Caracterización del daño eléctrico en geles de silicona

Abstract

El objetivo principal de esta Tesis es profundizar en el estudio de los mecanismos de ruptura dieléctrica en materiales dieléctricos blandos como lo son los geles de silicona. Estos polímeros son ampliamente utilizados en una gran variedad de aplicaciones eléctricas en telecomunicaciones, electrónica y en la industria automotriz. Combinan las ventajas de las propiedades eléctricas y químicas de las siliconas con las propiedades particulares de los geles. Desde el punto de vista mecánico, las características más relevantes son bajo módulo, capacidad de deformación, amortiguamiento mecánico y adherencia. En los últimos años se desarrollaron aplicaciones en las que se usan geles de silicona (o polímeros ultra-blandos) como material aislante; por ejemplo, en la unión de cables de potencia o el encapsulamiento de circuitos electrónicos de potencia como IGBTs de alto voltaje (Transistor Bipolar de Puerta Aislada), donde el material está expuesto a intensidades de campo eléctrico elevadas. Pese al uso cada vez más frecuente de este tipo de materiales en aplicaciones de aislamiento de media y alta tensión, se requiere un conocimiento aún más exhaustivo de los mecanismos de envejecimiento y propagación del daño eléctrico bajo diversas condiciones. Los geles de silicona presentan propiedades inusuales con características tanto de líquidos como de sólidos. Consisten en una red levemente reticulada de polímero de silicona, que le da al gel su característica elástica, y proporciona interesantes propiedades mecánicas, a la vez que conserva y retiene una fase líquida formada por oligómeros de silicona de bajo peso molecular. Una vez alcanzado el punto de gelificación, estos geles de silicona dejan de fluir (como lo hacían un instante anterior en el estado de aceites), incluso a alta temperatura (hasta 200 °C), y son mucho más blandos que las gomas de silicona. Los geles pueden volver a su forma original después de una gran deformación mecánica y por lo tanto poseen una capacidad de auto-recuperación importante en cuya característica se centra el objetivo de esta Tesis.

The main objective of this Thesis is to study in depth the dielectric breakdown mechanisms in soft dielectric materials such as silicone gels. These polymers are widely used in a wide variety of electrical applications in telecommunications, electronics and the automotive industry. They combine the advantages of the electrical and chemical properties of silicones with the particular properties of gels. From the mechanical point of view, the most relevant characteristics are low modulus, deformation capacity, mechanical damping and adhesion. In the last years applications were developed in which silicone gels (or ultra-soft polymers) are used as insulating material; for example, in the connection of power cables or the encapsulation of electronic power circuits as high voltage IGBTs (Bipolar Isolated Gate Transistor), where the material is exposed to high electric field strengths. Despite the increasingly frequent use of this type of material in medium and high voltage insulation applications, an even more exhaustive knowledge of the mechanisms of aging and propagation of electrical damage under various conditions is required. Silicone gels have unusual properties with characteristics of both liquids and solids. They consist of a slightly reticulated network of silicone polymer, which gives the gel its elastic characteristic, and provides interesting mechanical properties, while preserving and retaining a liquid phase formed by low molecular weight silicone oligomers. Once the gel point has been reached, these silicone gels stop flowing (as they did an earlier moment in the oil state), even at high temperature (up to 200 ° C), and are much softer than silicone gums. The gels can return to their original form after a great mechanical deformation and therefore have an important capacity for self-recovery in whose characteristic the objective of this Thesis is focused. On the other hand, in a solid the damage produced by an electric shock is permanent, while in a liquid gaseous cavities are formed that disappear quickly. In a soft gel there is an intermediate behavior that depends on the degree of crosslinking. There are very few data available in the literature on the electrical properties of silicone gels, self-recovery mechanisms and phenomena of load transport and rupture, especially at high voltages.