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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMA
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
LICENCIATURA EN SISTEMAS ELÉCTRICOS Y AUTOMATIZACIÓN
PROTECIONES DE SISTEMAS ELECTRICOS
TEORIA DE AISLAMIENTO
PROFESORA: MOISES ARENA
INTEGRANTES
ALVARO CRUZ 8-796-135
HAROLD ACEVEDO 8-309-175
JAIME POVEDA 9-710-920
GRUPO 1SE441
LUNES 15 DE NOVIEMBRE DE 2010
INTRODUCCION
El aislamiento eléctrico se produce cuando se cubre un elemento de una instalación
eléctrica con un material que no es conductor de la electricidad, es decir, un material
que resiste el paso de la corriente a través del elemento que recubre y lo mantiene en su
trayectoria a lo largo del conductor. Dicho material se denomina aislante eléctrico.
De acuerdo con la teoría moderna de la materia (comprobada por resultados
experimentales), los átomos de la materia están constituidos por un núcleo cargado
positivamente, alrededor del cual giran a gran velocidad cargas eléctricas negativas.
Estas cargas negativas, los electrones, son indivisibles e idénticas para toda la materia.
En los elementos llamados conductores, algunos de estos electrones pueden pasar
libremente de un átomo a otro cuando se aplica una diferencia de potencial (o tensión
eléctrica) entre los extremos del conductor.
A este movimiento de electrones es a lo que se llama corriente eléctrica. Algunos
materiales, principalmente los metales, tienen un gran número de electrones libres que
pueden moverse a través del material. Estos materiales tienen la facilidad de transmitir
carga de un objeto a otro, estos son los antes mencionados conductores.
Los mejores conductores son los elementos metálicos, especialmente la plata (es el más
conductor) el cobre, el aluminio, etc.
Los materiales aislantes tienen la función de evitar el contacto entre las diferentes partes
conductoras (aislamiento de la instalación) y proteger a las personas frente a las
tensiones eléctricas (aislamiento protector).
La coordinación de aisladores es analizar las características, particularidades y acciones
para asegurar la correcta coordinación de aislamiento de un sistema eléctrico.
Asimismo, se analiza las acciones y el equipamiento necesario para conseguir esos
objetivos: elección correcta de pararrayos, estudio del apantallamiento y aislamiento de
líneas, subestaciones y aparamenta así como el efecto de la puesta a tierra.
Aislamiento eléctrico
El aislamiento eléctrico se produce cuando un alambre eléctrico de un motor, generador,
interruptor, transformador o cable, está cubierto cuidadosamente con alguna forma de
aislación eléctrica.
El alambre de cobre o aluminio es buen conductor de corriente y le entrega potencia a
los equipos, mientras que el aislamiento es justamente opuesto a un conductor, es decir,
debe resistir la corriente y mantenerlo en su trayectoria a lo largo del conductor.
¿Qué es aislamiento?
El aislamiento consiste en una separación física y eléctrica de dos partes de un
dispositivo de medición, y puede catalogarse como un aislamiento eléctrico y de
seguridad. El aislamiento eléctrico existe cuando se eliminan los circuitos a tierra entre
dos sistemas eléctricos. Al proporcionar aislamiento eléctrico, puede romper esos
circuitos, incrementar el rango de modo común del sistema de adquisición de datos, y
nivelar la señal de referencia de tierra a un solo sistema de tierra. Estándares de
aislamiento de seguridad de referencia tienen requerimientos específicos para aislar
humanos del contacto con voltajes de riesgo. También posee la habilidad de que un
sistema eléctrico prevenga la transmisión de altos voltajes y voltajes transitorios más
allá de sus límites hacia otros sistemas eléctricos.
Incorporar aislamiento a un sistema de adquisición de datos tiene tres funciones
primarias: prevenir de la formación de circuitos a tierra, rechazar el voltaje de modo
común y proporcionar seguridad.
Circuitos a Tierra
Los circuitos a tierra son la fuente más común de ruido en las aplicaciones de ac.
Ocurren cuando se conectan dos terminales en un circuito a diferentes potenciales
adquisición de datos a tierra, causando que la corriente fluctúe entre los dos puntos.
La tierra local del sistema puede estar varios voltios más abajo o arriba que la tierra del
edificio más cercano, y descargas eléctricas (por ejemplo, causado por rayos) cercanas
pueden causar que la diferencia se eleve en varios cientos o miles de voltios.
Este voltaje adicional por sí solo puede causar un error significativo en las medidas,
pero la corriente que lo causa puede distribuir voltajes en cables cercanos. Estos errores
pueden aparecer como señales transitorias o periódicas. Por ejemplo, si un circuito a
tierra se forma con líneas de potencia de AC de 60 Hz, la señal de AC que no se desea
aparece como un error de voltaje senoidal en la medida.
