para reducir y hacer más cómoda las
expresiones:
( ) TCEE
B
EEA
Δ⋅−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
αα
μμ
''''
11
Estas quedan:
CBACBA
r
r
=⋅−⋅=⋅−⋅
σσσσ
θ
θ
Donde se ve claramente que ambas tensiones deben ser iguales para
poder cumplir las dos condiciones de deformación:
BAC
r −== θσσ
Capítulo 5 Simulaciones
183
Si los datos de los materiales son los siguientes:
Material Propiedad Valor Unidades Módulo de Elasticidad 1,1·1011 N/m2
Módulo de Poisson 0,37 - Cobre Cte de dilatación Térmica 1,6·10-5 K-1
Módulo de Elasticidad 3,4·1011 N/m2
Módulo de Poisson 0,22 - Alúmina 97,6% Cte de dilatación Térmica 6,9·10-6 K-1
Tabla 26. Tabla con las propiedades mecánicas de los materiales.
Las constantes quedan como:
4
212
212
104
1072,2
1015,6
−
−
−
⋅−=
⋅=
⋅=
CN
mB
NmA
Con lo que las tensiones tienen un valor de:
MPar 65,109=σ
En la Figura 72 se muestra el gráfico de distribución de
desplazamiento originado por la expansión térmica de los materiales.
Capítulo 5 Simulaciones
184
Figura 72. Distribución de desplazamientos del modelo.
Y en la Figura 73 se muestra la deformación que sufre el del modelo
bajo las condiciones de simulación con una escala de 1:50.
Figura 73. Deformación del modelo.
Capítulo 5 Simulaciones
185
5.5 Mecánico
En este apartado se intentarán recrear las condiciones de tensiones a
las que se va a ver sometido el aislador a lo largo de la duración de la
misión. Para ello se partirá de un modelo de la Isolation Box simplificado con
el centro de gravedad y el peso total del módulo.
En este caso de análisis mecánico se ha decidido trabajar con dos
modelos, uno simplificado que representará la estructura de la Isolation Box
con la distribución de los aisladores según la línea de trabajo última. De este
primer modelo, o primera fase de cálculo, se obtendrán las reacciones en los
puntos de anclaje de los aisladores, con las que se trabajarán en la segunda
parte con el segundo modelo. Este segundo modelo es única y
exclusivamente el aislador, al que se le han ejercido las fuerzas de reacción
del caso más desfavorable que se obtiene de la primera simulación.
El esquema de trabajo para las simulaciones se presenta a
continuación:
BC Cargas Mesh
Ejecutar Simulación
Resultados Estudio Reacciones
BC Cargas Mesh
Ejecutar Simulación
Resultados Estudio Aislador
Documentación
Capítulo 5 Simulaciones
186
5.5.1 Configuración
5.5.1.1 Modelo de Trabajo
El modelo de trabajo para la primera fase de cálculo se ha
desarrollado en COSMOS, en el que se han modelado los aisladores como
vigas y una simplificación del módulo de alta tensón con una estimación del
peso final del mismo, 3,5kg. En las siguientes figuras se muestra, el modelo
mallado.
Figura 74. Modelo mallado de COSMOS.
El modelo para el aislador es el mismo que con el que se ha estado
trabajando en las simulaciones anteriores.
Capítulo 5 Simulaciones
187
Figura 75. Modelo del aislador.
5.5.1.2 Parámetros de Estudio
En el primer estudio se van a obtener las reacciones esperables en
los aisladores como consecuencia de la gran aceleración que deberán
soportar en el momento de la ascensión. El equipo estará sometido a una
aceleración de 20g, con lo que la fuerza del peso del equipo de la
IsolationBox será alrededor de los 686,9N. Para la simulación de las
reacciones se supondrá la localización del COG (Center of Gravity) en el
centro del módulo de alta tensión.
En el segundo de los estudios vamos a someter al aislador a las
fuerzas de reacción que aparecerían durante el lanzamiento, con el objetivo
de obtener las tensiones que aparecen en el aislador. Con los valores de las
tensiones comprobaremos la validez de dicho componente como soporte
estructural.
Capítulo 5 Simulaciones
188
5.5.1.3 Mallado
Los datos de la malla utilizada para el aislador es la que se presenta
en la Tabla 27:
Mesh Detail Mesh Type Solid Mesh Mesher Type Standard Mesh Quality Draft Automatic Transition On Smooth Mesh On Mesh Control Defined Element Size 1mm Tolerance 0,05mm Total Nodes 103248 Total Elements 71183
Tabla 27. Detalles del mallado del estudio mecánico.
Se ha utilizado también un control de malla para realizar un mallado
más fino en la zona de unión. El tamaño establecido del elemento en esta
zona es de 0,5mm, con un ratio de 1,25 y con 5 planos para la transición de
malla. En la Figura 76 se muestra dónde ha sido aplicado el control de malla.
Figura 76. Control de mallado.
Capítulo 5 Simulaciones
189
El resultado de la malla creada se presenta en la Figura 77.:
Figura 77. Mallado del modela del aislador.
5.5.1.4 Condiciones de Contorno
Primer Estudio
Para el primero de los estudios se han establecido las condiciones de
fijación en los puntos finales de las vigas, donde se ha establecido una
restricción total del movimiento: vigas empotradas.
En cuanto a los estados de carga definidos, se ha trabajado con un
total de tres. Uno por eje de aplicación de la fuerza, y la fuerza definida ha
sido de 1g. Partiendo de la base de que se va a trabajar en la zona lineal del
material, luego multiplicaremos los resultados obtenidos por los g’s que
están previstos.
Capítulo 5 Simulaciones
190
Segundo Estudio
Para el modelo del aislador, se establecen las siguientes condiciones
de contorno:
• Condiciones de desplazamiento: restricción total en los tres ejes,
como se muestra en la figura
Figura 78. Restricciones de desplazamiento
• Condiciones de Carga
Se definirá un único estado de carga con fuerzas en los tres ejes
cuyas magnitudes quedarán definidas por los resultados obtenidos en el
primer estudio. Estas magnitudes podrán variar en función de los resultados
que se obtengan, es decir, ejecutaremos tantas simulaciones como casos
desfavorables identifiquemos en los resultados.
Capítulo 5 Simulaciones
191
La Figura 79 se recoge la imagen del estado de carga definido.
Figura 79. Condiciones de carga.
Los valores de las cargas aplicadas saldrán del primero de los
estudios.
Capítulo 5 Simulaciones
192
5.5.2 Resultados
Primer Estudio
Los resultados del primer análisis en el que se obtienen las
reacciones máximas son:
Figura 80. Distribución de tensiones en el modelo de COSMOS.
Figura 81. Vista en detalle de la zona con máximas tensiones.
