Directorios Industriales
Industria Eléctrica Industria EléctricaEQUIPO Y COMPONENTES ELECTRICOSILUMINACIONSERVICIOSDISTRIBUIDORES
Monografías > Aisladores Buscar
AISLAMIENTO EN LINEAS DE TRANSMISION AEREAS


I. INTRODUCCIÓN.


Los sistemas de aislamiento en líneas de transmisión comprenden principalmente dos elementos: el aire y los elementos aisladores. Al ubicarse las líneas de transmisión al aire libre y cubrir, en muchos casos, cientos de kilómetros se hace necesario considerar diversos factores para un buen desempeño del aislamiento. Estos factores deben tomar en cuenta los espaciamientos mínimos línea-estructura, línea-tierra y entre fases, el grado de contaminación del entorno, la cantidad de elementos aisladores a considerar y la correcta selección de estos.

Los aisladores cumplen la función de sujetar mecánicamente el conductor manteniéndolo aislado de tierra y de otros conductores. Deben soportar la carga mecánica que el conductor transmite a la torre a través de ellos. Deben aislar eléctricamente el conductor de la torre, soportando la tensión en condiciones normales y anormales, y sobretensiones hasta las máximas previstas (que los estudios de coordinación del aislamiento definen con cierta probabilidad de ocurrencia).

La tensión debe ser soportada tanto por el material aislante propiamente dicho, como por su superficie y el aire que rodea al aislador. La falla eléctrica del aire se llama contorneo, y el aislador se proyecta para que esta falla sea mucho más probable que la perforación del aislante sólido.

Surge la importancia del diseño, de la geometría para que en particular no se presenten en el cuerpo del aislador campos intensos que inicien una crisis del sólido aislante.


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.

Estas modernas soluciones con ciertas formas y usos ponen en evidencia sus ventajas sobre porcelana y vidrio.


FORMA DE LOS AISLADORES

La forma de los aisladores está en parte bastante ligada al material, y se puede hacer la siguiente clasificación:

AISLADORES DE CAMPANA, (también llamados de disco) generalmente varios forman una cadena, se hacen de vidrio o porcelana con insertos metálicos que los articulan con un grado de libertad (horquilla) o dos (caperuza y badajo, cap and pin). Las normas fijan con detalle geometría, tamaños, resistencia electromecánica, ensayos.

AISLADORES DE BARRA, los hay de porcelana, permiten realizar cadenas de menor cantidad de elementos (más cortas), la porcelana trabaja a tracción y existen pocos fabricantes que ofrecen esta solución, especialmente si se requieren elevadas prestaciones, ya que no es una solución natural para este material, en cambio es la solución natural de los aisladores de suspensión compuestos.

Mientras que para la porcelana se limita la longitud de la barra y en consecuencia para tensiones elevadas se forma una cadena de algunos elementos, para el aislador compuesto siempre se realiza un único elemento capaz de soportar la tensión total.

AISLADORES RIGIDOS, en tensiones bajas y medias tienen forma de campana, montados sobre un perno (pin type) y se realizan de porcelana o vidrio. A medida que la tensión crece, tamaño y esfuerzos también, y se transforman en aisladores de columna aptos para soportar esfuerzos de compresión y de flexión (post type) y pueden asumir la función de cruceta en líneas de diseño compacto.

En estos casos pueden ser de porcelana y modernamente de materiales compuestos, cuando el esfuerzo vertical a que se somete la "viga" aislante es muy elevado se agrega un tensor del mismo material (inclinado 45 grados generalmente) dando origen a una forma de V horizontal.

Los aisladores se completan, como ya indicado, con insertos metálicos de formas estudiadas para la función, y que tienden a conferir movilidad (en las cadenas) o adecuada rigidez (en las columnas).

Al especificar los aisladores se resaltan dos tipos de características, que deben combinar por su función, las mecánicas, y las eléctricas.


CARACTERISTICAS MECANICAS

Los aisladores de cadena deben soportar solo cierta tracción 7000, 16000 o más kg. Deben soportar cierta compresión, y/o cierta flexión.