Voltaje de Modo Común
Un sistema de medidas diferencial ideal responde solamente a la diferencia de potencial
entre sus dos terminales, las entradas (+) y (-). El voltaje diferencial a través del par del
circuito es la señal deseada, sin embargo una señal no deseada puede existir en ambos
lados del circuito par diferencial. Este voltaje se conoce como voltaje de modo común.
Un sistema de medidas diferencial ideal rechaza completamente el voltaje de modo
común y no las medidas. Los dispositivos prácticos, sin embargo, tienen varias
limitaciones, descritas por parámetros como el rango de voltaje de modo común y razón
de rechazo de modo común (CMRR), los cuales limitan la habilidad de rechazar el
voltaje de modo común.
El rango de voltaje de modo común se define como la variación máxima de voltaje
permitida en cada entrada con respecto a la tierra del sistema de medida. La violación de
esta restricción resulta no sólo en errores en la medida, pero en un posible daño a los
componentes de la tarjeta.
El voltaje de modo común se muestra gráficamente en la figura.
En este circuito, CMRR en dB es medido como 20 log Vcm/Vsalida donde V- = Vcm.
Circuito de Medición CMRR
Consideraciones de aislamiento
Existen varios términos con los cuales se debe familiarizar al configurar un
sistema aislado:
Categoría de la Instalación: Agrupamiento de parámetros de operación que
describen los transitorios máximos que un sistema eléctrico puede soportar
de manera segura.
Las categorías de instalación se discuten más a detalle posteriormente.
Voltaje de Trabajo: Voltaje máximo de operación bajo la cual el sistema
puede garantizarse que opere de forma segura sin comprometer la barrera de
aislamiento.
Voltaje de Prueba: Nivel de voltaje al cual el producto está sujeto durante las
pruebas para asegurar conformidad con estándares.
Voltaje Transitorio (Sobre voltaje): Pulso o pico eléctrico breve que puede
verse además del nivel de voltaje esperado que ha sido medido.
Tipos de Aislamiento
El aislamiento físico es la forma más básica de aislamiento, lo que significa que hay
una barrera física entre los dos sistemas eléctricos. Esto puede ocurrir en forma de
aislante, una capa de aire, o una ruta no conductiva entre los dos sistemas eléctricos.
Al hablar únicamente de aislamiento físico, implica que no hay transferencia de
señales entre los sistemas eléctricos. Al lidiar con sistemas de medidas aislados, debe
haber una transferencia, o acoplamiento, de energía a través de la barrera de
aislamiento.
Existen tres tipos básicos de aislamiento que pueden usarse en un sistema de
adquisición de datos:
Aislamiento Óptico:
El aislamiento óptico es común en sistemas de aislamiento digital. El medio para
transmitir la señal es la luz y la barrera de aislamiento física es típicamente una capa de
aire. La intensidad de luz es proporcional a la señal medida. La señal luminosa es
trasmitida a través de la barrera de aislamiento y detectada por un elemento fotoconductor
en el lado opuesto a la barrera de aislamiento.
Aislamiento Electromagnético :
El aislamiento electromagnético utiliza un transformador para acoplar una señal a través de
la barrera de aislamiento al generar un campo electromagnético proporcional a la señal
eléctrica. El campo es creado y detectado por un par de bobinas conductoras.
La barrera física puede ser aire u otra forma de barrera no conductiva.
TRANSFORMADOR
Aislamiento Capacitivo:
El acoplamiento capacitivo es otra forma de aislamiento. Un campo electromagnético
cambia el nivel de carga en el capacitor. Esta carga es detectada a través de la barrera y
es proporcional al nivel de la señal medida.
Topologías de Aislamiento:
Es importante comprender la topología de aislamiento de un dispositivo al
configurar el sistema de medidas. Diferentes topologías tienen diversas
consideraciones de velocidad y costo asociadas.
Canal-a-Canal:
La topología de aislamiento más robusta en el aislamiento de canal-a-canal. En esta
topología cada canal está individualmente aislado uno de otro y de otros
componentes del sistema no aislados. Adicionalmente, cada canal tiene su propia
fuente de potencia aislada.
En términos de velocidad, existen varias arquitecturas de las cuales elegir. Usando
un amplificador de aislamiento con un convertidor analógico a digital (ADC) por
canal es más rápido debido a que puede tener acceso a todos los canales en paralelo.
Una arquitectura más económica, pero más lenta, involucra multiplexar cada canal
de entrada aislado a un solo ADC.
