AISLAMIENTO ELÉCTRICO

AISLAMIENTO ELÉCTRICOEl aislamiento se clasifica de acuerdo a su localización como externo o interno.

El aislamiento externo se refiere a las separaciones en aire o a lo largo de la superficie de los aisladores situados en contacto directo con el medio ambiente y, por tanto, bajo su influencia, es decir, sometido a los cambios de presión, temperatura y humedad que se presentan bajo condiciones atmosféricas normales. El aislamiento externo puede estar situado en exteriores o en interiores. Por aislamiento interno se entiende cualquier tipo de material aislante, sólido, líquido o gaseoso, que no está expuesto a las condiciones atmosféricas. El aislamiento externo debe soportar una gran variedad de esfuerzos eléctricos, mecánicos y los que se deriven de la acción del medio, sin que en él se presenten fallas. En el caso de los esfuerzos eléctricos existen dos tipos bien definidos:Esfuerzos de corta duración y de gran intensidad.Esfuerzos de larga duración y de relativamente poca intensidad.

MATERIALES DE LOS AISLADORES

Históricamente se han utilizado distintos materiales, porcelana, vidrio, y actualmente materiales compuestos, y la evolución ha ocurrido en la búsqueda de mejores características y reducción de costos.

PORCELANA. Es una pasta de arcilla, caolín, cuarzo o alúmina se le da forma, y por horneado se obtiene una cerámica de uso eléctrico. Este material es particularmente resistente a compresión por lo que se han desarrollado especialmente diseños que tienden a solicitarlo de esa manera.

VIDRIO. Cristal templado que cumple la misma función de la porcelana, se trabaja por moldeado colándolo, debiendo ser en general de menos costo.

Se puede afirmar que en general la calidad de la porcelana puede ser más controlada que la del vidrio, esta situación es evidenciada por una menor dispersión de los resultados de los ensayos de rotura.

MATERIALES COMPUESTOS: Fibras de vidrio y resina en el núcleo, y distintas "gomas" en la parte externa, con formas adecuadas, han introducido en los años más recientes la tecnología del aislador compuesto.

AISLADORES DE SUSPENSIÓNLos aisladores de suspensión se usan en las líneas de alta tensión y los mismos son de dos tipos: de disco y de barra. Su principal característica es la de que pueden ser conectados en cadenas y que la acción del conductor sobre los mismos es la de ejercer un fuerza de tensión.

De acuerdo con la norma ANSI C29.1, una unidad aisladora de suspensión es un ensamble de una pieza de porcelana y herrajes metálicos, provista de medios de acoplamiento no rígidos, a otras unidades o herrajes terminales para sostener conductores eléctricos.

En un aislador de suspensión típico se distinguen los siguientes elementos: 1. Esmalte 2. Arena cerámica 3. Cemento 4. Ojal o cuenca 5. Pintura bituminosa 6. Campana metálica 7. Cuerpo cerámico 8. Perno metálico (pasador o bola)

AISLADORES DE SUSPENSIÓN

FUNCIÓN DEL AISLADOR DE SUSPENSIÓN

FUNCIÓN MECÁNICA: la cual es la de servir de conexión entre un conductor eléctrico y una estructura de soporte manteniendo el conductor en posición bajo acción de cargas mecánicas estáticas y dinámicas.

FUNCIÓN DE AISLAMIENTO ELÉCTRICO: en el cual se suman dos factores importantes. El primero se basa en el hecho de que la porcelana es un material altamente dieléctrico, el cual impide el paso de los electrones del conductor a la torre directamente a través de su estructura. El segundo factor radica en su geometría y superficie, elementos que minimizan las corrientes de fuga y permiten mantener la línea lo suficientemente alejada de la torre para prevenir descargas eléctrica, tanto durante la operación normal de la línea o ante la aparición de sobretensiones con ondas de impulso o de apertura y cierre.

CRITERIOS DE DISEÑO DE LOS AISLADORES DE SUSPENSIÓN

LA PORCELANASe obtiene por cocción, hacia los 1400 ºC, de una mezcla de arcilla, caolín, cuarzo y de feldespato. Las arcillas dan una buena resistencia mecánica en seco, mientras que el cuarzo y el feldespato constituyen un elemento desengrasante.