Capítulo 5 Simulaciones
193
Los valores de las reacciones en los nodos que presentan las vigas
son:
Load case 1,00 X Node RFX RFY RFZ RFRES 32714 -6,37 3,76 -7,60 10,61 32715 -1,49 -0,03 7,06 7,22 32717 -6,63 0,85 10,80 12,70 32720 -0,51 1,09 -8,29 8,37 32726 -1,26 7,71 -0,11 7,82 32729 -1,68 -9,62 0,88 9,80 32732 -10,07 -3,49 -8,57 13,68 32735 -7,76 -0,28 5,82 9,71
Load case 2,00 Y Node RFX RFY RFZ RFRES 32714 0,00 -2,19 0,86 2,35 32715 0,30 -1,02 3,16 3,33 32717 -0,11 -3,02 2,10 3,68 32720 0,30 -1,17 2,22 2,53 32726 0,30 -6,58 -0,29 6,59 32729 -0,94 -8,79 -0,44 8,85 32732 -0,97 -5,59 -2,48 6,19 32735 1,12 -7,41 -5,13 9,08
Load case 3,00 Z Node RFX RFY RFZ RFRES 32714 0,33 -1,48 -3,06 3,42 32715 -0,02 -0,19 -5,23 5,24 32717 -0,57 -3,27 -4,92 5,93 32720 -0,19 -0,11 -3,85 3,85 32726 0,03 -0,06 -1,13 1,13 32729 0,33 2,27 -1,51 2,75 32732 -0,77 2,61 -6,94 7,45 32735 0,86 0,22 -9,14 9,18
Tabla 28. Resultado de reacciones.
*Unidades de fuerza en Newton (N)
Capítulo 5 Simulaciones
194
Donde se han marcado los dos estados más desfavorables, es decir
que presentan fuerzas de reacción más elevadas. Con lo que se realizarán
simulaciones en la segunda etapa de este estudio con estos dos estados,
aunque primero vamos a obtener los valores reales a aplicar.
Para ello, partiendo de la base que la fuerza de aceleración en el
lanzamiento es de alrededor 20g. Si añadimos las vibraciones, random
14,5rsm, el valor equivalente será de 60g de aceleración. Por lo que los
estados de fuerza anteriores implican unas cargas totales de:
Carga de Aplicación Caso x y z
1 -397,92 51,28 648,00 2 -604,20 -209,64 -514,14
Tabla 29. Cargas de aplicación
En la figura que se muestra a continuación se representan los
desplazamientos que sufriría el módulo
Figura 82. Distribución de desplazamientos en el modelo de COSMOS.
Capítulo 5 Simulaciones
195
Segundo Estudio
Antes de aplicar las cargas debemos obtener la relación de los ejes
entre ambos modelos, que es la siguiente:
Relación de Ejes Caso GeoStar COSMOS Design STAR
X X Y Y 1 Z Z X Z Y X 2 Z Y
Tabla 30. Relación entre ejes de los modelos.
Identificados los ejes se pasa a definir correctamente en el modelo los
estados de carga a aplicar. Quedando los casos de carga como siguen:
Carga de Aplicación (N) Casos x y z
1 -397,92 51,28 648,00 2 -604,2 -514,14 -209,64 3 660 660,00 660,00
Tabla 31. Casos de carga para la 2ª Etapa
Donde se ha añadido otro caso de carga. Para este caso se ha
recogido la reacción máxima obtenida en una de las direcciones con 1g,
10N, y se ha impuesto el mismo valor para los tres ejes. Como se ha dicho
que se verá cometido a 60g, las componentes totales quedan como se
refleja en la tabla.
Los resultados de tensiones máximas obtenidas son:
Capítulo 5 Simulaciones
196
Von Misses (MPa) Caso Max Unión
1 39,80 18,35 2 43,80 20,15 3 54,47 26,38
Tabla 32. Tensiones máximas.
Donde la primera columna recoge la tensión máxima de sufriría el
aislador, que se puede, como se puede ver en las figuras que a continuación
se muestran, se localizan en la base del aislador. La segunda de las
columnas recoge la tensión máxima localizada en la unión de soldadura.
Figura 83. Estado de tensiones del caso 1.
Figura 84. Estado de tensiones del caso 2.
Capítulo 5 Simulaciones
197
Figura 85. Estado de tensiones del caso 3.
En la Figura 86 se muestra gráficamente la distribución de
desplazamientos que sufriría el modelo. Siendo la máxima esperable de
6,39·10-3mmn para el caso 3.
Figura 86. Desplazamientos del modelo
Capítulo 6 Plan de Pruebas
198
6. Plan de Pruebas
Capítulo 6 Plan de Pruebas
199
Por último, queda desarrollar un plan de pruebas para la evaluación
del aislador como soporte estructural y como conductor térmico. Dicho plan
de pruebas recogerá tanto pruebas mecánicas destructivas para la
caracterización del componente como los ensayos de validación eléctricos
para su aplicación en el espacio.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
200
El objetivo de este plan de pruebas es doble. Por un lado, realizar
ensayos eléctricos de alta tensión impuestos por los requisitos para
componentes de alta tensión utilizados en el espacio, junto con los criterios
de aceptación. Por otro lado, caracterizar el componente estudiado y validar
el modelo de simulación.
Teniendo en mente este doble objetivo, se ha planificado un plan de
pruebas que constará de ensayos no destructivos en su fase inicial, y de
ensayos destructivos en su fase final.
Durante el desarrollo de las pruebas, concretamente durante las
pruebas eléctricas de alta tensión, se deben establecer una serie de
requisitos de manipulación y limpieza para que las medidas obtenidas sean
fiables. Resulta especialmente importante definir dichos procesos y
cumplirlos, ya que en alta tensión la contaminación ejerce unos efectos
desastrosos, como se ha comentado en el capítulo 2 del presente
documento.
Dicho esto, en el primer punto de este capítulo se describen cuáles
deben ser las condiciones de manipulación, limpieza, y la serialización que a
llevar a cabo para tener controladas las muestras e identificar los resultados
de cada una de ellas.
Definidas las condiciones se pasará a describir el plan de pruebas
elaborado.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
201
6.1 Preparación y Manipulación de las Muestras
Previo a la descripción de las pruebas que se van a ejecutar, se
comentan los principales pasos a desarrollar de cara a la preparación de las
muestras, como son la limpieza, manipulación y serialización de las mismas.
6.1.1 Limpieza
La limpieza en alta tensión resulta ser un factor especialmente crítico,
hasta el punto de que una simple huella resulta ser un camino para la
evolución de descargas parciales superficiales, o la simple presencia de una
partícula contaminante que provoque una concentración de campo puede
terminar deteriorando el material dieléctrico. Por todo esto, es necesaria una
rigurosa limpieza y manipulación. Para ello se deberá limpiar de forma
exhaustiva cada una de las muestras por separado, según el procedimiento
que se procede a comentar.
La limpieza se realizará por inmersión y frotado con brocha en un
recipiente con alcohol isopropílico, con aclarado en alcohol limpio y secado
con servilletas de papel libre de partículas.
El material requerido es:
- Alcohol isopropílico de la mejor calidad comercial (99% de
pureza).
- DOWANOL PX16S (alcohol limpio).
- Bandejas de acero inoxidable.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
202
- Brochas y pinceles de pelo sintético o natural de dureza
media.
- Instalación de aire comprimido.
- Servilletas de papel libre de partículas.
Para una correcta monitorización se realizarán dos verificaciones:
• Medición, con contaminómetro, de la ausencia de residuos
ionizables. La medición debe ser inferior a 1.56μg / cm2 equivalente
NaCl.
• Inspección visual de la ausencia de trazas de grasa, manchas,
huellas dactilares, polvo, etc.
Finalizado el proceso de limpieza de las muestras, se procederá a su
empaquetado en bolsas de plástico selladas para evitar la contaminación de
las mismas. Dichas bolsas deberán estar correctamente identificadas según
lo estipulado en el apartado de serialización, y la manipulación de las
muestras según lo establecido en el apartado de manipulación.