Otro método para proporcionar aislamiento entre canales es usar una fuente de potencia
común aislada para todos los canales. En este caso, el rango de modo común de los
amplificadores está limitado a la salida de la fuente de poder, a menos que se empleen
atenuadores frontales.
Banco:
Otra topología de aislamiento involucra los bancos, o agrupamiento de varios canales a la
vez para compartir un solo amplificador de aislamiento. En esta topología, la diferencia de
voltaje de modo común entre canales está limitada, pero el voltaje de modo común entre
bancos de canales y la parte no aislada del sistema de medidas puede ser grande. Los
canales individuales no son aislados, pero los bancos están aislados entre sí y de la tierra.
Esta topología es una solución de aislamiento de bajo costo debido a que este diseño
comparte un solo amplificador de aislamiento y una fuente de poder.
Estándares Ambientales y de Seguridad:
Al configurar un sistema de adquisición de datos, debe seguir los
pasos que se presentan a continuación para asegurarse de que el
producto cumpla con los estándares de seguridad:
• Considere el ambiente operacional, el cual incluye el
voltaje de aislamiento de trabajo y la categoría de la instalación.
• Elija el método de aislamiento en el diseño basado en los
parámetros operacionales y de seguridad.
• Elija el tipo de aislamiento basado en la exactitud
requerida, el rango de frecuencia requerido, el voltaje de
aislamiento de trabajo, y la habilidad de los componentes de
aislamiento para sobrellevar cambios transitorios en voltaje.
No todas las barreras de aislamiento son aptas para el aislamiento de seguridad.
Aun y cuando algunos productos de medidas cuenten con componentes que
dicen tener barreras de aislamiento para alto voltaje, el diseño general del
producto, no solo los componentes, es lo que define si el dispositivo cumple o
no con los estándares de seguridad para alto voltaje. Los estándares de
seguridad tienen requerimientos específicos para aislar a los humanos del
contacto con voltajes peligrosos. Estos requerimientos varían de acuerdo a la
aplicación y niveles de voltaje de trabajo, pero con frecuencia especifican dos
capas de protección entre voltajes riesgosos y los circuitos o partes accesibles a
los humanos.
Al lidiar con estándares de seguridad, la European Comisión and Underwrites
Laboratories, Inc. (UL) ha definido los estándares que cubren el diseño de los
instrumentos de alto voltaje. Existen aproximadamente 200 estándares de
seguridad armonizados (aprobados para usarse en demostraciones) con la
Directiva de Bajo Voltaje, documento inicial que definía las especificaciones
para niveles de voltaje que requerían de consideraciones de seguridad.
Categorías de Instalación
El IEC (International Electrotechnical Commission ó Comisión Electrotécnica
Internacional) definió el término Categoría de Instalación (algunas veces referido como
Categoría de Sobre Voltaje) para denominar voltajes transitorios. Al trabajar con voltajes
transitorios, existe un nivel de variación que aplica para cada categoría. Esta variación,
reduce los voltajes transitorios (sobre voltajes) presentes en el sistema. A medida que se
mueve hacia las tomas de corriente y lejos de las líneas de transmisión de alto voltaje, la
cantidad de variación en el sistema aumenta.
El IEC ha creado cuatro categorías para particionar circuitos con diferentes niveles de sobre
voltaje transitorio.
• Categoría de Instalación IV – Nivel de Distribución (líneas de transmisión)
• Categoría de Instalación III – Instalación Fija (paneles de fusibles)
• Categoría de Instalación II – Equipo que consume energía del sistema de instalación fijo
de la Categoría III (toma de pared).
• Categoría de Instalación I – Equipo para conexión a circuitos donde los sobrevoltajes
transitorios están limitados a un bajo nivel por diseño.
Categorías de Instalación
Aplicaciones típicas de aislamiento
Monitoreo de AC de Una Fase
Para medir el consumo de potencia con mediciones de potencia de
120/240 VAC, usted registrará valores instantáneos de voltaje y
corriente. La medición final, sin embargo, puede no ser la potencia
instantánea, sino la potencia promedio en un periodo de tiempo o
la información de costo para la energía consumida. Al tomar
medidas de voltaje y corriente, el software puede realizar medidas
de potencia o hacer otros análisis. Para realizar medidas de alto
voltaje se requiere de un atenuador de voltaje para ajustar el rango
de la señal al rango de entrada del dispositivo de medida. Las
medidas de corriente requieren un resistor de precisión. La caída
de voltaje a través del resistor es medida, y la Ley de Ohm (I =
V/R) produce un valor de corriente.