CONSIDERACIONES Hasta 150 ºC, la rigidez dieléctrica es independiente de la

temperatura; por encima de los 150ºC, la porcelana pierde sus propiedades dieléctricas, tanto más cuanto más elevada es la temperatura. Al pasar de 300ºC, sufre transformaciones químicas que la convierten en un mal aislante.

La porcelana es impermeable al agua, inatacable por los ácidos y soporta perfectamente grandes cambios de temperatura. La resistencia a los cambios de temperatura, la resistencia eléctrica y la resistencia mecánica de la porcelana son función de sus elementos constitutivos.

CRITERIOS DE DISEÑO DE LOS AISLADORES DE SUSPENSIÓN

Con el esmaltado de la porcelana se eliminan las asperezas superficiales y se evita que se ensucie con rapidez. El esmaltado no mejora las propiedades eléctricas, porque se trata de un dieléctrico compuesto de materiales aislantes de diferente naturaleza. La porcelana posee cero porosidad.

Entre las porcelanas, la porcelana eléctrica utilizada para la fabricación de aisladores de media y alta tensión, es la de más alto grado. Dentro de las características principales se incluyen las siguientes: porosidad nula, alta resistencia mecánica, altas propiedades aislantes, químicamente inerte, un elevado punto de fusión y en consecuencia alta estabilidad.

CRITERIOS DE DISEÑO DE LOS AISLADORES DE SUSPENSIÓN

DISEÑO ELÉCTRICODesde el punto de vista eléctrico el diseño del aislador es relativamente simple. Los valores de flameo a baja frecuencia y de flameo al impulso son controlados por las dimensiones físicas del aislador. La distancia de arco y la distancia de fuga se convierten en las dimensiones claves. El voltaje de perforación en aceite y la perforación bajo impulso son función del espesor y la calidad de la porcelana.

DISEÑO MECÁNICO:Desde el punto de vista mecánico el diseño del aislador es mucho más complicado. El diseño de la cabeza de porcelana es la parte más importante en el diseño mecánico y se debe asegurar que no se presenten excesivas cargas localizadas o esfuerzos puntuales sobre la porcelana.

CRITERIOS DE DISEÑO DE LOS AISLADORES DE SUSPENSIÓN

CARACTERÍSTICAS DE LOS HERRAJES

Dadas las exigencias eléctricas, mecánicas, térmicas y de envejecimiento requeridas por los aisladores, los herrajes deben cumplir las siguientes características:

Uniformidad en el material de diseño. Alta resistencia mecánica. Intercambiabilidad. Diseño libre de aristas. Alta resistencia a la corrosión.

ENSAYOS DE RUTINA DE LOS AISLADORES DE SUSPENSIÓN

PRUEBA DE VOLTAJE SOSTENIDO EN SECO A BAJA FRECUENCIAEsta prueba consiste en aplicar de un voltaje inicial el cual fue incrementado rápidamente hasta aproximadamente el 75 por ciento de valor del voltaje sostenido en seco especificado (30 kV), a partir del cual se incremento con una rata de 2 kV/seg hasta el valor final. Se mantiene la tensión de prueba sobre el aislador durante 1 (un) minuto. Si al cabo de este tiempo no ha ocurrido una descarga disruptiva o perforación del material aislante, el elemento será considerado que ha aprobado la prueba.

PRUEBA DE VOLTAJE DE DESCARGA EN SECO A BAJA FRECUENCIASe comienza el ensayo con la aplicación de un voltaje inicial el cual es incrementado rápidamente hasta aproximadamente el 75 por ciento de valor promedio del voltaje de descarga en seco especificado (80 kV), a partir del cual se incrementa con una rata de 2 kV/ seg hasta que ocurra la descarga disruptiva del aislador. El valor del voltaje de descarga en seco del aislador será la media aritmética de al menos 3 descargas tomadas consecutivamente. El periodo entre las descargas consecutiva no deberá ser menor a 15 segundos y o más de 5 minutos. El valor de voltaje de descarga deberá ser corregido a las condiciones atmosféricas Standard.