Las muestras deberán someterse al proceso de limpieza siempre que
se vaya a iniciar una fase de pruebas eléctricas.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
203
6.1.2 Manipulación
Las muestras deberán manipularse en todo momento con guantes de
látex y, siempre que resulte posible, por las superficies planas superior e
inferior del cilindro de cobre del aislador, para evitar la deposición de
elementos contaminantes que puedan falsear las medidas de los ensayos.
En todo momento, las muestras deben estar contenidas en sus
respectivas bolsas selladas y correctamente identificadas, salvo cuando se
esté realizando alguna prueba. En este caso, sólo se manipulará la muestra
a ensayar, quedando el resto almacenadas en sus respectivas bolsas
selladas e identificadas.
Nunca se deberá tener más de una muestra fuera de su bolsa para
evitar posibles confusiones y pérdida de seguimiento de los ensayos.
6.1.3 Serialización
Se dispondrá de un total de diez muestras para la realización de los
ensayos. En la descripción de los mismos se especificará cuantas muestras
serán necesarias en dicho test.
Las muestras se deberán identificar estableciendo el siguiente código
de identificación:
S/N: XXX
Capítulo 6 Plan de Pruebas
204
Resulta que algunas de las muestras ya han sido manipuladas y
testeadas, por lo que será necesario tenerlas identificadas en todo momento
para poder comprobar los resultados finales. Para ellos se han reservado las
siguientes posiciones para dichos aisladores, utilizados en la construcción de
la maqueta que ya ha estado sometida a ensayos de descargas parciales:
- 001: aislador de la esquina superior izquierda:
- 002: aislador de la esquina superior derecha;
- 003: aislador de la esquina inferior izquierda;
- 004: aislador de la esquina inferior derecha.
En la Figura 87 se muestra la identificación de los aisladores
anteriormente mencionados.
Figura 87. Maqueta ensayos de módulo.
Cada una de las muestras se almacenará por separado dentro de
unas bolsas de plástico selladas para mantenerlas libres de la contaminación
004
002
003
001
Capítulo 6 Plan de Pruebas
205
exterior. Dichas bolsas llevarán marcadas el serial number (S/N) de la
muestra que le corresponde, tal y como se muestra en la Figura 88.
Figura 88. Serialización de bolsa contenedora.
El motivo por el cual no se deben marcar las muestras es mencionado
en ocasiones anteriores, esto es, el de evitar la contaminación que el posible
marcador o adhesivo de etiqueta pueda dejar en la superficie. Dicha
contaminación puede falsear las mediciones en los ensayos eléctricos de
descargas parciales.
Existe un claro riesgo de equivocación en el almacenamiento de las
muestras durante los ensayos o el proceso de limpieza al no estar
identificadas, por lo que durante su realización, sólo se podrá tener fuera de
la bolsa la muestra que esté siendo objeto de ensayo o limpieza. El resto
deberán estar en su bolsa correspondiente.
Se permitirá un marcado diferente para los ensayos térmicos y
mecánicos ya que la contaminación de las muestras no resulta importante,
siempre y cuando el nuevo método no permita errores de identificación.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
206
Igualmente se permitirá una relajación en las condiciones de
manipulación de las muestras en los ensayos térmicos y mecánicos al no ser
especialmente importante la contaminación en estos casos.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
207
6.2 Pruebas
Comentadas las condiciones de manipulación, limpieza, y marcado de
las muestras objeto de ensayo, se pasa a describir el plan de pruebas
elaborado para los aisladores.
En el diagrama de flujo que se muestra a continuación, se detalla
tanto el flujo de trabajo como los ensayos requeridos en este plan de
pruebas. Con el fin de evitar posibles confusiones, se establece el orden
temporal de las actividades a realizar, así como el momento en que debe
realizarse una limpieza de la muestra según lo mencionado en la sección
anterior.
Asimismo, se procede a describir cada uno de los ensayos a realizar,
desde el objetivo del ensayo hasta las condiciones en las que se deben
desarrollar, valores de ensayo, set up de pruebas y criterios de aceptación,
donde se requiera.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
208
Si
Eléctricas
Térmicas
Eléctricas*
Vida
Documentación
Limpieza
Inspección de entrada
¿Defectos? Devolución
Serialización
Limpieza
No
Mecánicas
6 muestras
4 muestras
Eléctricas*
*Después del ensayo de térmico se realizará únicamente un ensayo de descargas parciales para comprobar si existe deterioro del componente.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
209
6.2.1 Pruebas Eléctricas
El 100% de los aisladores serán sometidos a estas pruebas en el
inicio de la campaña de validación. Más tarde, se realizará el test de
descargas parciales a las cuatro muestras que salgan del test térmico. En
caso de duda, se acudirá al diagrama de flujo de pruebas donde se indica el
orden a seguir.
El orden de ejecución de las pruebas eléctricas es el que se muestra
a continuación:
El motivo de realizar otro ensayo de descargas parciales después del
ensayo de ruptura del dieléctrico es el de verificar que el aislador no ha
sufrido ningún deterioro por las tensiones aplicadas.
Medida Resistencia
Descargas Parciales
Ruptura del dieléctrico
Descargas Parciales
Capítulo 6 Plan de Pruebas
210
Setup de pruebas
El set up de pruebas es el mismo para cada una de las pruebas
eléctricas a realizar. La recoge el concepto del set up de pruebas a
desarrollar, así como los materiales necesarios para su montaje.
Figura 89. Croquis de preparación de la muestra a ensayar.
Componentes:
Nº Elemento Descripción Par
Apriete Cant.
1 TORNILLO CILINDRICO M3x6 DIN84 - AISI304 PASIVADO 0.45Nm 2
2 ARANDELA 3,2 DIN433 - AISI304 PASIVADO - 2 3 TERMINAL DE SOLDAR M3 - 2 4 CABLE - 2
Tabla 33. Listado de piezas para el setup del ensayo de PD
6.2.1.1 Resistencia Eléctrica
Se aplicará una tensión DC de 50÷100 V a ambos extremos del
aislador, utilizando el mismo set up mostrado en líneas anteriores. A
continuación, se recogerá la intensidad que lo atraviesa y por la ley de Ohm
se obtendrá la resistencia del aislador.
1
3
4
2
Capítulo 6 Plan de Pruebas
211
6.2.1.2 Descargas Parciales
La finalidad de este tipo de pruebas es la de evaluar la calidad del
componente, detectando tanto la presencia de algún tipo de defecto de
fabricación, manipulación o deterioro en la unión de soldadura o en el
dieléctrico, como la durabilidad del componente.
Los ensayos de descargas parciales se realizarán a presión y
temperatura ambiente, dejando registro en todo momento de las condiciones
en las que se desarrollan.
El ensayo se subdivide en dos subensayos:
• En primer lugar se medirán las descargas parciales superiores a
5pC que se produzcan a lo largo de 10 minutos de ensayo
aplicando una tensión AC cuyo valor pico debe ser 1.3 veces el
valor máximo nominal de funcionamiento (Vnom=1800V).
• En la segunda parte se medirá la tensión de inicio de corona (CIV,
Corona Inception Voltage). Esta tensión está definida como la
tensión a la que se producen 1000 descargas parciales con valor
superior a 10pC a lo largo de 10 minutos de ensayo. Por ello, se irá
aumentando la tensión, partiendo de la anterior, hasta alcanzar el
CIV.
Los criterios de aceptación para las pruebas a realizar son:
Capítulo 6 Plan de Pruebas
212
• En la primera prueba no se debe producir ninguna descarga parcial
por encima de los 5pC en los 10 minutos de duración de la prueba.