Al estar sometidos a las inclemencias del tiempo una característica muy importante es la resistencia al choque térmico (que simula el pasar del pleno sol a la lluvia).

También por los sitios donde se instalan, los aisladores son sometidos a actos vandálicos (tiros con armas, proyectiles pétreos o metálicos arrojados), es entonces importante cierta resistencia al impacto.

Frente a estas necesidades, el comportamiento de los tres tipos de materiales es totalmente distinto, el vidrio puede estallar, siendo una característica muy importante que la cadena no se corte por este motivo. La porcelana se rompe perdiendo algún trozo pero generalmente mantiene la integridad de su cuerpo, mecánicamente no pierde características, solo son afectadas sus características eléctricas. Con los aisladores compuestos por su menor tamaño es menos probable que la agresión acierte el blanco, los materiales flexibles no se rompen por los impactos y las características del aislador no son afectadas.


CARACTERISTICAS ELECTRICAS

Los aisladores deben soportar tensión de frecuencia industrial e impulso (de maniobra y/o atmosféricos), tanto en seco como bajo lluvia. Influyen en la tensión resistida la forma de los electrodos extremos del aislador.

Una característica importante es la radio-interferencia, ligada a la forma del aislador, a su terminación superficial, y a los electrodos (morsetería).

En las cadenas de aisladores, especialmente cuando el número de elementos es elevado la repartición de la tensión debe ser controlada con electrodos adecuados, o al menos cuidadosamente estudiada a fin de verificar que en el extremo crítico las necesidades que se presentan sean correctamente soportadas.

La geometría del perfil de los aisladores tiene mucha importancia en su buen comportamiento en condiciones normales, bajo lluvia, y en condiciones de contaminación salina que se presentan en las aplicaciones reales cerca del mar o desiertos, o contaminación de polvos cerca de zonas industriales. La contaminación puede ser lavada por la lluvia, pero en ciertos lugares no llueve suficiente para que se produzca este efecto beneficioso, o la contaminación es muy elevada, no hay duda de que la terminación superficial del aislante es muy importante para que la adherencia del contaminante sea menor, y reducir el efecto (aumentar la duración).

Una característica interesante de los materiales compuestos siliconados es un cierto rechazo a la adherencia de los contaminantes, y/o al agua.

La resistencia a la contaminación exige aumentar la línea de fuga superficial del aislador, esta se mide en mm/kv (fase tierra), y se recomiendan valores que pasan de 20, 30 a 60, 70 mm/kv según la clasificación de la posible contaminación ambiente.

En este artículo se hace una revisión de las características dieléctricas del aire, tipos de aisladores y los ensayos a los que deben someterse estos.


II. EL AIRE EN EL AISLAMIENTO DE LÍNEAS.


El aire es sin lugar a dudas el más usado de los aislantes para líneas de transmisión de energía. Los factores que pueden influir a la rigidez dieléctrica del aire son:

• Densidad del aire.
• Altura sobre el nivel del mar.
• Humedad y presencia de partículas contaminantes.

Este último factor adquiere gran importancia en el diseño y manutención de los elementos aisladores.


III. AISLADORES DE LÍNEA.


En las líneas de transmisión se distinguen básicamente tres tipos de aisladores:

• Suspensión.
• Barra larga.
• Poste

Los aisladores de suspensión o disco, son los más empleados en las líneas de transmisión, se fabrican de vidrio o porcelana uniéndose varios elementos para conformar cadenas de aisladores de acuerdo al nivel de tensión de la línea y el grado de contaminación del entorno.

 


AISLADOR DE SUSPENSION DE PORCELANA 10" 25,000 LBS


En esta figura se aprecian los principales tipos de aisladores de suspensión:
       


 Los aisladores de barra larga comenzaron a desarrollarse hace 30  años. Constituyen elementos de una sola pieza y se fabrican de porcelana o de materiales sintéticos (composite insulators). Estos aisladores requieren menos manutención que los del tipo disco, no obstante su costo es más elevado. En esta figura se     aprecia un aislador de barra larga sintético.



