ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD ZACATENCO
“INFLUENCIA DE LA HUMEDAD Y CONTAMINACIÓN
SOBRE AISLADORES EPDM-SILICONADOS”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTAN:
HERNÁNDEZ MORALES SINAÍ MARTÍNEZ SÁNCHEZ ALFONSO
ASESORES:
CONTENIDO.
Agradecimientos. 7
Glosario 9
Lista de símbolos 11
Resumen 12
Objetivo general 13
Objetivos particulares 14
Índice de figuras 15
Índice de tablas 26
CAPITULO 1 MARCO CONCEPTUAL 28
1.1. INTRODUCCIÓN 29
1.2. PRINCIPALES MATERIALES SÓLIDOS AISLAMIENTES 32
1.3 COMPORTAMIENTO DE LOS AISLANTES SÓLIDOS 35
1.4 AISLANTES ELÉCTRICOS 38
1.5 BREVE HISTORIA DEL DESARROLLO DE LOS AISLADORES
POLIMÉRICOS 40
1.6 AISLANTES POLIMÉRICOS 45
1.8 CLASIFICACIÓN DE POLÍMEROS 48
1.9 CARACTERÍSTICAS DE LOS AISLADORES POLIMÉRICOS 52
1.10 CLASIFICACIÓN DE LOS AISLADORES POLIMÉRICOS 53
1.10.1 AISLADORES DE CAMPANA (TAMBIÉN LLAMADOS DE DISCO) 54
1.10.2 AISLADORES DE BARRA 54
1.10.3 AISLADORES RÍGIDOS 54
1.10.4 CADENAS DE AISLADORES DE RETENCIÓN 55
1.11 FÍSICA DE LA DESCARGA. 56
1.12 MECANISMO DE FLAMEO EN AISLADORES. 57
1.13 HIDROFOBICIDAD SUPERFICIAL 59
1.14 EFECTO CORONA 61
1.15 REVISIÓN DE LA NORMATIVIDAD INTERNACIONAL 64
1.15.1 RELEVANCIA DE LA NORMA IEC-815 66
1.16 MÉTODO DE NIEBLA LIMPIA 67
CAPÍTULO 2 ACONDICIONAMIENTO
DE
LOS
AISLADORES
PARA
EL
EFECTO
DE
LA
HUMEDAD
RELATIVA
SOBRE
LAS
TENSIONES
DE
FLAMEO
Y
CORRIENTES
DE
FUGA.
73
2.1 INTRODUCCIÓN 74
2.2 DISEÑO DE PRUEBAS 76
2.2.1 ARREGLO EXPERIMENTAL 76
2.2.1.1 MATERIAL Y EQUIPO UTILIZADO 77
2.3 EJECUCIÓN DE PRUEBAS DE LABORATORIO 85
2.3.1 ACONDICIONAMIENTO DE LOS AISLADORES 85
2.4 MEDICIÓN DE LAS TENSIONES DE FLAMEO 88
2.5 MEDICIÓN DE LAS CORRIENTES DE FUGA 89
2.6 MEDICIÓN DE LAS CONDICIONES AMBIENTALES 91
2.7 EFECTO DE LA HUMEDAD RELATIVA SOBRE TENSIONES DE FLAMEO Y CORRIENTES DE FUGA. 92
2.8MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO (SEM) 94
CAPITULO 3 ANÁLISIS DE RESULTADOS EN LAS PRUEBAS 103
3.1 INTRODUCCIÓN 104
3.2 RESULTADOS DE CORRIENTES DE FUGA 107
3.2.1 RESULTADOS DE CORRIENTES DE FUGA A HUMEDAD
RELATIVA PROMEDIO DEL 50 A 60%. 108
3.2.2 RESULTADOS DE CORRIENTES DE FUGA EN COMPARACIÓN
DE VALORES A SUS DISTINTOS NIVELES DE CONTAMINACIÓN EN
HUMEDAD RELATIVA PROMEDIO DEL 50 A 60%. 125
3.2.3 RESULTADOS DE CORRIENTES DE FUGA A HUMEDAD
RELATIVA PROMEDIO DEL 70 A 80% 128
3.2.4 RESULTADOS DE CORRIENTES DE FUGA EN COMPARACIÓN
DE VALORES A SUS DISTINTOS NIVELES DE CONTAMINACIÓN EN
HUMEDAD RELATIVA PROMEDIO DEL 70 AL 80%. 141
3.3 RESULTADOS DE TENSIONES DE FLAMEO 143
3.3.1 PRUEBAS DE TENSIÓN ALTERNA DE FLAMEO A AISLADORES
DE EPDM-SILICONADOS. 143
3.3.2 INTERPRETACIÓN DE TABLAS SOBRE LA TENSIÓN ALTERNA
DE RUPTURA. 149
3.4 CONCLUSIONES 153
Referencias 156
Apendices. 162
Apéndice A 163
Apéndice B 164
AGRADECIMIENTOS.
Antes que cualquier ente vivo, le agradezco a Dios, que me ha dado las fuerzas,
el tiempo y una excelente vida para terminar una meta más.
A mis padres que con su apoyo he superado mi sueño y comenzado un nuevo
camino, a ellos que me han brindado incondicionalmente su ayuda y sus consejos
y a quienes quiero con todo mi corazón.
A mi hermana que me ha dado mil y un consejos, que me han enseñado a no
dejarme de nadie, y que respeto y admiro.
A mi hermano, que siempre ha sido él ejemplo a seguir, una de las mejores
personas que he encontrado en este mundo, y uno de los pilares más fuertes de
mi vida.
A mi cosita hermosa, que me ha apoyado y brindado sus mejores momentos, que
me tiene confianza y que siempre está ahí cuando la necesito aunque no lo diga,
sabe que la quiero.
A aquellas amigas, que me han dado su cariño y que siempre contaran conmigo,
que espero nunca defraudar y que tienen su lugar especial en mí ser.
A mis carnales, que aunque no son de sangre, he tenido grandes momentos a su
lado y que gracias a ellos he aprendido mucho, espero nunca perder su amistad.
Y principalmente y sin menor importancia a el Dr. Primo Alberto Calva Chavaría
que sin su ayuda y regaños no existiera esta oportunidad tan grande que tenemos.
Gracias a todos, este es un momento muy significativo en mi vida, es todo suyo
también!!
Primero agradezco a Dios me allá permitido terminar mis estudios
satisfactoriamente y por la fe que me dio al permitirme lograr la terminación de
este trabajo hecho con la mayor responsabilidad.
A mi papa Jose M. Martínez quienes me dieron su gran apoyo moral y económico
para realizar este logro el cual realice con mucho interés y gusto.