• En la segunda parte del test, la tensión obtenida no debe ser
inferior a 1.5 veces la tensión máxima nominal (Vnom=1800V).
nomVCIV ⋅> 5.1
6.2.1.3 Ruptura del Dieléctrico
Con este test se busca verificar que el aislador posee una tensión de
ruptura superior a la tensión a la cual va a estar trabajando, mas un
porcentaje de seguridad.
Las condiciones del ensayo son a presión y temperatura ambiente y
deberán quedar registradas.
La tensión a aplicar al espécimen en cuestión será del 167% la
tensión máxima que el componente va a soportar en condiciones nominales
de funcionamiento, que en este caso será de 1,8kV en DC. En caso de
aplicar tensión AC, se utilizaría la tensión de pico de 1,8kV. La tensión se
aplicará durante un tiempo de un minuto.
El espécimen no debe sufrir variación y para ello se medirá la
corriente de paso entre ambos extremos del aislador. De producirse una
variación en la corriente, significaría una ruptura del dieléctrico y por lo tanto
su descalificación.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
213
6.2.2 Térmicas
La finalidad de este ensayo es obtener la conductividad térmica del
aislador para verificar con el modelo la capacidad del aislador de conducir
calor al exterior.
Este test se realizará sobre cuatro de las diez muestras, tal y como se
indica en el diagrama de flujo de pruebas. Se realizarán dos tipos de
pruebas, ambas idénticas en cuanto a procedimiento, diferenciándose un
único componente del set up. Existirá un set up común para ambas que se
describe a continuación.
Para la primera de las pruebas, que se realizará únicamente a dos de
las muestras, se montará el set up general y se ejecutará el test según lo
establecido en líneas posteriores.
Para la segunda de las pruebas, que se realizará a otras dos de las
muestras, se introducirá un nuevo material en el set up para comprobar su
influencia. Esta variación consistirá en la utilización de láminas de indio entre
las estructuras del aluminio y el aislador. El objetivo es el de estudiar la
posible mejora de la conductividad térmica.
Se deberá tomar nota del tipo de ensayo realizado sobre cada una de
las muestra para poder identificar posibles desviaciones en los resultados.
De obtener resultados positivos en esta segunda prueba, se
estudiaría su introducción en el diseño final, ya que no sólo mejoraría la
Capítulo 6 Plan de Pruebas
214
resistencia térmica de contacto, sino que además serviría para absorber las
posibles tolerancias de montaje que puedan aparecer.
Set up de Pruebas
El set up genérico para el ensayo térmico es el correspondiente a la
Figura 90.
Figura 90. Croquis del setup de pruebas térmicas.
• La carga térmica que se utilizará será variable entre 5÷50W con el
objeto de poder realizar un barrido potencias durante el ensayo.
Los puntos de medición son: 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 18 y 20W.
• Se posicionarán diferentes sensores de temperatura en cada
extremo del aislador para obtener una temperatura media.
• Con la potencia aplicada y la ΔTª obtenemos la disipación del
componente.
Manta térmica
Placa negra
Resistencia Térmica Soporte para la resistencia
Zona de sensores de Tª
Capítulo 6 Plan de Pruebas
215
• Se utilizará una manta térmica para garantizar al máximo la
conducción del calor generado a través del componente de ensayo.
• Antes de cada toma de datos se deberá esperar a la estabilización
de las temperaturas.
Como se ha comentado, en función de los resultados obtenidos en
las dos pruebas se decidirá si se utilizarán las láminas de indio o no.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
216
6.2.3 Mecánicas
Los ensayos mecánicos se realizarán a seis de las muestras
disponibles que se separarán después de la realización de los ensayos
eléctricos. De estas seis muestras, tres serán para el ensayo de tracción y
las otras tres para el ensayo de flexión.
No obstante, antes de la realización de los ensayos mecánicos se
deberá realizar un ensayo de dureza al cobre a dos de las muestras para
definir el par de apriete a utilizar en el montaje del set up.
6.2.3.1 Dureza
Se define como la propiedad de la capa superficial de un material de
resistir la deformación elástica, plástica y rotura, en presencia de esfuerzos
de contacto locales inferidos por otro cuerpo más duro, el cual no sufre
deformaciones residuales (penetrador), de determinada forma y
dimensiones.
En metalurgia, la dureza se mide utilizando un durómetro para el
ensayo de penetración. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango
de cargas aplicadas, existen diferentes escalas adecuadas para distintos
rangos de dureza.
El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la
correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un
Capítulo 6 Plan de Pruebas
217
método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo
que su uso está muy extendido.
Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación
de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de
acero templado que era el material más duro que se usaba en los talleres.
Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes:
Figura 91. Durómetro
• Dureza Brinell
Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de W.
Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con
chapas de menos de 6mm de espesor. Estima resistencia a tracción.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
218
• Dureza Knoop
Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la
profundidad de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con
una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar.
• Dureza Rockwell
Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de
acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición
directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un
ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.
• Rockwell superficial
Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la
caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas
de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento
superficial.
• Dureza Rosiwal
Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia
a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el
corindón con un valor de 1000.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
219
• Dureza Shore:
Emplea un escleroscopio. Se deja caer el penetrador en la superficie
del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias
escalas. A mayor rebote nos encontraremos con mayor dureza. Aplicable
para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración
como los demás.
• Dureza Vickers:
Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide
cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los
de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de
dureza con chapas de hasta 2mm de espesor.
• Dureza Webster
Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas
de difícil manejo como perfiles largos extruidos. El valor obtenido se suele
convertir a valores Rockwell.
El ensayo que se va a solicitar para determinar la dureza del cobre
será el ensayo de Dureza Vickers
Durante las mediciones estandarizadas de dureza Vickers se hace
penetrar un penetrador de diamante en forma de pirámide de cuatro caras
(ver Figura 92) con una ángulo determinado en el vértice. La utilización de
Capítulo 6 Plan de Pruebas
220
una pirámide de diamante tiene las siguientes ventajas: las improntas
resultan bien perfiladas, cómodas para la medición; la forma de las
improntas es geométricamente semejante, por lo cual la dureza para un
mismo material es constante, independientemente de la magnitud de la
carga; la dureza con la pirámide coincide con la dureza Brinell para los
materiales de dureza media; este método es aplicable con igual éxito para
los materiales blandos y duros, y sobre todo para los ensayos de probetas
delgadas y las capas superficiales.
Figura 92. Indentador piramidal Vickers
Figura 93. Impronta piramidal de dureza Vickers
Capítulo 6 Plan de Pruebas
221
Los números HV y HB son cercanos en su valor absoluto debido a la
igualdad del ángulo del vértice de la pirámide al ángulo entre las tangentes a
la bola para el caso de una huella “ideal” cuando d = 0,375 D. Esta
consideración sirve de base para determinar el valor del ángulo del vértice
de la pirámide estándar α = 136°.
El estándar ASTM E 92-72 define la dureza Vickers como un método
de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada,
se fuerza un penetrador piramidal de base cuadrada que tiene un ángulo
entre caras específico, bajo una carga predeterminada, contra la superficie
del material a ser ensayado y se mide la diagonal resultante de la impresión
tras remover la carga.