Los aisladores de tipo poste se fabrican con porcelana o materiales sintéticos. Se utilizan poco en líneas de transmisión y para tensiones por sobre 230 kV. Su principal aplicación está en aparatos de subestaciones. En la figura 3 se tiene un aislador de tipo poste.




Desde el punto de vista de condiciones ambientales los aisladores se fabrican de dos tipos:

• Normales.
• Para ambiente contaminante (tipo niebla).


Por su construcción los aisladores pueden ser:

• Tipo alfiler.
• Tipo suspensión.



AISLADOR TIPO POSTE 230 KV PARA POSTE DE MADERA

Los aisladores de porcelana vidriada por lo general contienen un 50% de caolín, 25% de feldespatos y 25% de cuarzo, la porcelana debe ser moldeada por los procedimientos en húmedo. Debe ser homogénea, compacta sin porosidad y toda la superficie después de armado debe ser verificada.





IV. DETERIORO

Las propiedades eléctricas y el comportamiento de los aisladores no cerámicos dependen principalmente de sus propiedades superficiales (como la hidrofobicidad) y de los cambios de estas propiedades debidos a la exposición a la intemperie (envejecimiento).

Asimismo, dicho comportamiento depende también de un diseño adecuado al reducir el número de interfaces donde se pueden presentar arqueos y donde puede ocurrir una degradación acelerada del material.

El proceso de selección de un aislador no cerámico para una aplicación particular debe incluir un análisis de los materiales disponibles, de la experiencia operativa, del dimensionamiento de su longitud y distancia de fuga, de los resultados de pruebas de envejecimiento acelerado y de las condiciones bajo las cuales va a operar.



Los aisladores no cerámicos están sujetos a diferentes condiciones ambientales y de contaminación, por lo que el material de los faldones y de la cubierta debe ser capaz de soportar los efectos de las descargas superficiales (erosión o tracking) y diversos mecanismos de falla que pueden presentarse en campo.

Mecanismos de degradación asociados con la exposición a la intemperie.

Los aisladores no cerámicos pueden envejecerse y presentar cambios debido a los múltiples esfuerzos encontrados en servicio, ya que tienen uniones más débiles que los materiales cerámicos.

El envejecimiento y la vida esperada de los aisladores no cerámicos dependen de varios factores, muchos de los cuales están asociados con la exposición a la intemperie, mientras que otros están relacionados con las condiciones de operación. Aunque el exponerse a los elementos naturales ha demostrado que envejece los materiales, existe una gran experiencia que sugiere que la vida del aislador está más relacionada con diseños de pobre desempeño y un mal control de calidad durante el proceso de fabricación.

El envejecimiento se refiere al proceso que causa la falla del aislador para poder cumplir con su función. Dependiendo de los materiales utilizados en los aisladores, de su diseño y de las condiciones ambientales, se pueden generar diferentes mecanismos de degradación que pueden provocar la falla del aislador. Algunos de estos mecanismos son:

  • Diversas formas de falla mecánica de la barra de fibra de vidrio.
  • Formación de caminos conductores sobre la superficie del material aislante.
  • Aparición de partículas del relleno en la superficie aislante.
  • Cambios en el color base del material aislante.
  • Rompimiento del material no cerámico como resultado de la exposición a altos niveles de energía UV asociada con la presencia de corona.
  • Corrosión de las partes metálicas debido a la reacción química con el ambiente.
  • Microfracturas superficiales con profundidades entre 0.01 y 0.1 mm.
  • Rompimiento del material adhesivo usado para unir químicamente dos materiales del aislador.
  • Pérdida significante del material aislante, irreversible y no conductora (erosión).
  • Exposición de la barra de fibra de vidrio al ambiente.
  • Fracturas superficiales con profundidad mayor a 0.1 mm.
  • Fuga de grasa de las interfaces faldón-cubierta o faldón-núcleo hacia la superficie.
  • Penetración de agua en forma líquida o vapor, causando el ablandamiento de cubierta o faldones (hidrólisis).
  • Pérdida de hidrofobicidad.
  • Pérdida de adhesión del sello de los herrajes.
  • Daños por arco de potencia.
  • Daños por perforación.
  • Separación o apertura del material aislante.
  • Daños por vandalismo