A mi mamita linda Martha quien es la persona que adoro en mi vida y me motiva
día a día a ser quien soy ahora.
A mis hermanos que son las personas que me acompañan todos los días y en
especial a mi sobrino PablitoFerreira a quiero demasiado.
Agradezco al Dr. Primo Alberto Calva, quien nos dio el apoyo y asesoramiento
de realización de este trabajo.
A mis compañeros y amigos los cuales me apoyaron de gran forma en la
formación de este trabajo.
GLOSARIO
Camino eléctrico (Tracking). Formación de caminos conductores sobre la
superficie de un material aislante.
Punción (Punture). Ruptura eléctrica en un aislamiento sólido en forma de
perforación
Erosión. Es un proceso de degradación caracterizado por el desprendimiento del
material aislante
Hidrofobicidad superficial. Propiedad que inhibe la formación de una película
continúa de agua sobre una superficie aislante
Corriente de fuga. Corriente que circula sobre la superficie de un aislador cuando
se encuentra energizado
Descarga superficial. Descarga disruptiva a través del aire o sobre la superficie
de un aislante sólido, entre partes de diferente potencial o polaridad, generada por
una tensión eléctrica
Tensión de flameo. Tensión eléctrica necesaria para producir una ruptura lo
suficientemente ionizada para mantener un arco eléctrico
Tiempo de secado. Intervalo de tiempo entre la aplicación de la mezcla
contaminante y el inicio de la prueba
Humedad relativa: Es el cociente en la humedad absoluta y la cantidad máxima
de agua que admite el aire por unidad de volumen.
Humedad absoluta: Es la cantidad de vapor de agua por unidad de volumen de
Resiliencia .En ingeniería, resiliencia es la cantidad de energía que puede
LISTA DE SÍMBOLOS
kV Kilovolt
mA Miliampere
μA Microampere
mV Milivolt
m Metro
ºC Grado centígrado
μs Microsegundo
S Siemen
δ Densidad relativa del aire
h Humedad relativa
H Humedad absoluta
CA Corriente alterna
CD Corriente directa
DESD Densidad Equivalente de Sal Depositada
DDNS Densidad Depositada No Soluble
msnm Metros sobre el nivel del mar
U50 Tensión con una probabilidad de ruptura del 50%
LMW Peso molecular bajo.
RAD Densidad relatiba del aire.
NaCl Cloruro de sodio
ap Acido pirofosfórico
bar bars de presion
Resumen
En esta tesis se presentan y analizan resultados experimentales sobre el
comportamiento que tienen aisladores poliméricos EPDM siliconados de clase
15kV del tipo suspensión, se aplicó el método de niebla limpia como lo indica la
norma IEC 507 desarrollado para aisladores cerámicos y de vidrio, que
usualmente se está extrapolando a los aisladores poliméricos, sin embargo hay
algunas diferencias entre las que se encuentra la manera de aplicar la mezcla
contaminante sobre la superficie del aislador, esto debido a la naturaleza
hidrofóbica con la que cuentan los aisladores poliméricos. Se midieron las
tensiones de flameo y corrientes de fuga de los aisladores bajo condiciones de
contaminación.
Se realizo el análisis en los aisladores con ayuda de la microscopia electrónica de
barrido en sus distintos resultados obtenidos.
En el análisis de la tensión de flameo se encontró que éstas se reducen
significativamente cuando los aisladores presentaban mayor envejecimiento en su
superficie. Todas las pruebas se realizaron en el laboratorio de alta tensión de la
escuela superior de ingeniería mecánica y eléctrica (ESIME) del instituto
OBJETIVO GENERAL:
Analizar experimentalmente los efectos que provocan la humedad relativa y la
contaminación atmosférica, sobre las corrientes de fuga y las tensiones de flameo
OBJETIVOS PARTICULARES.
1.-Verificar las variables del método de niebla limpia (IEC-507) aplicado a
polímeros.
2.-Incorporar nuevas herramientas de diagnostico, como la microscopia a efecto
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1.1. Aislador cerámico 39
Figura 1.2 Aislador hidrofobico he aunto limpiable 45
Figura 1.3. Aislador de tipo gel 47
Figura 1.4 Aisladores poliméricos 52
Figura 1.5 Aisladores de suspensión 53
Figura 1.6. Aislador de barra 54
Figura 1.7. Configuraciones las cadenas de aisladores de retención 55
Figura 1.8 Conductividad superficial 56
Figura 1.9 Mecanismo de flameo en un aislador contaminado 57
Figura 1.10. Hidrofobicidad superficial 60
Figura 1.11. Perdidas hidrofobicas en aisladores 61
Figura 1.12. Efecto corona 62
Figura 2.1a Arreglo experimental 76
Figura 2.1b Arreglo experimental 76
Figura 2.3. Fuente de corriente alterna 78
Figura. 2.4 Divisor de tensión. 78
Figura. 2.5 Consola de control de la fuente de CA 79
Figura 2.6. Resistencia de agua de 150 Mega ohms. 79
Figura 2.7. Caja porta sistema de Protección. 80
Figura 2.8. Aislador sometido con varilla de cobre y base metálica 80
Figura 2.9. Psicrómetro. 81
Figura 2.10. Pasa muros 82
Figura 2.11. Humificador 83
Figura. 2.12. Osciloscopio tektronix 2440 84
Figura 2.13. Volmetro 84
Figura 2.14 Formas de radiación resultantes 95
Figura 2.15 Haz de electrones 96
Figura 2.16. Apariencia tridimensional 98
Figura 2.17. Composición química por diferencias de contraste . 98
Figura 2.18b Fotografía del aislador patrón tomada por el microscopio
de barrido con una escala dada a 10 micro metros 99
Figura 2.19a Fotografía del aislado con nivel de contaminación 2 tomada por el
microscopio de barrido con una escala de 5 micro metros 100
Figura 2.19b Fotografía del aislado con nivel de contaminación 3 tomada por el
microscopio de barrido con una escala de 10 micro metros 100
Figura 2.20a Fotografía del aislado con nivel de contaminación 3 tomada por el
microscopio de barrido con una escala de 5 micro metros 101
Figura 2.20b fotografía del aislado con nivel de contaminación 3 tomada por el
microscopio de barrido con una escala de 10 micro metros. 101
Figura 3.1 Circuito para la medicion de corriente de fuga 108
Figura 3.2a Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga con la mínima tensión 1.5 [kV] 109
Figura 3.2b Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 5 [kV] 109
Figura 3.2c Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
Figura 3.2d Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 20 [kV] 109
Figura 3.2e Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 30 [kV] 109
Figura 3.2fOscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 40 [kV] 109
Figura 3.2g Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a .50 [kV] 110
Figura 3.3. Grafica de resultados de la tabla 3.1 donde se
encuentran las manifestaciones de la corriente de fuga vs tensión
aplicada al aislador con un nivel de contaminación 1 111
Figura 3.4a Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 50 [kV] 112
Figura 3.4b Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 40 [kV] 112
Figura 3.4c Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 10 [kV] 112
Figura 3.4d Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
Figura 3.4e Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 20 [kV] 113
Figura 3.4f Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 5 [kV] 113
Figura 3.4g Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga con la mínima tensión 1.5 [kV] 113
Figura 3.5 Grafica de resultados de tabla 3.2 donde se encuentran las
manifestaciones de la corriente de fuga vs tensión aplicada al aislador
con un nivel de contaminación 2. 114
Figura 3.6a Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga con la mínima tensión 1.5 [kV] 115
Figura 3.6b Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 5 [kV] 115
Figura 3.6c Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 10 [kV] 116
Figura 3.6d Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 20 [kV] 116
Figura 3.6e Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 30 [kV] 116