ENSAYOS DE RUTINA DE LOS AISLADORES DE SUSPENSIÓN

PRUEBA DE VOLTAJE SOSTENIDO DE IMPULSO TIPO RAYO

Consiste en aplicar tres impulsos consecutivos de polaridad positiva de 119 kV pico y 1.2/50μseg, de acuerdo a las condiciones atmosféricas presentes durante la prueba. Si no ocurre la descarga disruptiva en ningún impulso, se considera que el aislador pasó la prueba.

AISLADORES DE SOPORTE

Los aisladores de soporte se caracterizan por su constitución rígida y porque trabajan con el conductor ejerciendo sobre ellos fuerzas de compresión o fuerzas cortantes.

Los principales tipos son: Aisladores de polea. Aisladores de palomilla. Aisladores de alfiler. Aisladores de soporte para líneas y subestaciones.

Es aquel aislador que es instalado en el interior de una instalación en donde no esta sujeto a una excesiva condensación.

Lluvia

Psión Atmosférica

AISLADORES DE SOPORTE

 

Temperatura

Uno de los fenómenos que más puede influir en la confiabilidad de las instalaciones eléctricas es la contaminación ambiental, la cual puede causar serios daños tanto a las partes metálicas como a las partes aislantes de la misma. El efecto fundamental de la contaminación sobre las partes metálicas es el de la corrosión, que puede provocar el debilitamiento mecánico de la instalación, y con ello llegar a provocar interrupciones severas en el servicio; en tanto que la acción de la contaminación sobre las partes aislantes es la de provocar fallas en las redes bajo condiciones normales de operación. 

EFECTOS DE LA CONTAMINANCIÓN AMBIENTAL

SOBRE EL AISLAMIENTO EXTERNO

Existen dos tipos principales de contaminación: la de origen marino y la de origen industrial, existiendo situaciones particulares en las que es posible considerar un tercer tipo, el cual se presenta cuando coinciden simultáneamente los dos tipos ya mencionados, como sucede en las zonas de gran desarrollo industrial aledañas al mar. Existe un caso muy particular de contaminación que se presenta en zonas desprovistas de vegetación por efecto del polvo que puede llegar a depositarse en los aisladores; esto es común en los campos en períodos de seca muy prolongados o en los trabajos de preparación de la tierra para la agricultura. CONTAMINACIÓN MARINA: Se puede ubicar no sólo en las inmediaciones de la costa, sino también, a considerables distancias de la misma cuando se trate de zonas costeras no montañosas, en las cuales los vientos marinos pueden tener una influencia apreciable.

PRINCIPALES TIPOS DE CONTAMINACIÓN

CONTAMINACIÓN INDUSTRIAL: Este fenómeno tiene su aparición con el desarrollo industrial, por lo que se encuentra limitado a las zonas industriales, siendo el mismo de muy diversas clases dependiendo del tipo de industria que la origina: química, petroquímica, metalúrgica, de cemento, etc., cada una de las cuales tiene sus características propias.

En algunos casos el contaminante es eliminado con facilidad por medio de un simple lavado y en otros, como en el caso del cemento, puede llegar a formar incrustaciones que solamente pueden ser eliminadas por medio de agentes químicos o por tratamientos mecánicos altamente abrasivos. 

PRINCIPALES TIPOS DE CONTAMINACIÓN

Las descargas que se establecen sobre la superficie de los aisladores contaminados tienen grandes variaciones dependiendo de la magnitud de la corriente, que puede tomar valores desde los pocos mili amperes hasta los cientos de ellos. Debido a dichas variaciones, que pueden ser bruscas, se produce el fenómeno de la radiointerferencia, así como el deterioro de la superficie de los aisladores y hasta la ocurrencia de la descarga total. RADIOINTERFERENCIA: Este fenómeno es producido por el efecto corona que acompaña a las descargas sobre la superficie de los aisladores contaminados cuando el ancho de la banda seca que se forma es tal que la ruptura dieléctrica del aire se hace imposible sin un proceso previo de ionización. 

EFECTOS DE LAS DESCARGAS ELECTRICAS SOBRE LOS AISLADORES BAJO

CONDICIONES DE CONTAMINACIÓN

DETERIORO DE LA SUPERFICIE DE LOS AISLADORES: Los aisladores de porcelana normalmente soportan el calor producido por las descargas, aunque pueden llegar a producirse fallas mecánicas.