V. PRUEBAS

Pueden clasificarse de la siguiente manera:

• Pruebas eléctricas de fabricación
• Pruebas de aisladores simulando condiciones ambientales y de polución
• Pruebas de campo.
• Pruebas mecánicas.
• Pruebas eléctricas de fabricación

Estos ensayos incluyen las pruebas para determinar las tensiones disruptivas en aisladores a frecuencia industrial y ante impulso. Estas pruebas se describen con detalle en la norma ANSIC 29.1-1982.

Otro ensayo realizado en el proceso de fabricación de aisladores es la detección de descargas parciales, sean estas descargas externas e internas. Para la primera se emplea el método de detección visual de corona y para las descargas internas se aplica la técnica de la radio interferencia.

b) Pruebas de aisladores simulando condiciones ambientales y de polución.

Estos ensayos se llevan a cabo en cámaras especiales y simulan las distintas condiciones a las que se vería sometido un aislador a la intemperie. Los ensayos más empleados son:

• Prueba de la lluvia artificial.
• Método de la neblina normal.
• Método de la neblina salada.

Últimamente han surgido nuevos ensayos desarrollados por la STRI (Swedish Transmission Research Institute) y que pretenden simular de manera más fidedigna las condiciones de polución a las que se someterían el aislador en la realidad. Entre estos métodos destacan:

Método de la capa de sal seca.
Método del ciclo de polvo.

El primer método constituye un ensayo que permite simular, de manera más real que la técnica de la neblina salada, el aire marino propio de las zonas costeras. Por su parte, el método del ciclo de polvo fue desarrollado con el fin de habilitar una técnica que simule distintas condiciones ambientales de contaminación para aisladores cerámicos y sintéticos por medio de un solo método.

c) Pruebas de campo.

Estos ensayos se realizan en el mismo lugar donde se ubica el aislador o cadena de aisladores a probar, por lo general se llevan a cabo en línea viva, vale decir sin necesidad de des-energizar la línea de transmisión a la cual pertenecen estos elementos. Los ensayos de campo de aisladores incluyen a los siguientes:

• Monitoreo de la corriente de fuga a través de la superficie del aislador.
• Detección de fallas mediante métodos acústicos.
• Detección de fallas mediante medición y registro de campo eléctrico.

El objetivo principal de estas pruebas es detectar aisladores defectuosos o dañados en servicio y prevenir eventuales fallas en estos mediante un control periódico.

d) Pruebas mecánicas.

Las pruebas mecánicas a las que se someten los aisladores tienen el objetivo de determinar si el elemento tendrá la suficiente resistencia mecánica en el sostenimiento del peso de la línea de transmisión, viento, lluvia, nieve y acciones vandálicas.


VI. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO EN LAS LÍNEAS DE TRASMISIÓN

El procedimiento de coordinación de aislamiento de una línea debe efectuarse considerando los voltajes que pueden aparecer como son los transitorios en el sistema eléctrico al que está conectada.
El concepto coordinación de aislamiento, es el balance entre los esfuerzos eléctricos sobre el aislamiento, que son el sobre-voltaje por descargas o maniobras así como otras sobretensiones temporales como inducciones o contactos accidentales con otras líneas y el propio voltaje que soporta el aislamiento por su diseño. Para los propósitos de coordinación de aislamiento la especificación CFEL0000-06, clasifica las líneas de sub-transmisión por sus voltajes máximos de diseño en la categoría B y de acuerdo a la experiencia propia de C.F.E., se define que las sobretensiones que más afectan a éstos voltajes son las de origen por descargas atmosféricas, despreciando los de maniobras.
Derivado de su trazo, las líneas de sub-transmisión pueden cruzar zonas con topografía difícil o accidentada y regiones con altos índices de densidad de rayos a tierra, éstas son las líneas que por lo general presentan más fallas por descargas atmosféricas.
Para reducir el número de salidas por esta causa, deben ser observados ciertos parámetros y muy particularmente se tienen que controlar los siguientes:

• La longitud de la cadena de aisladores
• El ángulo de blindaje, verificando el diseño de las estructuras.
• El sistema de conexión a tierra

Para entender la coordinación de aislamiento, es necesario establecer el concepto de Tensión Crítica de Flameo (TCF), el cual se obtiene de la curva de probabilidades de flameo, la TCF se determina conpruebas de aplicación de voltajes y corresponde a aquel voltaje con el cual el aislamiento soporta con un50 % de probabilidad, el producir rompimiento de su dieléctrico. A partir de este concepto se define el Nivel Básico de Aislamiento al Impulso por Rayo (NBAI), como el voltaje en que se espera un 10% deprobabilidad de flameo, considerando una desviación estándar del 3%, con lo que resulta la expresión:

NBAI = 0,961TCF

1. DETERMINACIÓN DEL AISLAMIENTO.

La longitud de una cadena de aisladores se debe diseñar para soportar los voltajes a los que es sometida, para ello es necesario observar dos conceptos: Distancia de Fuga de los aisladores en función de los niveles y tipo de contaminación, y la Longitud de la Cadena de Aisladores que está dada por el voltaje de arqueo en aire entre conductores y estructura.


LONGITUD DE LA CADENA DE AISLADORES

Esta longitud se calcula con base al voltaje de arqueo en aire entre el conductor y la estructura, el cual depende de la geometría de las puntas en donde se presente dicho arqueo, de forma empírica se ha obtenido el voltaje de arqueo en aire de algunos cuerpos geométricos utilizados como electrodos de referencia.

Con este criterio, de la tensión crítica de flameo para impulsos por rayo, se tiene:

d = TCF/Kco

Donde:

TCF Es la tensión crítica de flameo a las condiciones del lugar donde se localiza la línea.

Kco Es el factor de electrodo en aire kr corregido por la densidad de aire y humedad.

El factor Kr es un voltaje de arqueo entre conductores y estructura que depende de la geometría de los electrodos o elementos que intervienen y su distancia en aire tomada de la especificación CFE-L0000-06, Tabla 1. En ella, se proporciona el voltaje máximo de diseño, así como el NBAI para las líneas de sub-transmisión dependiendo de su voltaje de operación, los cuales presentamos en la Tabla 2.
Debido a las diferentes altitudes en las que operan las líneas de sub-transmisión se hace necesaria la corrección del Kr proporcionado en la tabla de la especificación, ya que éste es calculado a partir de los siguientes valores:

Temperatura (T0): 20 °C

Presión (b0): 1013 mbar (760 mm de Hg)

Humedad Absoluta (h0): 11 gramos de agua por metro cúbico.












Las características eléctricas del soporte, calculadas a condiciones normalizadas se deterioran con la presión atmosférica y ésta disminuye con el aumento de la altitud y la temperatura, al aumentar la humedad las tensiones de soporte aumentan hasta antes de que se condense la humedad en la superficie del conductor, por lo tanto, deben considerarse los siguientes factores de corrección:

Factor de corrección por densidad de aire (Kda):

Kda = (b/b0) *((273+T0)/ (273+T))

Donde:

T = Temperatura ambiente en grados centígrados
B = Presión barométrica en mbar
T0 = Temperatura ambiente de condiciones estándar (20 °C)
b0 = Presión barométrica en condiciones estándar (1013 mbar)

Con el valor de la altitud y/o presión atmosférica, se puede obtener el valor del factor de corrección Kda de la Tabla 3.