Figura 94. Sobre el ensayo de Vicerks (tomado del estándar ASTM E-92)
El sentido físico del número de dureza Vickers es análogo a HB. La
magnitud de HV es también un esfuerzo convencional medio en la zona de
contacto del penetrador, que muestra y suele caracterizar la resistencia del
material a la deformación plástica considerable. Con base en esto:
Capítulo 6 Plan de Pruebas
222
2222
2sen2d
Psen
dP
APHV
α
α
===
Donde d es la media aritmética de las diagonales d1 y d2.
Para la conversión a MPa basta con multiplicar el valor obtenido de
dureza Vickers por 9.807.
6.2.3.2 Tracción
Definición
El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una
probeta normalizada realizada con dicho material a un esfuerzo axial de
tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. En un
ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los
materiales elásticos:
• Módulo de elasticidad o Módulo de Young, que cuantifica la
proporcionalidad anterior.
• Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razón entre el
alargamiento longitudinal y el acortamiento de las longitudes
transversales a la dirección de la fuerza.
• Límite de proporcionalidad es el valor de la tensión por debajo del
cual el alargamiento es proporcional a la carga aplicada.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
223
• Límite de fluencia: valor de la tensión que soporta la probeta en el
momento de producirse el fenómeno de la fluencia. Este fenómeno
tiene lugar en la zona de transición entre las deformaciones
elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la
deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.
• Límite elástico (límite elástico convencional o práctico): valor de la
tensión a la que se produce un alargamiento prefijado de antemano
(0,2%, 0,1%, etc.) en función del extensómetro empleado.
• Carga de rotura: carga máxima resistida por la probeta dividida por
la sección inicial de la probeta.
• Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la
probeta. Se mide entre dos puntos cuya posición está normalizada
y se expresa en tanto por ciento.
• Estricción: es la reducción de la sección que se produce en la zona
de la rotura.
Normalmente, el límite de proporcionalidad no suele determinarse ya
que carece de interés para los cálculos. Tampoco se calcula el Módulo de
Young, ya que éste es característico del material; así, todos los aceros
tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser
muy diferentes.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
224
Curva tensión-deformación
Figura 95. Curva tensión-deformación.
En el ensayo se mide la deformación (alargamiento) de la probeta
entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga
aplicada, y se representa gráficamente en función de la tensión (carga
aplicada dividida por la sección de la probeta). En general, la curva tensión-
deformación así obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:
• Deformaciones elásticas: en esta zona las deformaciones se
reparten a lo largo de la probeta, son de pequeña magnitud y, si se
retirara la carga aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial. El
coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y la deformación se
denomina módulo de elasticidad o de Young y es característico del
material. Así, todos los aceros tienen el mismo módulo de
elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes. La
tensión más elevada que se alcanza en esta región se denomina
Capítulo 6 Plan de Pruebas
225
límite de fluencia y es el que marca la aparición de este fenómeno.
Pueden existir dos zonas de deformación elástica, la primera recta
y la segunda curva, siendo el límite de proporcionalidad el valor de
la tensión que marca la transición entre ambas. Generalmente, este
último valor carece de interés práctico y se define entonces un
límite elástico (convencional o práctico) como aquél para el que se
produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.).
Se obtiene trazando una recta paralela al tramo proporcional (recto)
con una deformación inicial igual a la convencional.
• Fluencia. Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de
la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las
impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones
de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo
mediante el cual el material se deforma plásticamente. Alcanzado
el límite de fluencia se logra liberar las dislocaciones
produciéndose la deformación bruscamente. La deformación en
este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la
probeta pero concentrándose en las zonas en las que se ha
logrado liberar las dislocaciones (bandas de Luders). No todos los
materiales presentan este fenómeno, en cuyo caso la transición
entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia
de forma clara.
• Deformaciones plásticas: si se retira la carga aplicada en dicha
zona, la probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando
Capítulo 6 Plan de Pruebas
226
deformada permanentemente. Las deformaciones en esta región
son más acusadas que en la zona elástica.
• Estricción. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se
concentran en la parte central de la probeta apreciándose una
acusada reducción de la sección de la probeta, momento a partir
del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la
rotura de la probeta por ese zona. La estricción es la responsable
del descenso de la curva tensión-deformación; realmente las
tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se
representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la
sección inicial y cuando se produce la estricción la sección
disminuye, efecto que no se tiene en cuenta en la representación
gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción ni
deformaciones plásticas significativas, rompiéndose la probeta de
forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de
rotura, carga última o resistencia a la tracción: la máxima resistida
por la probeta dividida por su sección inicial, el alargamiento en (%)
y la estricción en la zona de la rotura.
Otras propiedades que pueden caracterizarse mediante el ensayo de
tracción son la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, la
energía elástica y total absorbida, y que vienen representadas por el área
comprendida bajo la curva tensión-deformación hasta el límite elástico en el
primer caso y hasta la rotura en el segundo.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
227
Ensayo del aislador
Se realizará un ensayo de tracción para la caracterización del
componente del que se obtendrá la gráfica tensión-deformación, así como el
punto y tipo de rotura. De la gráfica se obtendrá la información sobre el
soporte de la carga obtenida en las simulaciones.
El ensayo de tracción se realizará sobre tres de las muestras
disponibles, quedando registradas aquéllas sometidas a dicho ensayo. En la
Figura 96 se muestra la disposición de la muestra en la máquina de tracción.
Figura 96. Boceto del ensayo de tracción
El setup de las muestras es el que se ve en la Figura 97.
Mordazas de la máquina de tracción
Capítulo 6 Plan de Pruebas
228
Figura 97. Croquis del setup del ensayo de tracción.
En la tabla siguiente se detallan los elementos necesarios para el
ensamblaje del setup.
Nº Elemento Descripción Par
Apriete Cant.
1 TORNILLO CILINDRICO M3x30 DIN912 - AISI304 PASIVADO TBD 8
2 ARANDELA 3,2 DIN433 - AISI304 PASIVADO - 8 3 ÚTIL DE TRACCIÓN - 2
Tabla 34. Listado de piezas para el setup de tracción.
Se tomarán fotografías identificando a qué muestra pertenecen para
recoger el tipo de rotura que ha sufrido el aislador.
2
1
3
Capítulo 6 Plan de Pruebas
229
6.2.3.3 Flexión
Objetivo: determinar el comportamiento a flexión de la muestra.
El ensayo de flexión se realizará sobre tres de las muestras
disponibles para las pruebas mecánicas que son un total de 6. En la Figura
98 se muestra la disposición de la muestra en la máquina de tracción.
Figura 98. Croquis ensayo de flexión.
Capítulo 6 Plan de Pruebas
230
El set up de las muestras es el que se ve en la Figura 99.
Figura 99. Croquis montaje de la muestra.
Nº Elemento Descripción Par
Apriete Cant.
1 TORNILLO CILINDRICO M3x12 DIN912 - AISI304 PASIVADO TBD 8
2 ARANDELA 3,2 DIN433 - AISI304 PASIVADO - 8 3 ÚTIL DE FLEXIÓN - 2
Tabla 35. Listado de piezas para el setup de flexión
Se tomarán fotografías identificando a qué muestra pertenecen para
recoger el tipo de rotura que ha sufrido el aislador.
2
1
3
Capítulo 6 Plan de Pruebas
231
6.2.4 Ensayo de Vida
El ensayo de vida tiene como objetivo evaluar el comportamiento del
componente frente al efecto de los ciclos de encendido y apagado. Se trata
de un ensayo de fatiga eléctrica, ya que se pretende saber cómo se
deteriora el dieléctrico frente a estos ciclos y evaluar su aplicabilidad en una
misión de 15 años de duración.