La existencia del fenómeno de las descargas superficiales limitó durante mucho tiempo el uso de elementos aisladores de material sintético, ya que el calor generado por ellas producía descomposición química en su superficie, lo que con el tiempo llegaba a producir la falla del elemento aislante. DESCARGA TOTAL: Esta situación se presenta cuando las descargas superficiales crecen hasta un punto tal en que se produce un cortocircuito estable en el sistema, provocando una falla y su salida de operación.

 

Los métodos son de evaluación indirecta y directa. Los de evaluación indirecta se basan en la selección de muestras de contaminantes y los de evaluación directa se basan en el comportamiento de elementos aislantes situados directamente en las regiones de interés, los que pueden estar energizados o no. Conocidos los niveles de contaminación es necesario determinar las características de operación de los diferentes tipos de aisladores para evaluar su orden de mérito ante las diferentes condiciones y con ello seleccionar, para una disposición aislante dada, los mejores aisladores.

METODOS PARA LA EVALUACION DE LA SEVERIDAD DE LA

CONTAMINACIÓN AMBIENTAL

La Publicación 815 de la IEC evalúa la severidad de la contaminación en cuatro niveles: Ligera. Media. Fuerte. Muy fuerte.  Estos niveles dependen de la intensidad de la contaminación, definiéndose para cada uno de los niveles las siguientes áreas: LIGERA: Áreas sin industrias, con poca densidad de casas equipadas con plantas de calefacción. Áreas con baja densidad de industrias o casas pero sujetas a vientos frecuentes y/o lluvias frecuentes. Áreas agrícolas de poco desarrollo. Áreas montañosas. Todas estas áreas deben estar situadas como mínimo a 10 - 20 Km. del mar y no deben estar expuestas a vientos directos provenientes del mar. MEDIA: Áreas con industrias que no produzcan contaminación y con poca densidad de casas equipadas con equipos de calefacción. Áreas con alta densidad de casas o industrias pero sujetas a frecuentes vientos y lluvias. Áreas expuestas a vientos provenientes del mar pero no cerca de las costas.

FUERTE: Áreas con alta densidad de industrias y suburbios de grandes ciudades con alta densidad de casas y de plantas de calefacción. Áreas cerca del mar y en algunos casos expuestas a vientos relativamente fuertes provenientes del mar. MUY FUERTE: Áreas generalmente de moderada extensión sujetas a polvos conductores y a humo que pueden producir finos depósitos de contaminante conductor. Áreas de moderada extensión cerca de la costa expuestas a aerosoles marinos directos. Áreas de desierto caracterizadas por largos periodos sin lluvia y expuestos a vientos fuertes que arrastran arena y sal y sujetos regularmente a procesos de condensación.

Para las áreas antes descritas se definen las siguientes longitudes específicas efectivas de línea de fuga en kV/cm:

Nivel de Longitud específica efectiva

contaminación mínima en kV/cm

I - Ligero 1,6

II - Medio 2,0

III - Fuerte 2,5

IV - Muy fuerte 3,1

Para evitar este problema existen diferentes métodos de atacar el problema, pero todos ellos se basan en uno de los siguientes principios:

Minimización de la acumulación del contaminante. Reducción de los esfuerzos eléctricos sobre la superficie de los

aisladores. Prevención de la humectación de la capa de contaminante. Entre los métodos prácticos derivados de estos principios se destacan por su efectividad el lavado, la aplicación de grasas y el empleo recubrimientos elastoméricos.

METODOS PARA COMBATIR LA CONTAMINACIÓN AMBIENTAL

El lavado de los aisladores tiene como función eliminar, o disminuir a valores no peligrosos, la capa de contaminante que se ha adherido a los aisladores antes de que alcance valores que puedan poner en peligro la operación de la instalación. La frecuencia con que se efectúan los lavados se puede determinar en base a la historia de fallas de la instalación, por la medida de la densidad equivalente de sal depositada, por la intensidad de las descargas superficiales, etc.