Figura 3.6f Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
Figura3.6g Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 50 [kV] 116
Figura 3.7 Grafica de resultados de tabla 3.3 donde se encuentran las
manifestaciones de la corriente de fuga vs tensión aplicada al aislador
con un nivel de contaminación 3 117
.Figura 3.8a Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga con la mínima tensión 1.5 [kV] 119
Figura 3.8b Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 5 [kV] 119
Figura 3.8c Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 10 [kV] 119
Figura 3.8d Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 20 [kV] 119
Figura 3.8e Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 40[kV] 119
Figura 3.8f Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 30 [kV] 119
Figura 3.8g Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 50 [kV] 120
Figura 3.9. Grafica de resultados de tabla 3.4 donde se encuentran las
con un nivel de contaminación 4 121
Figura 3.10a Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 30[kV] 122
Figura 3.10b Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 20 [kV] 122
Figura 3.10c Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 10 [kV] 123
Figura 3.10d Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 5 [kV] 123
Figura 3.10e Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 50 [kV] 123
Figura 3.10f Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga con la mínima tensión 1.5 [kV] 123
Figura 3.10g Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 40 [kV] 123
Figura 3.11 Grafica de resultados de tabla 3.5 donde se encuentran las
manifestaciones de la corriente de fuga vs tensión aplicada al aislador
con un nivel de contaminación 1. 124
diferentes niveles de contaminación expuestos a la tensión
aplicada vs corriente de fuga de un 50 a 60% de humedad. 127
Figura 3.13a Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 50 [kV] 129
Figura 3.13b Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 40 [kV] 129
Figura 3.13c Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 30 [kV] 129
Figura 3.13d Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 20 [kV] 129
Figura 3.13e Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 10 [kV] 130
Figura 3.13f Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 5 [kV] 130
Figura 3.13g Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga a su minima tensión 1.5 [kV] 130
Figura 3.14 Grafica de resultados de tabla 3.7 donde se encuentran las
manifestaciones de la corriente de fuga vs tensión aplicada al aislador
Figura 3.15a Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 50 [kV] 132
Figura 3.15b Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 40 [kV] 132
Figura3.54c Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 30 [kV] 132
Figura 3.15d Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 20 [kV] 132
Figura 3.15e Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a10 [kV] 133
Figura 3.15f Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 5 [kV] 133
Figura 3.15g Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga a su minima tensión de 1.5 [kV] 133
Figura 3.16 .Grafica de resultados de tabla 3.8 donde se encuentran las
manifestaciones de la corriente de fuga vs tensión aplicada al aislador
con un nivel de contaminación 3. 134
Figura 3.17a Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 20 [kV] 135
Figura 3.17b Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga a su minima tensión de 1.5 [kV] 135
Figura 3.17c Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 15 [kV] 135
Figura 3.17d Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 30 [kV] 135
Figura 3.17e Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 50 [kV] 136
Figura 3.17f Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga sometido a 40 [kV] 136
Figura 3.17g Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 10 [kV] 136
Figura 3.18 Grafica de resultados de tabla 3.9 donde se encuentran las
manifestaciones de la corriente de fuga vs tensión aplicada al aislador
con un nivel de contaminación 4. 137
Figura 3.19a Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 50 [kV] 138
Figura 3.19b Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
Figura 3.19c Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 30 [kV] 138
Figura 3.19d Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 20 [kV] 138
Figura 3.19e Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 10 [kV] 139
Figura 3.19f Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención
de corriente de fuga a su minima tensión de 1.5 [kV] 139
Figura 3.19g Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la
obtención de corriente de fuga sometido a 5 [kV] 139
Figura 3.20 .Grafica de resultados de tabla 3.10 donde se
encuentran las manifestaciones de la corriente de fuga vs
tensión aplicada al aislador sin contaminar. 140
Figura 3.21 . Grafica donde se realiza la comparación de los
diferentes niveles de contaminación expuestos a la
tensión aplicada vs corriente de fuga de un 70 al 80% de
humedad relativa. 142
Figura 3.22. Grafica de tensión alterna de ruptura vs % humedad relativa con su
respectiva desviación estándar, del aislador nuevo sin contaminar 151
Figura 3.23 Resultados de comparación de tensión alterna de
ÍNDICE DE TABLAS
Página
Tabla 1.1 ventajas y desventajas de los diferentes materiales aislante 32
Tabla 1.2 Compañías productoras de aisladores 41
Tabla 3.1 Resultados de corrientes de fuga a humedad relativa promedio del 50 a
60% en un aislador sin contaminar 110
Tabla 3.2 Resultados de corrientes de fuga a humedad relativa promedio del 50 a
60% en el nivel de contaminación 1 113
Tabla 3.3 Resultados de corrientes de fuga a humedad relativa promedio del 50 a
60% en el nivel de contaminación 2 117
Tabla 3.4 Resultados de corrientes de fuga a humedad relativa promedio del 50 a
60% en el nivel de contaminación 3 120
Tabla 3.5 Resultados de corrientes de fuga a humedad relativa promedio del 70 a
80% en el nivel de contaminación 4 124
Tabla 3.6 Corrientes de fuga con diferentes niveles de contaminación en humedad
relativa promedio del 60.25%. 126
Tabla 3.7 Resultados de corrientes de fuga a humedad relativa promedio del 70 a
80% en el nivel de contaminación 1 130
Tabla 3.8 Resultados de corrientes de fuga a humedad relativa promedio del 70 a
Tabla 3.9 Resultados de corrientes de fuga a humedad relativa promedio del 70 a
80% en el nivel de contaminación 3 136
Tabla 3.10 Resultados de corrientes de fuga a humedad relativa promedio del 70
a 80% en el nivel de contaminación 4 139
Tabla 3.11 Corrientes de fuga con diferentes niveles de contaminación en
humedad relativa promedio del 70 al 80%. 141
Tabla 3.12 Resultados de tensiones de flameo a aislador sin contaminar,
utilizando un aislador nuevo para cada serie de pruebas a un nivel promedio de
humedad y temperatura 144
Tabla 3.13 Resultado de la tensión de flameo con nivel 1 de contaminación. 145
Tabla 3.14 Resultado de la tensión de flameo con nivel 2 de contaminación. 146
Tabla 3.15 Resultado de la tensión de flameo con nivel 3 de contaminación. 147
Tabla 3.16 Resultado de la tensión de flameo con nivel 4 de contaminación 148
Tabla 3.17 Obtención de las desviación estándar de tablas sin contaminar. 150
Tabla 3.18 Lecturas promedio de la tensión alterna de ruptura a los diferentes
Niveles de contaminación y sin contaminar. 150
CAPÍTULO 1
MARCO CONCEPTUAL
En este capítulo se investigó y redactó una breve historia de los aisladores en
cuanto a su estructura, normatividad, efectos, utilización, tipos y aplicaciones. Con
la ayuda de libros, artículos científicos tecnológicos, revistas e internet.
