Materiales de aislamiento eléctrico y ensayos dieléctricos: ASTM D150 frente a IEC 60250

El aislamiento eléctrico es la columna vertebral de todos los sistemas eléctricos y electrónicos seguros y fiables, desde los electrodomésticos hasta la red eléctrica de alta tensión. Los materiales aislantes evitan el flujo de corriente no deseado, protegen contra las descargas eléctricas y contribuyen a la longevidad de los dispositivos. Para seleccionar el aislamiento adecuado es necesario conocer tanto las propiedades de los materiales como las normas para comprobar dichas propiedades, en concreto ASTM D150 e IEC 60250.

Visión general de los materiales de aislamiento eléctrico

Se trata de materiales que restringen el flujo de corriente eléctrica y, por tanto, se utilizan para separar piezas conductoras. Los aislantes encuentran aplicaciones en alambres eléctricos, cables, condensadores, transformadores y en varios equipos de alta tensión. Los materiales aislantes más comunes son, entre otros, los polímeros, la cerámica, el vidrio y los compuestos, que se eligen en función de la tensión, la frecuencia, la temperatura y las condiciones ambientales.

Polímeros como el PE, el PP y el PI presentan excelentes propiedades dieléctricas con flexibilidad mecánica y facilidad de fabricación. Los materiales cerámicos como el Al₂O₃ y el ZrO₂ tienen una excelente estabilidad térmica y una elevada rigidez dieléctrica, por lo que son superiores en aplicaciones de alta temperatura y alta tensión. El vidrio y los materiales vitrocerámicos poseen una inercia química adecuada para aplicaciones que requieren transparencia o resistencia en condiciones ambientales extremas. Los materiales compuestos son aquellos con más de una fase, que combinan ciertas propiedades para su aplicación en condiciones extremas.

Propiedades clave de los materiales aislantes

Varias propiedades clave determinan el rendimiento de un aislamiento eléctrico:

1. 1. Constante dieléctrica (permitividad): representa la relación entre la capacitancia de un condensador fabricado con un dieléctrico determinado y el valor en el vacío; dicho de otro modo, mide la capacidad de un material para almacenar energía eléctrica y, por tanto, es de vital importancia para los condensadores y las aplicaciones de corriente alterna.

2. El factor de disipación, o delta tangente, define la pérdida de energía en forma de calor; cuanto menor sea su valor, mejor será el aislamiento.

3. Rigidez dieléctrica: El campo eléctrico máximo que puede soportar un material sin romperse.

4. Resistividad volumétrica y superficial: Una resistividad elevada reduce las corrientes de fuga, garantizando así la seguridad y la eficacia.

5. Estabilidad térmica: Los materiales no deben mostrar ninguna degradación térmica durante las operaciones.

6. Resistencia mecánica: flexibilidad, resistencia a la tracción y resistencia a la abrasión en cables y piezas móviles.

7. Resistencia ambiental: La resistencia a la humedad, los productos químicos, la radiación UV y las fluctuaciones extremas de temperatura garantizan la fiabilidad en condiciones reales.

Más información: Materiales electrónicos esenciales: Parte 6 - Materiales conductores y aislantes

Normas para ensayos dieléctricos

Los ensayos normalizados garantizan que los materiales aislantes cumplen los requisitos de seguridad, rendimiento y calidad. Dos de las normas utilizadas en las pruebas dieléctricas de CA son la ASTM D150 y la IEC 60250.

ASTM D150, Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and Permittivity of Solid Electrical Insulation, describe la medición de la constante dieléctrica y el factor de disipación utilizando una célula de condensador y un puente de CA. Pueden utilizarse varias frecuencias, pero 50-60 Hz es común para aplicaciones de potencia; esta prueba es de uso común en Norteamérica.

IEC 60250, Measurement of the Dielectric Loss Factor and Relative Permittivity of Solid Insulating Materials at Power Frequencies (Medición del factor de pérdida dieléctrica y la permitividad relativa de materiales aislantes sólidos a frecuencias de potencia), es una norma internacional que proporciona pruebas similares en condiciones más controladas, incluidas la temperatura y la humedad. Permite una mayor reproducibilidad de los resultados entre diferentes laboratorios de todo el mundo, con un uso generalizado en Europa, Asia y otras partes del mundo.

Comparación entre ASTM D150 e IEC 60250

Ambas normas comparten la misma base científica, a saber, la respuesta dieléctrica en condiciones de corriente alterna utilizando células de condensador. Sin embargo, la norma IEC 60250 tiene controles más estrictos para una coherencia global, mientras que la norma ASTM D150 hace hincapié en el uso práctico en aplicaciones regionales.

Implicaciones prácticas

Comprender tanto los materiales como las normas es clave para ingenieros y fabricantes.

- Selección de materiales: La selección adecuada del polímero, la cerámica o el material compuesto depende de las propiedades dieléctricas, el rendimiento mecánico, el rendimiento térmico y la resistencia a los factores medioambientales.

- Conformidad: Los productos norteamericanos tendrán que ajustarse a la norma ASTM D150; para fines internacionales o de exportación, los productos tendrán que cumplir las normas IEC 60250.

- Investigación y desarrollo: La comparación entre ambas normas garantizará una caracterización exhaustiva y la aplicabilidad global de los resultados.

- Control de calidad: Los ensayos dieléctricos normalizados garantizan que el aislamiento sea fiable, eficiente y seguro para su aplicación en la vida real.

Conclusión

El aislamiento eléctrico es mucho más que una simple barrera a la corriente; es un factor que permite que los sistemas eléctricos sean seguros, eficientes y duraderos. El conocimiento de las propiedades de los materiales, como la constante dieléctrica, el factor de disipación y la rigidez dieléctrica, permite al ingeniero seleccionar materiales que ofrezcan un rendimiento fiable en una amplia variedad de circunstancias. ASTM D150 e IEC 60250 describen metodologías estructuradas para medir y evaluar estas propiedades. Aunque su finalidad es similar, existen diferencias con respecto al control medioambiental, la calibración y la adopción regional que deben abordarse para garantizar la precisión de las pruebas y el cumplimiento de las normas. Combinar el conocimiento de los materiales con el de las normas capacita a los ingenieros para diseñar sistemas eléctricos seguros, eficientes y compatibles en todo el mundo.