Los métodos de lavado de los aisladores son:Lavado a mano, Limpieza por abrasión Lavado con agua a presión. EL LAVADO A MANO O MANUAL: consiste en la limpieza a mano de cada uno de los aisladores de la instalación de que se trate, por lo que es necesario desenergizar la instalación. Este método de limpieza es muy tedioso para los operadores, requiere de largos tiempos de trabajo y de una gran cantidad de trabajadores, lo que, unido a los largos tiempos de interrupción que su aplicación provoca, lo hacen costoso y poco deseable.

LAVADO DE AISLADORES

LA LIMPIEZA POR ABRASIÓN: consiste en un chorro a presión de algún material abrasivo, finamente triturado, que se proyecta contra la superficie contaminada a fin de remover capas de alta adhesividad, como las provocadas por el cemento, calcio, etc. Como materiales abrasivos se usa la mazorca de maíz, la cáscara de nuez o coco, piedra pómez, etc., los que son triturados en la forma adecuada. También puede usarse la arena previamente tamizada convenientemente.

EL LAVADO CON AGUA A PRESIÓN: ha demostrado ser el más práctico y el mismo puede efectuarse mediante equipos fijos o móviles. El sistema de lavado fijo se emplea principalmente en subestaciones con alto grado de contaminación y que requieren de una confiabilidad muy alta. Para que este sistema sea rentable es necesario que forme parte de la etapa de diseño de la subestación en cuestión. El lavado con equipos móviles es aplicable tanto a líneas como a subestaciones.

LAVADO DE AISLADORES

El método consiste en aplicar al aislador un chorro de agua a presión que sea capaz de arrastrar la capa de contaminante. Uno de los problemas principales del lavado bajo tensión es la creación de las condiciones que impidan la descarga por efecto del chorro de agua, que se electrocute el operador y que falle la línea.

Desde el punto de vista de la seguridad del operador los principales parámetros que influyen son: Tensión del sistema. Distancia entre la boquilla y el punto energizado. Presión del chorro de agua. Resistividad del agua. Diámetro y forma de la boquilla.

En el comportamiento del aislador bajo lavado influyen, además de los parámetros anteriores, los siguientes: Grado de contaminación. Forma del lavado. Velocidad del lavado.

LAVADO EN LINEAS ENERGIZADAS

Uno de los métodos más ampliamente usados en la lucha contra la contaminación es el del empleo de grasas hidrófobas. La acción de las grasas, tales como la silicona y los petrolatos, es la de proveer al aislador de un superficie repelente al agua, con lo cual se evita la formación de pasos continuos para la corriente de filtración, ya que el agua en esas condiciones se mantiene sobre el aislador en forma de pequeñas gotas aisladas, en tanto que las partículas de contaminante sólido son absorbidas y encapsuladas por la capa de grasa, con lo que siempre, hasta su saturación, es repelente al agua.

Su principal desventaja técnica es que se ve afectada por las descargas superficiales, producto de las cuales, en la superficie aparecen subproductos contaminantes Las grasas de silicona están compuestas por un vehículo llenador de silicio y un aceite de silicón que, aunque son encapsulados por ella, aceleran su saturación y con ello se acorta su vida útil. Las grasas de petróleo originalmente estaban hechas a partir de una gran variedad de derivados del petróleo, pero ahora se componen de aceites a base de hidrocarburos y por ceras blancas y cristalinas.

APLICACIÓN DE GRASAS

Comparativamente las siliconas son más costosas que los petrolatos y tienen una vida útil menor para un mismo grosor de la capa. Por otro lado la limpieza y reposición de la grasa es un proceso más fácil y sencillo en el caso de las siliconas, aunque ello depende mucho del tipo de contaminante.

Para la aplicación de la grasa existen tres métodos: manual, por inmersión y por rociado. INMERSIÓN: Se utiliza para aisladores pequeños. Es un método rápido y muy práctico pero su uso esta limitado a condiciones específicas. ROCIADO: En este método se utiliza un atomizador para aplicar la grasa sobre el aislador; para lo que se emplean disolventes especiales muy volátiles y presiones de aire relativamente altas (4 - 6 Kg/cm2 ). Es especialmente útil para aisladores de gran dimensión. MANUAL: Método lento, requiere de gran cantidad de mano de obra, pero es ampliamente usado pues con él se puede asegurar una capa uniforme y con ello una duración mayor de la grasa. Se puede efectuar el trabajo a mano directamente o con brocha.

APLICACIÓN DE GRASAS