Comunicación Serial:
La confiabilidad resulta una preocupación al momento de diseñar
equipos para que sean resistentes a la interferencia inherente en
ambientes hoscos. Aplicaciones comerciales e industriales como las
redes POS, cajeros automáticos, estaciones de banquero, y líneas de
producción basadas en CNC pueden aceptar picos de voltaje y ruido.
El aislamiento reduce la posibilidad de dañar los sistemas de control
y asegura que los sistemas se mantengan operando. Otras
aplicaciones que pueden requerir aislamiento es el control de
proceso industrial, dispositivos seriales en red, módems de alta
velocidad, equipos de monitoreo, dispositivos de comunicación de
larga distancia, impresoras y control de dispositivos seriales
remotos.
CRITERIOS Y PROCEDIMIENTO PARA LA
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.
La coordinación del aislamiento tiene por objeto determinar las
características de aislamiento necesarias y suficientes de los
equipos de las redes eléctricas y en este caso específico de las
subestaciones, para garantizar que el nivel de tensión soportada por
el aislamiento del equipo sea mayor que la tensión que pueda
aparecer como resultado de una sobretensión transitoria, una vez
que esta ha sido limitada por el dispositivo de protección o
pararrayos. Tomando en cuenta las condiciones medioambientales
y de ubicación de la subestación.
Es decir, la coordinación de aislamiento consiste en relacionar las
sobretensiones que puedan aparecer en el sistema y los niveles de
protección de los pararrayos con los niveles de aislamiento del
equipo.
La siguiente Figura muestra mediante una curva voltaje-tiempo los criterios generales para la
coordinación de aislamiento aplicable en forma individual para cada equipo. En la parte
superior de la figura se ubican las tensiones tipo impulso, mientras que en la parte inferior se
sitúan las curvas de tensión a frecuencia industrial, en el orden correcto para coordinación.
A. Tensión soportada a impulsos Atmosféricos
B. Tensión soportada a impulsos de maniobra.
C. Nivel de protección del pararrayos.
D. Tensión soportada de frecuencia industrial.
E. Rango de sobretensiones esperadas de
frecuencia industrial.
F. Máximo voltaje de operación del sistema.
G. Voltaje real de operación del sistema.
Vn. Voltaje nominal del sistema.
PRUEBAS PARA LA VERIFICACIÓN DEL NIVEL DE AISLAMIENTO
SELECCIONADO.
El nivel de aislamiento estandarizado debe ser
verificado en pruebas de soportabilidad de aislamiento,
con el fin de garantizar que la tensión real que el
aislamiento de un equipo es capaz de soportar no sea
inferior que la tensión soportada especificada en el nivel
de aislamiento seleccionado. Las tensiones a ser
aplicadas en las pruebas de soportabilidad serán las
tensiones soportadas normalizadas.
Pruebas de aislamientos no auto recuperables.
Para este tipo de aislamientos es importante tomar en
consideración que la presencia de una descarga disruptiva
causará la degradación de sus propiedades aislantes. Incluso
tensiones de prueba que no provoquen disrupción podrían
afectar al aislamiento. Por esta razón, en la evaluación de
aislamientos no auto recuperables se debe aplicar un número
limitado de tensiones de prueba, por ejemplo tres impulsos. Se
considera que la prueba es satisfactoria si no se produce
disrupción, en cuyo caso se puede afirmar que el aislamiento es
capaz de soportar tensiones de hasta el valor de tensión
aplicada.
Pruebas de aislamientos auto recuperables.
Por las características auto recuperables de este tipo de
aislamientos es posible aplicar un gran número de tensiones de
prueba, e inclusive permitir la presencia de disrupción. Por lo
tanto, se podrá obtener información estadística respecto de la
soportabilidad del aislamiento en base de las pruebas realizadas.
Así por ejemplo, se podrá estimar el valor de tensión soportada
para tener una probabilidad de soportabilidad del 90 %, Pw = 90
%. Se puede también aplicar métodos para la determinación de
V50, por ejemplo, un método consiste en aplicar al menos ocho
grupos de siete impulsos por grupo.
Pruebas de aislamientos mixtos:
Para el caso de equipos que estén conformados por los
dos tipos de aislamiento y en los que el aislamiento auto
recuperable no pueda probarse por separado de su
aislamiento no auto recuperable, como es el caso de
bushings o transformadores de instrumentos, es
importante definir el método de prueba. Se debe
considerar que el aislamiento no auto recuperable admite
la aplicación de pocas tensiones de prueba. Por otro lado
por propósitos estadísticos y por seguridad en el resultado
del ensayo, el aislamiento auto recuperable necesita la
aplicación de numerosas tensiones de prueba.
UTILIZACION DE
ASILANTES