Se revisó la normatividad del acondicionamiento de los aisladores sujetos a las
pruebas realizadas.
1.1 INTRODUCCIÓN.
Las fallas existentes en las cadenas de aisladores, son normalmente generadas a
causa de contaminantes en el aislado, por descargas atmosféricas, por fracturas
mecánicas, por la quema de vegetación y otras causas externas al material. Todo
esto acompañado de la existencia de condiciones como viento, humedad, niebla,
rocío o llovizna. Las partículas contaminantes tienden a posarse con mayor
facilidad en el cualquier punto de las líneas. Otro de los efectos que se suma a los
errores en el sistema es debido a la altitud a la cual se instalan estos aisladores.
Las cuatro causa principales que generan partículas contaminantes en el material
aislante son de:
• Origen natural
• Origen de industrial
• Origen agrícola
• Actividades de construcción
Un depósito de origen natural es por ejemplo, la sal marina la cual provoca una
contaminación severa en los aisladores instalados en zonas costeras. Se han
identificado tres condiciones típicas de contaminación ambiental.
Contaminación marina
Contaminación industrial
Para los casos de áreas industriales o agrícolas se encuentra una gran variedad
de contaminantes que reducen la rigidez dieléctrica del material.
Con esto definimos que las pérdidas más importantes son originadas por:
El contaminante
La humedad.
La humedad es el elemento necesario para producir una capa conductiva en la
superficie del aislador que provoca un incremento en la corriente de fuga.
Según estudios realizados en el año 2000 por Comisión Federal de Electricidad
(CFE), la contaminaron de los aisladores se catalogó como la segunda causa de
fallas en las líneas, tanto de transmisión como de distribución causando las fallas
de las mismas e interrumpiendo así la continuidad del sistema [1]. Para las líneas
de 400 kV, las fallas que repercutieron en los aisladores, en el año 2000, fueron
las siguientes: Por descargas atmosféricas se tuvo un porcentaje del 41.82%, por
contaminación del 7.88%, por fracturas mecánicas del 2.42%, por la quema de
vegetación un 24.24% y por otras causas un 23.64%. Para las líneas de 230 kV,
los porcentajes fueron: Por descargas atmosféricas del 41.41%, por contaminación
del 26.56%, por fracturas mecánicas del 1.17%, por la quema de vegetación un
13.67% y por otras causas un 17.19%. Finalmente para 161-115 kV los
porcentajes fueron: por descargas atmosféricas un 82.63%, por contaminación un
5.39%, por fracturas mecánicas un 0.60%, por la quema de vegetación un 0.56% y
Un punto importante a considerar es la altitud del lugar donde se instalan los
aisladores. Se sabe que la tensión de ruptura de un aislador difiere con la altitud. A
mayores altitudes, las conductancias superficiales aumentan, las corrientes de
fuga crecen en magnitud y las tensiones decrecen, esto es, la tensión de ruptura
varía en proporción directa con la variación de la densidad del aire [2]. Sin duda,
investigar el efecto que la altitud tiene sobre el mecanismo de flameo en los
aisladores, resulta útil para incrementar el conocimiento que se tiene de este
fenómeno dadas las características de operación de los sistemas de transmisión y
distribución en el país.
Las principales necesidades de contar con aisladores es mejorar tanto eléctricas
como mecánicamente las líneas de transmisión y distribución. Será el objetivo de
tener mejores materiales para el uso, como son los poliméricos. Este tipo de
material tiene características muy atractivas para la solución de problemas en
todas las zonas donde se encuentran altos niveles de contaminación y
vandalismo. Donde los aisladores cerámicos presentan problemas de operación.
Este trabajo de investigación se enfoca en las tensiones de ruptura y corriente de
fuga existente en aisladores poliméricos puesto que su instalación representa una
manera de combatir los problemas por contaminación. Además de las ventajas
sobre los cerámicos. Otro de los motivos es la frecuencia con la que en la
actualidad podemos encontrarlos en el sistema eléctrico, ya que en México han
reportado buenos resultados en el marco costo-beneficio y desde el punto de vista
técnico. Por esas causas el estudio de estos aisladores resulta muy importante y
En este trabajo se presenta una investigación del efecto existente en los
aisladores de corriente alterna, por la combinación de humedad y agentes
contaminantes a distintos niveles, por el estudio de Tensión de flameo y corriente
de fuga, todo esto evaluado en una cámara de contaminación artificial y sometido
a distintos niveles de contaminación, bajo una densidad de aire diferente a la
correspondiente al nivel del mar. Las pruebas se realizaron en los laboratorios de
alta tensión de la ESIME-Zacatenco del IPN que se encuentra a una altitud de
2240 msnm, siendo la presión atmosférica de 580 mmHg. y la densidad relativa
del aire promedio γ=0.77.
1.2 PRINCIPALES MATERIALES SÓLIDOS AISLANTES
Hay muchos factores que intervienen en la selección del mejor aislamiento para
una aplicación como son los siguientes:
Tabla 1.1 Ventajas y desventajas de los diferentes materiales aislantes
MATERIAL VENTAJAS DESVENTAJAS
SILICATO DE CALCIO Es incombustible y mantiene su
integridad física a temperaturas altas,
de 100°c hasta aproximadamente
1500°c. Permite ser secado a la
intemperie. Durabilidad y resistencia
excepcionales. Resistencia al abuso
físico
Moldeado en formas rígidas.