La prueba a realizar es la siguiente:
• Medir la corriente de fugas
• Aplicar una onda de tensión durante 100.000 ciclos, donde la
característica de la onda es:
- Vtest = 2 ⋅ Vdcmax
- Rise time: 50 ms
- Fall time: 50 ms
- Pulse Width: 50 ms
- Period: 200 ms
- 100000 cycles
VtestDIELECTRIC V
• Repetir la medida de corriente de fugas
Capítulo 6 Plan de Pruebas
232
El criterio de aceptación será el siguiente: la corriente de fugas
después del ciclado no debe superar en más de1% del valor inicial.
Capítulo 7 Conclusiones
233
7. Conclusiones
Capítulo 7 Conclusiones
234
A falta de la realización de los tests establecidos en el plan de
validación, en este capítulo de conclusiones se analizarán los resultados
obtenidos de las simulaciones. Se tratará de comprobar si estos se
encuentran dentro de los márgenes deseados que permitan validar los
aisladores como posible solución de diseño.
Capítulo 7 Conclusiones
235
7.1.1 Campo Eléctrico
De los resultados obtenidos se aprecia que existen varios puntos
críticos que deben ser analizados y contrastados con los criterios de diseño
establecidos en secciones anteriores.
Las zonas que se han considerado más críticas en el diseño y que,
por lo tanto hay que tener en cuenta para la realización de los análisis son:
- Separación entre jaulas (parámetro “a” de variación en los
estudios).
- Separación entre Al2O3 y la jaula a alta tensión (parámetro
“b” de variación en los diferentes estudios).
- Esquina de inferior de la jaula a alta tensión.
- Campo eléctrico en el cordón de soldadura entre alúmina y
cobre.
- Tensión máxima soportada por la alúmina
Fijados los puntos, identificados quizás como los más conflictivos en
el funcionamiento del componente, se procede a analizar los valores de
campo obtenidos.
• Tensión de aplicación: 1800V
En la tabla únicamente se recogen los valores de los casos más
extremos del parámetro “b” ya que, como se puede ver, en los puntos donde
más influencia tiene no aparece como lo más crítico.
Capítulo 7 Conclusiones
236
El componente, como aislador de alta tensión que es, no obtiene
ningún valor que exceda el máximo establecido para su aplicación en el
espacio. El valor máximo obtenido para la alúmina en este caso es de
0,73kV/mm, siendo los límites establecidos para un dieléctrico sólido en
espacio de 2kV en AC y de 6kV en DC (nuestro caso). El problema que se
analiza en los siguientes párrafos es el valor de campo que se da en los
alrededores del mismo, es decir, en lo que será aire/vacío.
Caso (axb) Al – Al (a) Al – Al2O3 (b) Esquina Al Cu – Al2O3
3x3 0,6 0,25 0,65 0,59 3x5 0,6 0,23 0,65 0,59 4x3 0,45 0,25 0,49 0,59 4x5 0,45 0,23 0,49 0,59 5x3 0,34 0,25 0,4 0,59 5x5 0,34 0,23 0,4 0,59
Tabla 36. Valores de campo en las zonas críticas a 1,8kV.
*Valores de campo en kV/mm.
De los valores obtenidos en los estudios con una tensión de
aplicación de 1800V, se puede afirmar que todo está bajo los criterios y
límites de diseño de alta tensión, tanto los valores del aire como los de la
alúmina, no detectándose para este caso de tensión aplicada ningún punto
crítico.
• Tensión de aplicación: 3600V
Capítulo 7 Conclusiones
237
En la tabla sólo se recogen los valores de los casos más extremos del
parámetro “b” ya que como se puede ver, en los puntos donde más
influencia tiene no aparece como lo más crítico.
Resaltar que el componente, como aislador de alta tensión que es, no
obtiene ningún valor que exceda el máximo establecido para su aplicación
en el espacio. El valor máximo obtenido para la alúmina es de 1,85kV/mm,
siendo los límites establecidos para un dieléctrico sólido en espacio de 2kV
en AC y de 6kV en DC. El problema que se analiza en los próximos párrafos
corresponde al valor de campo que se da en los alrededores del mismo.
Caso (axb) Al – Al (a) Al – Al2O3 (b) Esquina Al Cu – Al2O3
3x3 1,0÷1,2 0,56 1,35 1,1 3x5 1,0÷1,2 0,36 1,35 1,1 4x3 0,9÷1,0 0,56 1,0 1,1 4x5 0,9÷1,0 0,36 1,0 1,1 5x3 0,7 0,36 0,8 1,1 5x5 0,7 0,56 0,8 1,1
Tabla 37. Valores de campo en las zonas críticas a 3,6kV.
*Valores de campo en kV/mm.
De los valores obtenidos se deduce que como mínimo se debe
establecer una distancia de 5mm de separación entre las dos jaulas, ya que
en el resto de los casos se sobrepasan los límites y recomendaciones de
diseño establecidos para el aire en 800V/mm.
Otro punto importante y del que no sorprenden los resultados hallados
es el de la esquina de la jaula a alta tensión. Aunque sólo se obtienen
Capítulo 7 Conclusiones
238
valores por debajo de los establecidos en el caso de tener una separación
entre jaulas de 5mm, no resulta ser un problema de difícil solución. Basta en
este caso con redondear las aristas de la estructura para conseguir atenuar
la concentración de campo en dicha zona, siendo posible pues, el reducir la
distancia de 5mm y permanecer dentro de límites, aunque debe ser éste el
factor determinante de diseño.
Por último, pero no menos importante, se aprecia una alta
concentración de campo en el cordón de soldadura. Estos valores se han
resaltado en la tabla de color naranja por ser superiores a los límites pero
poco realistas respecto de la situación verdadera. Esto es debido a que el
componente presenta en esta zona un cordón de soldadura que añade un
redondeo a lo largo de la arista. Dicho redondeo reducirá los valores
obtenidos, por lo que, para realizar un evaluación de dicha reducción, se han
desarrollado nuevas simulaciones en las que sí se ha modelado el cordón.
Los resultados de las simulaciones dejan un campo en la zona de
soldadura redondeada alrededor de los 0.6kV, dentro de los límites
definidos.
En las siguientes líneas se emplearán los valores de campo eléctrico
obtenidos en las simulaciones anteriores de las zonas de mayor interés para
compararlas con las tensiones de ruptura que adquiere el aire en función de:
- Distancia entre electrodos planos (en cm).
- Presión del aire (altitud en km).
Capítulo 7 Conclusiones
239
En la Figura 100 se recogen diferentes curvas que representan la
tensión de ruptura del aire a presiones diferentes en función de la distancia
existente entre electrodos del tipo placa plana. La información se ha
obtenido del Treasure Valley Near Space Project Flight TV01F el 11 de
agosto del 2001.
Tension de Ruptura del Aire en Fundición de la Distancia entre Electrodos
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Mill
ares
Distancia entre electrodos (cm)
Tens
ión
de R
uptu
ra (k
V) 1 atm0,46 atm0,18 atm0,07 atm0,02 atm0,01 atm4,5·10^-3 atm5·10^-4 atm
Figura 100. Tensión de Ruptura del Aire en función de la distancia de electrodos (cm).
En la Figura 101 se recogen las diferentes curvas que representan la
variación del campo eléctrico en las zonas de estudio en función de las
distancias entre jaulas, y distancias entre la jaula a alta tensión y la alúmina.