El factor de corrección por humedad (Kh), es un factor que depende de la humedad absoluta del sitio en gr/m3 que se obtiene de la Figura 1.
Conocidos la temperatura del bulbo húmedo del lugar y la humedad relativa del aire más criticas de las regiones por donde cruza la línea y teniendo el valor de humedad absoluta, por medio de la Figura 2 obtenemos el valor de Kh, considerando los factores de corrección por humedad y por densidad de aire se puede obtener con la relación:

Kco = Kr (Kda/Kh)



1.- DISTANCIA DE FUGA.

La distancia de fuga de un aislador se define como la distancia más corta, o la suma de distancias más cortas a lo largo del contorno de la superficie externa del material aislante, la relación entre esta distancia y el voltaje máximo de fase a fase o de fase a tierra determina las distancias específicas de fuga entre fases o fase a tierra, respectivamente. El cálculo del número de aisladores partiendo de la distancia de fuga para un voltaje máximo, está dada por la fórmula:

Dftc = DfmnVmk

Donde:

Dftc = Distancia de fuga total de la cadena de aisladores en mm
Dfmn = Distancia de fuga mínima nominal en mm/kV tomada de la especificación CFE-L0000-06.
Vm = Voltaje máximo del sistema en KV proporcionado en la especificación CFE-L0000-06

k = Factor de corrección por diámetro de los aisladores y que puede ser:
k= 1,0 para aisladores de suspensión o tipo cadena y para aisladores tipo poste con diámetro menor a 300 mm
k = 1,10 para aisladores tipo poste con diámetro mayor que 300 mm y menor o igual que 500 mm
k = 1,20 para aisladores tipo poste pero con diámetro mayor que 500 mm
Para el cálculo de estas distancias se toma un factor de 1.05 veces la distancia de fase a tierra, por los herrajes que llevan las cadenas y en su caso los aisladores tipo poste.
El número de los aisladores (NA) esta determinado por la siguiente expresión:

                                                           (1,05*(DISTANCIA DE FUGA TOTAL))
                        NA =                _________________________________________________

(DISTANCIA DE FUGA DEL AISLADOR SELECCIONADO)


















EJEMPLO: La Línea de Sub-transmisión 73690 Tepazolco-Tlacotepec opera a una altitud de 2000 m.s.n.m. con una humedad relativa y temperatura promedios de 70 % y 100c respectivamente durante las noches. Sabemos que el NBAI, para condiciones normalizadas de una L ST que opera a 115 KV es de 550 KV. Calcular el número de aisladores que deben llevar las cadenas de sus estructuras considerando un nivel de contaminación ligera.

 

De la Tabla 3 obtenemos Kda = 0.784

De la Figura 2 obtenemos 7 gr/m3, y con este valor en la Figura 1 nos da una Kh = 1.03

En base a la distancia en aire por sobretensiones de impulso:

El NBAI para un voltaje de 115 kV es de 550 KV, obtenido de la Tabla 2, por lo tanto:

TCF = NBAI/0.961 = 550/0.961 = 572.3 KV

Se obtiene Kr = 550 de la Tabla 1 para fase a estructura, entonces:

Kco = Kr (Kda/Kh) = 550(0.784/1.03) = 418.6

d = TCF/Kco

d = 572.3/418.6 = 1.367 m

Si usamos los aisladores 27SVC111 que tienen un paso de 146 mm tenemos:

NA = 1.367/0.146 = 9.4 ≈ 9 aisladores

 

En base a los niveles de contaminación:

Para 115 KV tenemos un voltaje máximo de 123 kV, obtenido de la Tabla 2 y la distancia especifica de fuga para contaminación tipo ligero es 28 mm/kV, por lo tanto:

Dfct = 28(123/1.732)1.0*1.05 = 2087.8 mm

NA = 2087.8/279 = 7.48 ≈ 8 aisladores



Fuentes:
LÍNEAS DE TRASMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.
MC. Obed Renato Jiménez Meza, MC. Vicente Cantú Gutiérrez, Dr. Arturo Conde Enríquez. Departamento de Iluminación y Alta Tensión. U.A.N.L.

Monografía Tipos de Aisladores. www.rincondelvago.com

 

 
Preparada en 0.198 s Diseño y Hospedaje por webmaster.com.mx