Absorbente de agua y son muy
costosos
la carga, rango de servicio térmico es de
-350°f (-212 °c ) y 900°f ( 482 °c )
utiliza frecuentemente en lugares con
baja temperatura ambiente, en
instalaciones en las cuales el
problema es la humedad es muy
quebradizo y susceptible a choques
térmicos a altas temperaturas, elevado
costo
FIBRA DE VIDRIO Materiales totalmente inorgánicos
material dúctil, muy livianos (baja
densidad), gran eficiencia eléctrica.
Limitaciones para aplicaciones a altas
temperaturas. Requiere acabado
metálico exterior
FIBRAS REFRACTARIAS Resistentes a temperaturas
extremadamente altas, su límite máximo
de temperatura puede llegar a los
3000°f (1649°c)
fabrican en láminas rígidas planas o
formas rígidas pre moldeadas
CEMENTOS AISLANTES Son masillas plásticas útiles para aplicar
sobre superficies irregulares como
acabado exterior, puede ser aplicado a
superficies con temperaturas altas
Mezcla de fibras aislantes,
aglutinantes de agua, el valor aislante
del acabado es relativo al fabricante.
ELASTÓMEROS
Los elastómeros y polietilenos producen un material celular flexible, disponible en
formas premoldeadas y láminas planas. Esos productos son flexibles y de celdas
cerradas, lo cual otorga baja permeabilidad de vapor y agua, permitiendo
instalaciones sin barrera adicional en condiciones moderadas de trabajo. Su rango
muy eficientes a bajas temperaturas porque no requieren chaquetas externas. Su
principal limitación está en la resistencia al fuego.
ESPUMAS PLÁSTICAS
Dentro de la categoría de espumas aislantes se encuentran varios materiales
utilizados principalmente en instalaciones para servicio en frío.
Poliuretano. Los plásticos de poliuretano e isocianurato espumados tienen la
conductividad térmica más baja porque las celdas están llenas con agentes
insufladores de flurocarbonos, que son más pesados y tienen una conductancia
menor que el aire. De todas maneras se requiere sellado en la superficie exterior
para evitar que el aire y el vapor de agua retomen al interior de las celdas y pierda
su especial factor de conductividad.
Se dispone de aislamientos preformados y pueden ser fundidos en el sitio de
aplicación. Se han tenido problemas con los uretanos respecto a su estabilidad
con el tiempo y la resistencia al fuego. Su rango de servicio térmico está entre –
300° f ( - 184 °c ) y 176 °f ( 80 °c). Su principal limitación por el momento se
encuentra en los componentes flurocarbonados incluidos en su estructura que
actualmente están en vía de prohibición total por afectar la capa de ozono.
Poliestireno expandido. Polímero orgánico de celda abierta. Están limitados en su
gama de temperaturas. Por eso es utilizado principalmente en instalaciones para
servicio en frío. Su gran limitación está en su baja capacidad para resistir la
1.3 COMPORTAMIENTO DE LOS AISLANTES SÓLIDOS
En los aislamientos sólidos no se presenta la regeneración total del dieléctrico
después de la perforación eléctrica, tampoco una renovación constante del
dieléctrico, como sucede en los aislamientos de aire y con carácter limitado, en los
aislamientos líquidos y gaseosos confinados.
Lo anterior quiere decir que, para la porcelana eléctrica una vez ocurra la
perforación, quedará libre el camino, por donde a un nivel de tensión inferior que la
primera vez, se presentará de nuevo el arco por el interior del aislador. Es
conveniente aclarar que, cuando se habla de perforación de la porcelana eléctrica,
no se está refiriendo al flameo por el aire exterior al aislador, ya sea por su
contorno, (distancia de fuga) o buscando la menor distancia entre los puntos que
aísla, (distancia de arco), ya que en tal caso sí se recuperan sus características
aislantes totalmente.
Cuando se analiza la probabilidad de perforación de un aislamiento sólido durante
una determinada sobretensión, hay que tener en cuenta que ésta depende
directamente de las propiedades del material aislante (combinación de materias
primas y calidad de proceso) como también de otros tipos de fenómenos como
son la alteración en función del tiempo de la estructura físico química del material.
Las alteraciones usuales sufridas por algunos materiales se enumeran a
continuación:
Inestabilidad química
Se consideran químicamente inestables los materiales que sufren reacciones
químicas, como lo son casi siempre los compuestos orgánicos. En condiciones
general fuertemente dependiente de la temperatura, (incrementándose al
aumentar esta).
En general la duración de la vida útil (t) de un aislante sólido puede ser expresada
en función de la temperatura absoluta (T), ya que esta determina la alteración de
sus propiedades físico-químicas como puede observarse en la siguiente ecuación:
La porcelana eléctrica no sufre reacciones químicas con los cambios de
temperatura naturales a que pueda ser sometida durante su trabajo, lo anterior,
por no poseer materiales orgánicos y por estar diseñada para soportar condiciones
extremas.
Una forma de comprobar la gran estabilidad química de la porcelana eléctrica
frente a los cambios de temperatura es la prueba llamada "choque térmico” que
consiste en 10 cambios sucesivos y bruscos de temperatura ente 4 y 100ºC, cada
uno durante 10 minutos.
Otros dos factores que afectan fuertemente la velocidad de las reacciones
Una de las características más importantes de la porcelana eléctrica es que tiene
“porosidad cero”, la cual se logra sometiendo la pasta al vacío y controlando que
aún después de su salida del horno, no se presenten internamente “microporos o
microgrietas”; la forma de chequear la porosidad, es la llamada “cámara de
fucsina”, que consiste en sumergir fragmentos de porcelana (sin esmalte) en una
solución de 1 gramo de fucsina básica disuelta en un litro de alcohol al 50%, en
una cámara de presión a 10 kLbs/Pul2 durante dos horas. Al terminar la prueba
las piezas se deben secar y romper para comprobar la no penetración del
colorante por pequeñas grietas.
Además el aislador de porcelana eléctrica es recubierto de un esmalte a
compresión que además de mejorar sus cualidades mecánicas y apariencia física,
le brinda una superficie lisa que le ayuda a su auto limpieza natural con la lluvia y
el viento.
Oxidación
Algunos materiales, en presencia del aire, y especialmente en presencia de ozono,
sufren reacciones de oxidación (combinación con el oxigeno), con la consecuente
alteración de sus propiedades mecánicas y eléctricas. Es el caso, normalmente,
de los aislamientos derivados del petróleo (como sucede con el polietileno), la
reacción de oxidación es acelerada si el material se encuentra expuesto a la
acción de radiaciones electromagnéticas, como las originadas por la luz intensa.