Capítulo 7 Conclusiones
240
Campo Eléctrico Simulado
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0,275 0,325 0,375 0,425 0,475 0,525
Mill
ares
Distancia entre electrodos (cm)
Tens
ión
(kV) Simulación 'a' a 1,8kV
Simulación 'a' a 3,6kVSimulación 'b' a 1,8kVSimulación 'b' a 3,6kV
Figura 101. Gráfico de las curvas de tensión simuladas.
Si se superponen las gráficas de tensión de ruptura del aire y de la
tensión obtenida en los puntos de estudio se podrá ver el momento, es decir,
a qué presión se sobrepasan los límites del aire. La Figura 102 recoge dicha
superposición de gráficas. Sirve tanto para predecir si en condiciones
ambiente se pueden esperar descargas parciales como para poder ver en
qué condiciones, con aire como medio envolvente de las instalaciones, cada
una de las variables se sale fuera del rango.
En lo hay que fijarse en estas gráficas es si en algún momento los
valores simulados se encuentran por encima de los valores de ruptura del
aire. Si esto ocurriera, significaría que se produciría una descarga no
deseada, y por lo tanto una ruptura del dieléctrico, que en este caso es el
aire.
Capítulo 7 Conclusiones
241
Tensión de Ruptura del Aire en función de la Presión
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0,075 0,125 0,175 0,225 0,275 0,325 0,375 0,425 0,475 0,525
Mill
ares
Distancia entre electrodos (cm)
Tens
ión
(kV)
Breakdown 18 tor - 24,3 kmBreakdown 0,4 tor - 54,9 kmSimulación 'a' a 1,8kVSimulación 'a' a 3,6kVSimulación 'b' a 1,8kVSimulación 'b' a 3,6kVBreakdown 8 tor - 30,4 km
Figura 102. Gráfica con superposición de curvas de simulación y tensión de ruptura.
Del análisis del gráfico se llega a las siguientes conclusiones:
• En condiciones normales de presión no se deben dar descargas
parciales.
• A partir de una altitud de superior a los 20km sobre el nivel del mar,
se empezaría a tener problemas en la zona entre jaulas con una
tensión de aplicación de 3,6kV y una distancia de 3mm., volviendo
a estar dentro de límites con una distancia de 4,5mm.
• A partir de una altitud de 30,4km se tendrían siempre problemas
con tensiones de 3,6kV en la zona “a”.
• Por encima de los 55km se estaría fuera de límites en todos los
casos salvo para la zona “b” con una tensión de aplicación de
1,8kV.
Capítulo 7 Conclusiones
242
Aclarar que la comparativa realizada no reúne las condiciones reales
de funcionamiento del equipo objeto de estudio. Ello no quiere decir que el
análisis realizado anteriormente no sea de gran utilidad.
Del análisis realizado con las curvas de ruptura del aire, se puede
concluir que, cuando se realicen los ensayos de descargas parciales en
condiciones ambiente, no deben de aparecer descargas, puesto que no se
alcanzan valores de tensión por encima del de ruptura del aire. Las
condiciones del ensayo mencionado serán de una altitud de los 660m por
encima del nivel del mar. En el apartado de plan de pruebas se vuelven a
mencionar dichas condiciones de ensayo con mayor detalle.
El resto de presiones no reflejan las condiciones reales de
funcionamiento del equipo. La PSCU es una unidad de control de los
motores del satélite y que por lo tanto entrará en funcionamiento una vez
alcanzado el espacio y se hayan desacoplado el resto de las etapas del
lanzador. Por lo tanto, las condiciones en las que se trabajará el aislador
serán de vacío.
Decir que en algún momento de la misión, concretamente los
primeros instantes una vez alcanzado un cierta órbita, las condiciones de
trabajo no serán vacío completo por el fenómeno de desgasificación
(“outgassing”) que sufren los materiales no metálicos. Este fenómeno
introduce moléculas en el medio envolvente y aumenta ligeramente la
presión del medio, provocando un decrecimiento de la tensión de ruptura,
Capítulo 7 Conclusiones
243
pero que en ningún momento estará por debajo de las tensiones de diseño
adoptadas.
Para aliviar al máximo las consecuencias que puede provocar dicho
fenómeno, las chapas envolventes se encuentran agujereadas según un
patrón, para favorecer un mínimo de venteo de los gases que aparecen por
dicho fenómeno. Como consecuencia, la variación de la presión no es
suficiente como para que se lleguen a dar descargas parciales a la tensión
de trabajo de 1,8kV.
Capítulo 7 Conclusiones
244
7.1.2 Térmico
De las simulaciones realizadas se puede comprobar que el aislador
soporta las condiciones térmicas de funcionamiento, establecidas en una
temperatura máxima de funcionamiento de 60º C (333K), con una disipación
de calor total de 50W dividida entre un mínimo de seis aisladores.
Con estas condiciones de trabajo, en el aislador se tendrá una
diferencia de temperaturas cercana a los 5º, y con ello, unas tensiones
máximas localizadas en la zona de soldadura que se encuentran por debajo
del límite que se ha establecido por diseño, 200MPa. Límite establecido por
ser la tensión del límite elástico del cobre, a partir del cual comienza a sufrir
deformaciones plásticas no deseadas.
En las condiciones de trabajo del aislador anteriormente comentadas,
se ha supuesto una distribución por igual de la potencia a disipar por los
aisladores. Esto en la realidad no será así, ya que los focos generadores de
calor no estarán distribuidos en el interior como para que sea verdad. En
cualquier caso, de las simulaciones también se puede concluir que, aunque
dicha distribución no sea por igual, el aislador podrá aguantar diferencias de
temperatura de hasta 10º, lo que significa una disipación de calor en torno a
los 16W.
Estando sin cerrar todavía el diseño interior del módulo de alta
tensión, es decir, la distribución de los circuitos y componentes, el saber que
los aisladores tiene esta capacidad de disipación libera al diseñador de
Capítulo 7 Conclusiones
245
intentar una distribución uniforme de los focos generadores de calor. Aunque
no estará exento de dicha práctica ya que deberá tener cuidado de no
sobrecalentar los componentes sensibles situándolos cerca de los focos.
7.1.3 Mecánico
Con los resultados mecánicos obtenidos se puede concluir que el
aislador está preparado para soportar los niveles de tensiones establecidos
en las simulaciones. La hipótesis de trabajo dentro del comportamiento lineal
del material queda también validada dado que los niveles de tensiones
alcanzadas quedan por debajo de la tensión del límite elástico, siendo para
la alúmina de 370MPa y para el cobre en torno a los 200MPa.
Capítulo 8 Presupuesto
246
8. Presupuesto
Capítulo 8 Presupuesto
247
En este capítulo se presenta un presupuesto elaborado
correspondiente a la validación completa de los aisladores de alta tensión.
Se incluye tanto los estudios computacionales como la campaña de pruebas
necesarias para alcanzar el objetivo de validación.
Capítulo 8 Presupuesto
248
8.1 Presupuesto General
El presupuesto total al que asciende el proyecto de validación es de
45.477,39 €, de los que el 57% corresponde a los costes de los estudios
requeridos, sin tener en cuenta el coste de la mano de obra. El alto
porcentaje de los costes de la mano de obra, en torno al 30% del total son
consecuencia de la importancia que ésta tiene en el estudio, ya que se trata
de personal altamente cualificado.
