1. La causa de la descarga parcial
La denominada «descarga parcial» se refiere a una descarga en la que solo una zona parcial del sistema de aislamiento se descarga bajo la acción de un campo eléctrico, sin formar un canal de descarga completo. La causa principal de la descarga parcial es que, cuando el dieléctrico no es homogéneo, la intensidad del campo eléctrico en cada zona del aislante es desigual. En algunas zonas, la intensidad del campo eléctrico alcanza la intensidad de ruptura y se produce una descarga, mientras que las demás zonas siguen conservando sus características aislantes. La estructura aislante de los equipos eléctricos de gran escala es relativamente compleja, los materiales utilizados son diversos y la distribución del campo eléctrico en todo el sistema aislante es muy desigual. Debido a un diseño o proceso de fabricación imperfectos, el sistema aislante contiene huecos de aire o, durante su funcionamiento prolongado, el aislamiento se humedece y el agua se descompone bajo la acción del campo eléctrico generando gas y formando burbujas. Como la constante dieléctrica del aire es menor que la del material aislante, incluso si el material aislante está sometido a un campo eléctrico no demasiado elevado, la intensidad del campo en el hueco de aire o en la burbuja será muy alta, y se producirá una descarga parcial cuando dicha intensidad alcance un determinado valor. Además, existen defectos en el aislamiento o diversas impurezas mezcladas en él, o bien algunas conexiones eléctricas dentro de la estructura aislante son deficientes, lo que provocará una concentración local del campo eléctrico y podrá dar lugar a descargas en la superficie del aislamiento sólido o a potenciales flotantes en las zonas donde el campo eléctrico se concentra.
2. Tipos de descarga parcial
Desde el punto de vista de la ubicación, el proceso de descarga y el fenómeno de descarga parcial, la descarga parcial se puede dividir en tres tipos: descarga interna, descarga superficial y descarga en corona:
① Descarga interna
La causa común de las descargas parciales internas es la existencia de intersticios de aire en aislantes sólidos o burbujas de aire en aislamientos líquidos. El mecanismo de la descarga en el intersticio de aire interno del aislamiento varía según los cambios de la presión del gas y del sistema de electrodos. Desde el punto de vista del proceso de descarga, se puede dividir en dos tipos: descarga por ionización por impacto electrónico y descarga en forma de «streamer»; según la forma de la descarga, se puede clasificar en descarga de tipo pulsante (tipo chispa) y descarga de tipo no pulsante (tipo luminiscente), siendo estas dos las formas básicas. En general, las descargas parciales son descargas pulsantes, y un pulso de descarga individual y aislado puede observarse en una determinada fase de la tensión de frecuencia industrial externa. Teóricamente, el patrón de descarga de una descarga interna es simétrico en los semiciclos positivo y negativo de la frecuencia de red, pero, bajo condiciones ideales, la resistencia de aislamiento del material aislante que rodea el intersticio de aire o la burbuja no es infinita, y la descarga puede producirse a lo largo del intersticio de aire o bien debido a la descarga superficial de la pared de la burbuja; por ello, los patrones reales de descarga periódica en los semiciclos positivo y negativo de la frecuencia de red no son completamente simétricos, y guardan una estrecha relación con la configuración del sistema de electrodos: cuanto más simétrica sea la estructura del sistema de electrodos, más simétricos serán los patrones de descarga periódica en los semiciclos positivo y negativo de la frecuencia de red.
② Descarga superficial
En el extremo de alta tensión de los equipos eléctricos, debido a la concentración del campo eléctrico y a la relativamente baja resistencia al fenómeno de descarga superficial, con frecuencia se generan descargas parciales superficiales; el proceso y el mecanismo de la descarga superficial en los aisladores son similares a los de la descarga en las cavidades de aire internas o las burbujas dentro del aislamiento, pero presentan diferencias. Un extremo del espacio de descarga es un medio aislante, mientras que el otro extremo es un electrodo. Si el sistema de electrodos es asimétrico, los patrones de descarga que ocurren en los semiciclos positivo y negativo de la frecuencia de red también son asimétricos. Cuando un extremo de la descarga es un electrodo de alta tensión y el electrodo no descargado está conectado a tierra, la descarga en el semiciclo positivo es intensa pero ocurre pocas veces, mientras que en el semiciclo negativo el número de descargas es elevado, aunque su magnitud es pequeña. Si se invierte el sistema de electrodos, también se invierte el patrón de descarga.
③ Descarga por corona
La descarga por corona generalmente ocurre cuando el conductor de alta tensión está completamente rodeado por un gas. Dado que las moléculas del gas se mueven libremente, las partículas cargadas generadas por la descarga no quedarán fijadas en una posición determinada del espacio. En el sistema de electrodos de aguja-placa, la intensidad del campo eléctrico cerca de la punta de la aguja es la más alta y allí se produce la descarga. Debido a que la polaridad negativa emite electrones con facilidad y los iones positivos colisionan con el cátodo provocando la emisión secundaria de electrones, la descarga aparece primero en la polaridad negativa. Cuando la tensión aplicada es baja, los pulsos de descarga por corona aparecen cerca de la fase de 90° del semiciclo negativo de la tensión aplicada y son casi simétricos respecto a los 90°; al aumentar la tensión, aparecen en el semiciclo positivo unos pocos pulsos de descarga de gran amplitud y escaso número.
Las anteriores son las tres formas más básicas de descarga parcial. Además, la presencia de gotas de agua en el aislante, impurezas conductoras y cuerpos con potencial suspendido en los equipos eléctricos también pueden provocar descargas parciales; asimismo, pueden ocurrir descargas parciales en la superficie de sólidos y descargas en corona dentro del aislamiento líquido.
3. El daño de la descarga parcial
La descarga parcial tiene un efecto corrosivo sobre la estructura aislante, y su mecanismo de daño al aislamiento comprende los siguientes aspectos:
① Las partículas cargadas (electrones, iones, etc.) impactan el aislamiento, destruyendo su estructura molecular, como la fragmentación de las fibras, y, por lo tanto, el aislamiento resulta dañado;
② Debido al impacto de los iones cargados, el aislamiento experimentará un aumento local de temperatura, lo que fácilmente provocará sobrecalentamiento del aislamiento y, en casos graves, se producirá carbonización;
③ El ozono (O₃) y los óxidos de nitrógeno (NO, NO₂) generados por la descarga parcial corroerán el aislamiento, y cuando se expongan a la humedad, producirán ácido nítrico, que erosionará el aislamiento de forma aún más severa;
④ Durante la descarga parcial, el aceite se descompone debido a la electrólisis y al efecto de radiación Schottky del electrodo, y como contiene algunas impurezas, es fácil que los lodos generados por polimerización se aglomeren en la capa de papel (principalmente en el aislamiento del devanado o en otras cuñas de aceite aislante). La formación de lodos provocará un aumento brusco del ángulo de pérdida dieléctrica tgδ del aislamiento, reducirá la capacidad de disipación térmica e incluso podrá causar la posibilidad de una ruptura térmica. El desarrollo continuo de la descarga parcial ampliará gradualmente la degradación y el daño del aislamiento, lo que finalmente acortará la vida útil normal del aislamiento, reducirá la resistencia aislante a corto plazo e incluso podrá provocar la ruptura total del aislamiento.