Hidrólisis
Algunos materiales en presencia de humedad y a temperaturas relativamente
por acción del agua), con consecuente alteración de sus propiedades eléctricas y
mecánicas. Es el caso, normalmente, de algunos poliésteres.
En algunas sustancias aislantes, a temperaturas relativamente elevadas, ocurre
una migración de sustancia químicas activas para la superficie, donde, en
consecuencia ocurren reacciones químicas con alteración de propiedades
eléctricas [4].
1.4 AISLANTES ELÉCTRICOS
Son aquellos materiales en los cuales los electrones no se desprenden fácilmente,
aún aplicando una diferencia de potencial, es decir, una presión eléctrica elevada.
Como su nombre lo dice es perfecto para las aplicaciones eléctricas y sería aun
más perfecto si fuera absolutamente no conductor, pero este tipo de material no
existe en condiciones normales. Los materiales empleados como aislantes
siempre conducen algo la electricidad, pero presentan una resistencia al paso de
corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores
eléctricos como la plata o el cobre. Estos materiales conductores tienen un gran
número de electrones libres (electrones no estrechamente ligados a los núcleos)
que pueden transportar la corriente; los buenos aislantes apenas poseen estos
electrones.
En los circuitos eléctricos normales suelen usarse plásticos como revestimiento
aislante para los cables. Los cables muy finos, como los empleados en las bobinas
barniz. El aislamiento interno de los equipos eléctricos puede efectuarse con mica
o mediante fibras de vidrio con un aglutinador plástico. En los equipos electrónicos
y transformadores se emplea en ocasiones un papel especial para aplicaciones
eléctricas. Las líneas de alta tensión se aíslan con vidrio, porcelana u otro material
cerámico, como se observa en la figura 1.1.
La elección del material aislante suele venir determinada por la aplicación. El
polietileno y poliestireno se emplean en instalaciones de alta frecuencia, y el mylar
se emplea en condensadores eléctricos.. El teflón se emplea para temperaturas
altas, entre 175 y 230 ºc. Las condiciones mecánicas o químicas adversas pueden
exigir otros materiales. El nylon tiene una excelente resistencia a la abrasión, y el
neopreno, la goma de silicona, los poliésteres de epoxico y los poliuretanos
[image:39.595.235.360.453.616.2]pueden proteger contra los productos químicos y la humedad [5].
Figura 1.1. Aislador cerámico [5]
1.5 BREVE HISTORIA DEL DESARROLLO DE LOS AISLADORES
POLIMÉRICOS
La historia de los aisladores poliméricos comienza en la década del cuarenta
cuando se comienzan a emplear materiales orgánicos a base de resinas epóxicas
para la construcción de aisladores de alta tensión para exteriores. Los materiales
poliméricos para su uso en exteriores no estuvieron realmente disponibles hasta la
década del cincuenta cuando se pudo aumentar en ellos la resistencia a la erosión
y a la carbonización gracias al empleo de rellenos a base de alúmina trihidratada;
es realmente en la década del sesenta cuando comenzó el empleo de aisladores
poliméricos en líneas de transmisión de energía eléctrica y la generalización de su
uso es en la década del ochenta. El primer polímero usado para la construcción
del aislamiento externo fue, a mediados de la década cuarenta, una resina epóxica
a base de bifenol, la cual aún se emplea en la construcción de aisladores para
interiores. El segundo polímero, ampliamente usado para la construcción
aisladores poliméricos para exteriores, fue la resina epóxida a base de
cicloalifáticos, cuyo uso fue introducido en el año 1957, aunque en la actualidad
sólo se emplea en la construcción de aisladores para interiores. Hasta mediados
de la década del ochenta los materiales más usados en la construcción de
Tabla 1.2 Compañías productoras de aisladores
En la actualidad el recubrimiento de la varilla o núcleo central y las campanas
aislantes de los aisladores poliméricos se construyen a base de goma de silicona
de alta temperatura de vulcanización (SiR), de etileno propileno (EPR), de un
copolímero del etileno propileno (EPM), de un terpolímero de etileno propileno y
dieno (EPDM) y el politetrafluoretano o teflón (PTFE).
Estudios realizados a escala internacional sobre los aisladores poliméricos
Diferentes estudios realizados han establecido científicamente que los aisladores
tienen una tensión de descarga mayor, en comparación con los aisladores de
porcelana, bajo condiciones de contaminación y humedecimiento debido a la
hidrofobicidad de su superficie.
Gorur y Chang [6] trataron de entender el mecanismo involucrado en la pérdida y
recobrado de la hidrofobicidad superficial en los aisladores poliméricos sometidos
a las descargas por formación de las bandas secas, condición propia del
desarrollo del proceso de falla por contaminación del aislamiento. En este estudio
los autores llegaron a la conclusión de que la pérdida de hidrofobicidad de la
superficie durante la presencia de arcos en las bandas secas es debido a la
humedad, mientras que la recuperación de la misma es consecuencia de la
difusión de cadenas de polímeros de bajo peso molecular a través del material.
Gautam y colaboradores [7], en un estudio para determinar la influencia del
diámetro promedio de los aisladores poliméricos en su comportamiento ante la
contaminación, llegaron a la conclusión que en ellos la tensión de descarga
disminuye con el incremento del diámetro promedio del aislador, al igual que
ocurre en el caso de los aisladores de porcelana, aunque en una escala menor.
Matsouka y colaboradores [8], al caracterizar las tensiones de descarga en
aisladores poliméricos bajo condiciones de contaminación dadas obtuvieron que
los métodos de contaminación artificial empleados no permitían obtener una capa
de contaminante uniforme en el aislador, por lo que propusieron un nuevo método
validado en el trabajo; así mismo, plantearon que la tensión de descarga de los
aisladores del tipo SiR es mucho más influenciada por la densidad de la niebla que
en los aisladores de porcelana, lo cual consideran sea consecuencia de que en
ambientes donde ocurran incrementos súbitos de contaminación la propiedad
hidrofóbica de la superficie aislante polimérica no es utilizada en toda su amplitud.
Esto se ratifica con la influencia negativa (disminución de hasta un 40% su valor)
que tiene la cantidad de partículas no solubles que se depositan en la superficie
del aislador sobre la tensión de descarga.