Los costes generales que aparecen se han estimado como porcentaje
de los costes totales de los estudios y mano de obra (un 15%
aproximadamente). En ellos se pretende recoger los costes
correspondientes a las instalaciones, maquinaria y demás gastos generales
necesarios para poder desarrollar la validación. Muchas de estas
instalaciones son las de la Empresa de Electrónica Española.
57%30%
13%
Cos tes E s tudios
C os tes deP ers onalC os tes Generales
Capítulo 8 Presupuesto
249
PRESUPUESTO PROYECTO
Costes de Personal 13.634,56 € Sueldos y Salarios 10.251,55 € Seguridad Social 3.383,01 € Costes Estudios 25.910,99 € Estudio FEM 10.225,00 € Limpieza Inicial 543,64 € Ensayos Eléctricos 4.210,79 € Ensayos Térmicos 8.024,52 € Ensayos Mecánicos 688,52 € Ensayo de Vida 2.218,51 € Costes Generales 5.931,83 € TOTAL COSTES PROYECTO 45.477,39 €
En el siguiente gráfico, se representa el coste total de los estudios (sin
incluir la mano de obra) desglosado por cada uno de los estudios / fases del
proyecto. Del mismo se desprende que los costes del estudio por elementos
finitos son la partida mayor, con un 39% del coste. Ello es consecuencia de
los elevados costes de los programas software requeridos para el análisis
previo de validación.
Capítulo 8 Presupuesto
250
Los ensayos térmicos y los ensayos eléctricos son los siguientes con
mayores costes, un 31% y 16% respectivamente.
39%
2%
16%
31%
3%9%
E s tudio F E M
L impiez a Inic ial
E ns ayosE léc tricos E ns ayos Térmicos
E ns ayosMecánicos
Capítulo 8 Presupuesto
251
8.2 Presupuesto Detallado
En este apartado se muestra el detalle de los costes correspondientes
a cada uno de los estudios / fases en las que se divide el proyecto de
validación objeto de estudio y que han sido comentadas a lo largo de todo el
documento. Éstas son: el estudio de elementos finitos, la fase de limpieza
inicial de las muestras, los ensayos eléctricos, térmicos y mecánicos, los
ensayos de vida y el análisis final de los resultados obtenidos.
Como se aprecia, los costes totales de cada uno de ellos no
corresponden a los que aparecen en el presupuesto consolidado del
apartado anterior. Ello se debe a que en el presupuesto detallado, se han
imputado los costes de personal a cada uno de los estudios en función de
las horas / hombre estimadas.
Asimismo, mencionar que los costes de las 10 muestras que se
emplean se han asignado a cada estudio de acuerdo a las horas / hombre.
Capítulo 8 Presupuesto
252
ESTUDIO FEM Costes de Material 10.225,00 € Ordenador Workstation 625,00 € Licencia Programa FEM 4.800,00 € Licencia Programa CAD 4.800,00 € Costes de Personal 12.468,75 € Suelo Ingeniero 9.375,00 € Seguridad Social 3.093,75 € COSTES TOTALES ESTUDIO FEM 22.693,75 € LIMPIEZA INICIAL Costes de Material 141,17 € Alcohol isopropílico 12,00 € Alcohol dowanol px16 s 14,00 € Guantes de látex 10,34 € Balletas 16,70 € Bolsas plástico 40,00 € Etiquetas bolsas 8,13 € Suministros Varios 40,00 € Costes Muestras 402,47 € Costes de Personal 109,43 € Inspección entrada 3,91 € Limpieza 78,38 € Seguridad Social 27,15 € COSTES TOTALES LIMPIEZA 653,08 €
Capítulo 8 Presupuesto
253
ENSAYOS ELÉCTRICOS Costes de Sep up 29,00 € Tornillos 7,00 € Arandealas 6,00 € Cables 16,00 € Equipo de Medida 3.310,00 € Voltímetro 60,00 € Medida de Resistencia 250,00 € Generador Alta Tensión 2.000,00 € Osciloscopio 1.000,00 € Costes Muestras 636,91 € Costes Personal 86,59 € Ingeniero 65,10 € Seguridad Social 21,48 € Subcontratación 234,88 € Transportes 70,00 € Personal Cualificado 65,10 € Seguridad Social 21,48 € Otros Costes 78,29 € COSTES TOTALES ELÉCTRICO 4.297,38 €
Capítulo 8 Presupuesto
254
ENSAYOS TÉRMICOS Costes de Set Up 4.205,00 € Placa Negro 15,00 € Bloque soporte 40,00 € Resistencia Eléctrica 40,00 € Laminas Indio 418,00 € Manta Térmica 40,00 € Tornillos 28,00 € Arandelas 24,00 € Sensores Temperatura 3.600,00 € Equipo de Medida 3.310,00 € Voltímetro 60,00 € Medida de Resistencia 250,00 € Generador Alta Tensión 2.000,00 € Osciloscopio 1.000,00 € Costes Muestras 509,52 € Costes de Personal 138,54 € Ingeniero 104,17 € Seguridad Social 34,38 € TOTAL COSTES ENSAYOS TÉRMICOS 8.163,07 €
Capítulo 8 Presupuesto
255
ENSAYOS MECÁNICOS Costes Ensayos de Flexión 87,00 € Diseño y Fabricación 87,00 € Aluminio 35,00 € Tornillos 28,00 € Arandelas 24,00 € Costes Ensayo de Tracción 92,00 € Diseño y Fabricación 92,00 € Aluminio 40,00 € Tornillos 28,00 € Arandelas 24,00 € Costes Muestras 509,52 € Costes de Personal 138,54 € Ingeniero 104,17 € Seguridad Social 34,38 € TOTAL COSTES ENSAYOS MECÁNICOS 827,07 €
Capítulo 8 Presupuesto
256
ENSAYO DE VIDA Costes de Sep up 29,00 € Tornillos 7,00 € Arandealas 6,00 € Cables 16,00 € Costes Muestras 1.528,57 € Subcontratación 660,94 € Transportes 25,00 € Personal Cualificado 312,50 € Seguridad Social 103,13 € Otros Costes 220,31 € COSTES TOTALES ENSAYO DE VIDA 2.218,51 €
Capítulo 8 Presupuesto
257
ESTUDIO FINAL Costes de Personal 692,71 € Responsable técnico 520,83 € Seguridad Social 171,88 € TOTAL COSTES ESTUDIO FINAL 692,71 € TOTAL COSTES ETAPAS DEL PROCESO 39.545,55 € Costes Generales 5.931,83 € TOTAL COSTES PROYECTO 45.477,39 €
Capítulo 8 Presupuesto
258
Del gráfico que se presenta a continuación, se desprende que el
estudio por elementos finitos es el que incurre en unos mayores costes (57%
del total, incluyendo la mano de obra). Parece lógico, ya que es el que
mayores horas / hombre requiere y mayor tiempo para su ejecución
(aproximadamente 3 meses de duración). No obstante, en el presupuesto
consolidado del apartado anterior se recalcaba que esta partida era, sin
incluir los costes de personal, la que incurría en unos mayores costes como
consecuencia de la adquisición de las licencias de los programas requeridos.
La siguiente partida con mayor coste es la correspondiente a los
ensayos térmicos, con un 21% respecto del total, seguida de los ensayos
eléctricos con 10 puntos porcentuales menos (11%).
56%
2%
11%
21%
2%6% 2%
E S TUDIO F E M
L IMP IE ZA INIC IAL
E NS AY OSE LÉ C TR ICOSE NS AY OSTÉ RMICOSE NS AY OSME CÁNICOSE NS AY O DE V IDA
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