Yoshida, en la reunión de CIGRE celebrada en París en el 2004, llevó como
contribuciones de Japón, a las discusiones relacionadas con si existían
experiencias en la reducción de la distancia de fuga en aisladores poliméricos, con
relación a los de porcelana o vidrio, en ambientes similares los siguientes
• En 1994 Naito y colaboradores [9] reportaron, al evaluar aisladores
poliméricos en condiciones de contaminación, que condiciones de
humedecimiento fuerte provocan pérdida de hidrofobicidad en las
superficie del aislador en órdenes del 50%.
• Así mismo en el 2001, Koshino y colaboradores [10], reportaron que las
condiciones atmosféricas influían en la que la superficie aislante polimérica
pudiera recobrar sus características de hidrofobicidad con mayor o menor
rapidez, observando que ambientes con temperaturas bajas y humedad
relativa alta provocaban una pérdida mayor en tiempo de la hidrofobicidad
creándose las condiciones para que ocurrieran las descargas en el
aislamiento, las cuales pueden destruir dicha característica, así como
erosionar o carbonizar la superficie aislante.
• Por otro lado, Suzuki y sus colaboradores [11] habían reportado en el
2003, al presentar resultados de una investigación realizada con el objetivo
de evaluar una técnica para diagnosticar el deterioro del aislamiento
polimérico utilizado en aisladores pasantes, que al cabo de cuatro años de
explotación, en zonas costeras, la acumulación de contaminantes en los
aisladores poliméricos evaluado es mayor que en los de porcelana; los
resultados reflejaron una saturación de la capa contaminante en los
aisladores de porcelana a los 3 meses de estar en explotación (máximo de
0.008 mg / cm2), mientras que la acumulación en los poliméricos siguió
aumentando hasta valores de 0.02 mg / cm2 (2,5 veces más que en los de
Yoshida concluyó que los aisladores poliméricos podían tener una distancia de
fuga inferior a la de los aisladores tipo porcelana o vidrio en ambientes
contaminados partiendo de estos resultados, más si además se conocía que
Maxwell y Hartings [12] en la Sesión de CIGRE del 2000 reportaron, que a partir
de experiencias de campo, que aisladores poliméricos con reducción de la
distancia de fuga (con relación a aisladores de porcelana de la misma clase)
habían presentado un incremento en los daños del tipo erosión, carbonización y
de otros en comparación con aquellos que mantenían su longitud de fuga en
valores similares a los otros tipos de aisladores, por lo que era recomendable que
los aisladores poliméricos mantuvieran las mismas distancias de fuga que los
aisladores de porcelana.
En la propia sesión de CIGRE de 2004, Yoshida expone también la experiencia
japonesa, que coincide con resultados reportados por otros investigadores [13,14],
con relación al comportamiento de los aisladores poliméricos en ambientes
tropicales y subtropicales y la presencia de contaminantes de tipo biológico; los
resultados indican que en ambientes de estos tipos, ante la presencia de
determinados tipos de algas que se depositan sobre su superficie, los aisladores
poliméricos pierden muy rápidamente la propiedad de hidrofobicidad, con valores
de tensiones de descarga hasta un 15% menores con relación a otros tipos de
contaminantes como puede ser polvo de cemento o similar, para un mismo nivel
1.6 AISLANTES POLIMÉRICOS
Pese a la introducción de los materiales poliméricos hacia la segunda mitad de la
década de los ‘80, el cambio de tecnología ha evolucionado en forma lenta,
principalmente, debido a la reticencia de la industria hacia el uso de nuevos
productos. Sin embargo, en el último tiempo ha ganado parte importante del
mercado y va en franca expansión. En la actualidad, prácticamente, todos los
productos en Alta Tensión cuentan con su versión de aislamiento en polímero
(incluso en algunos la versión en porcelana prácticamente no se fabrica). Y es que
las ventajas del aislamiento polimérico son muchas, destacando la resistencia a
impactos mecánicos, la disminución del peso, la seguridad de operación y la
disminución del impacto ambiental en su fabricación y utilización.
Algunos polímeros son hidrorepelentes (hidrofóbicas) o autolimpiantes (figura 1.2),
que en condiciones de alta contaminación, justifican aún más la migración de
aislamiento en porcelana hacia aislamiento polimérico (no requieren ser lavados).
Se debe tener cuidado en este punto, debido a que en el mercado existen muchos
tipos de aislamientos en polímero, sin embargo, sólo algunas empresas trabajan
con la silicona hidrofóbica.
[image:45.595.226.369.600.710.2]
Debido a las ventajas antes mencionadas, el uso de aislamiento polimérico genera
un incremento de la confiabilidad en los equipos, tanto desde el punto de vista de
la seguridad de operación de un sistema eléctrico (ante pequeñas trizaduras en la
porcelana podría ocasionarse una falla, incluso ruptura del equipo), como del
punto de vista de la seguridad de los operarios del sistema (en caso de falla la
porcelana, a diferencia de los polímeros, podría estallar en pedazos pudiendo
dañar a personas que se encuentren cerca del suceso).
En algunos equipos, como es el caso particular de los pararrayos, este nuevo
material aislante ha introducido incluso un nuevo concepto en el montaje, y es que
debido a la importante disminución en el peso (menos del 50%) de los pararrayos,
éstos pueden ser instalados, por ejemplo, colgando de los conductores en las
líneas de transmisión o en forma invertida en los portales de acometida de las
líneas de transmisión.
Las últimas innovaciones en polímero han llegado incluso a reemplazar
aislamiento que usualmente era líquido (aceite), como es el caso de bancos de
condensadores en corriente alterna, en donde nuevos condensadores utilizan un
polímero tipo gel (figura 1.3), el cual inclusive es capaz de auto-eliminar el
cortocircuito local, después de ocurrida una descarga parcial interna en el
condensador. Esto último se conoce como condensador seco y elimina el impacto
Figura 1.3. Aislador de tipo gel[15]
Muchos elementos (el silicio, entre otros), forman también polímeros, llamados
polímeros inorgánicos [15].
1.7 PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS POLÍMEROS
Los polímeros industriales en general son malos conductores eléctricos, por lo que
se emplean masivamente en la industria eléctrica y electrónica como materiales
aislantes. Las baquelitas (resinas fenólicas) sustituyeron con ventaja a las
porcelanas y el vidrio en el aparellaje de baja tensión hace ya muchos años;
termoplásticos como el PVC y los PE, entre otros, se utilizan en la fabricación de
cables eléctricos, llegando en la actualidad a tensiones de aplicación superiores a
los 20 KV, y casi todas las carcasas de los equipos electrónicos se construyen en
termoplásticos de magníficas propiedades mecánicas, además de eléctricas y de
gran duración y resistencia al medio ambiente, como son, por ejemplo, las resinas
ABS.
Para evitar cargas estáticas en aplicaciones que lo requieran, se ha utilizado el
uso de antiestáticos que permite en la superficie del polímero una conducción
Evidentemente la principal desventaja de los materiales plásticos en estas
aplicaciones está en relación a la pérdida de características mecánicas y
geométricas con la temperatura. Sin embargo, ya se dispone de materiales que
resisten sin problemas temperaturas relativamente elevadas (superiores a 200 °C).
Las propiedades eléctricas de los polímeros industriales están determinadas
principalmente, por la naturaleza química del material (enlaces covalentes de
mayor o menor polaridad) y son poco sensibles a la microestructura cristalina o
amorfa del material, que afecta mucho más a las propiedades mecánicas. Su
estudio se acomete mediante ensayos de comportamiento en campos eléctricos
de distinta intensidad y frecuencia. Seguidamente se analizan las características
eléctricas de estos materiales.[16]
1.8 CLASIFICACIÓN DE POLÍMEROS
Existen varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean
excluyentes entre sí.
SEGÚN SU COMPOSICIÓN QUÍMICA
• Polímeros orgánicos. Posee en la cadena principal átomos de carbono.
• Polímeros vinílicos. La cadena principal de sus moléculas está formada
exclusivamente por átomos de carbono.
• Poliolefinas, formados mediante la polimerización de olefinas.
Ejemplos: polietileno y polipropileno.
• Polímeros estirénicos, que incluyen al estireno entre sus
monómeros.
Ejemplos: poliestireno y caucho estireno-butadieno.
• Polímeros vinílicos halogenuros, que incluyen átomos de halógenos
(cloro, flúor...) en su composición.
Ejemplos: PVC y PTFE.
• Polímeros acrílicos. Ejemplos: PMMA.
• Polímeros orgánicos no vinílicos. Además de carbono, tienen átomos de
oxígeno o nitrógeno en su cadena principal.
Algunas sub-categorías de importancia:
• Poliésteres
• Poliamidas
• Poliuretanos
Polímeros inorgánicos. Entre otros:
• Basados en azufre. Ejemplo: polisulfuros.
SEGÚN SUS APLICACIONES
Por sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en:
• Elastómeros. Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta
extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo
pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de
extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad
denominada resiliencia.
• Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente
intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma
original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces
incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros.
• Fibras. Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que
permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables.
• Recubrimientos. Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a
la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por
ejemplo resistencia a la abrasión.
• Adhesivos. Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta
cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto
SEGÚN SU COMPORTAMIENTO AL ELEVAR SU TEMPERATURA
Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en
calentarlos por encima de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o
por el contrario no lo hace se diferencian dos tipos de polímeros:
• Termoplásticos, que fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se
vuelven a endurecer (vuelven al estado sólido) al enfriarlos. Su estructura
molecular presenta pocos (o ningún) entrecruzamientos. Ejemplos:
polietileno (PE), polipropileno (PP), PVC.
• Termoestables, que no fluyen, y lo único que conseguimos al calentarlos es
que se descompongan químicamente, en vez de fluir. Este comportamiento
se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los
desplazamientos relativos de las moléculas.
La clasificación termoplásticos / termoestables es independiente de la clasificación
elastómeros plásticos fibras. Existen plásticos que presentan un comportamiento
termoplástico y otros que se comportan como termoestables. Esto constituye de
hecho la principal subdivisión del grupo de los plásticos y hace que a menudo
cuando se habla de "los termoestables" en realidad se haga referencia sólo a "los
plásticos termoestables". Pero ello no debe hacer olvidar que los elastómeros
también se dividen en termoestables (la gran mayoría) y termoplásticos (una
1.9 CARACTERÍSTICAS DE LOS AISLADORES POLIMÉRICOS.
Hoy, con la incorporación de nuevos compuestos a partir de cauchos de silicona,
evolucionadas y modernas técnicas de producción, se han desarrollado los
aisladores poliméricos, ver figura 1.4. Los que tienen como gran ventaja
comparativa respecto a los aisladores de porcelana y vidrio templado su peso muy
inferior lo que facilita la instalación. Otra característica sobresaliente en el caso de
aisladores de suspensión es que son de un solo cuerpo, desarrollados según la
necesidad, lo que evita armar cadenas de aislación, facilitando su instalación y
resistiendo acciones vandálicas pues por su composición no sufren daños por
golpes. Pero dentro de las contras que tiene este aislador están los defectos
[image:52.595.82.548.422.762.2]propios del material y la destrucción por parte de las aves [16].
1.10 CLASIFICACIÓN DE LOS AISLADORES POLIMÉRICOS
Puede realizarse una clasificación según los siguientes criterios:
• Según su constitución.- Aislador simple, formado por una sola pieza
• Según su instalación.- Aislador de servicio interior, empleado en lugares
carecidos de la lluvia y Aislador de servicio exterior, para servicio a la
intemperie.
• Por su forma y característica.- Aislador acoplable, está diseñado de forma
que permite el acoplamiento de varios elementos, el acoplamiento puede
ser rígido o articulado y Aislador no acoplable, está constituido de forma
que no puede acoplarse con otros elementos similares.
• Por su acabado.- Aislador con montura metálica, provisto de una o varias
piezas metálicas para la fijación del conductor o del aislador y Aislador sin
montura metálica, sin ninguna pieza metálica para su fijación
• Según su forma de colocación.- Aisladores de apoyo, formados por una o
varias capas aisladoras, destinadas a albergar un conductor y Aisladores de
suspensión, la fijación del conductor se realiza suspendiéndolo del aislador
mediante herrajes adecuados como se observa en la figura 1.5.
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Las principales ventajas de los polímeros son:
Livianos · Resistentes · Seguros · Mayor vida útil · Confiabilidad · Menor tamaño ·
Auto lavables · Flexibilidad · Alta rigidez dieléctrica · Reduce los costos de
construcción e impacto ambiental · Baja conductividad térmica · Elevado punto de
inflamabilidad · Resistencia al vandalismo · Estéticos.
1.11 FÍSICA DE LA DESCARGA.
Los aisladores son los elementos cuya finalidad consiste en separar
eléctricamente el conductor de la línea de apoyo que lo soporta. Al emplearse los
conductores, se precisa que los aisladores posean buenas propiedades
dieléctricas ya que la misión fundamental de este es evitar el paso de la corriente
del conductor hacia tierra.
La unión de los conductores con los aisladores y de estos con los apoyos
se efectúa mediante piezas metálicas denominadas herrajes [17].