FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
ELÉCTRICA
“CONTAMINACIÓN EN AISLADORES
DE LINEAS AEREAS DE TRANSMISIÓN Y
PRUEBAS A LAS QUE SON
SOMETIDOS”
TESINA
PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO
MECÁNICO ELECTRICISTA
PRESENTA:
AMELIA SALOMÓN DÁVILA
EDÉN JAMIT RAMÍREZ OVANDO
DIRECTOR DE TESINA:
ING. RAMÓN CHÁZARO APARICIO
1
INDICE
INTRODUCCIÓN ... 3
CAPITULO I ... 4
JUSTIFICACIÓN ... 5
TIPO Y NATURALEZA DEL TRABAJO ... 6
ENUNCIACIÓN DEL TEMA ... 7
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO ... 8
CAPITULO II ... 9
DESARROLLO DEL TEMA ... 10
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN ... 11
MARCO CONTEXTUAL ... 12
MARCO TEORICO ... 12
1. AISLADORES ... 13
1. 1 Clasificación de los Aisladores. ... 13
1.1.1 Aisladores tipo Alfiler. ... 14
1.1.2 Aisladores tipo Suspensión. ... 16
1.1.3 Aisladores Especiales. ... 19
1.2 Principales Características de los Aisladores. ... 20
1.2.1 Aisladores tipo Suspensión. ... 22
1.2.2 Aisladores tipo Alfiler. ... 25
1.3 Ensayos de Aisladores... 28
1.3.1 Ensayo de calidad de la porcelana y del vidrio. ... 28
1.3.2 Ensayo de perforación. ... 28 1.3.3 Ensayo de Contorneamiento. ... 28 1.3.4 Ensayo Mecánico. ... 29 2. CONTAMINACIÓN EN AISLADORES ... 31 2.1 Proceso de Contaminación. ... 32 2.1.1 Capa Contaminante. ... 35 2.1.2 Tipos de Contaminación. ... 39 i) Rural ... 39 ii) Salina ... 39 iii) Industrial ... 39 2.1.3Severidad. ... 40
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2.2 Flameo en Aisladores por Contaminación. ... 41
2.3 Métodos de Medición del nivel de contaminación. ... 44
2.3.1 Métodos Directos ... 44
i) Densidad Equivalente de Sal Depositada (DESD). ... 44
ii) Corrientes de fuga. ... 46
iii) Resistencia Superficial. ... 47
iv) Conteo de Pulsos. ... 49
v) Esfuerzos de Falla. ... 49
2.3.2 Métodos Indirectos ... 50
3. TECNICAS DE MANTENIMIENTO DEBIDO A LA CONTAMINACIÓN ... 51
3.1 Sobreaislamiento. ... 51
3.2 Lavado de Aisladores. ... 52
3.2.1 Lavado a mano. ... 52
3.2.2 Limpieza por Abrasión. ... 52
3.2.3 Lavado con agua desionizada a presión. ... 52
3.3 Aplicación de grasas. ... 53
3.4 Uso de Aisladores graduados. ... 54
3.5 Uso de Aisladores con Nuevos materiales. ... 55
4. PRUEBA DE AISLADORES ... 56
4.1 Pruebas de Prototipo. ... 56
4.2 Pruebas de Flameo. ... 58
4.3 Pruebas de Rutina. ... 59
ANALISIS CRITICOS DE LOS DIFERENTES ENFOQUES ... 60
CAPITULO III ... 61
CONCLUSIONES ... 62
BIBLIOGRAFÍA ... 63
APENDICE ... 64
3
INTRODUCCIÓN
El funcionamiento de una línea de transmisión depende en gran escala de su aislamiento. En buena práctica se requiere que la tensión de arco en seco de los Aisladores completos sea de tres a cinco veces mayor que la tensión nominal de funcionamiento, y que la longitud de la línea de fuga sea aproximadamente el doble de la menor distancia entre puntos con tensiones del aire.
Los aisladores no sólo deben tener resistencia mecánica suficiente para soportar con amplio margen las cargas debidas al hielo y al viento que puedan esperarse, sino que deben ser construidos de manera que puedan resistir condiciones mecánicas muy severas, descargas atmosféricas y arcos alimentados por la corriente de servicio.
La producción de arcos por contorno del aislador debe ser evitada en todos los casos, con la sola excepción del rayo, cualesquiera que sean las condiciones de humedad, temperatura, lluvia o nieve, y con la cantidad de polvo que habitualmente se acumula hasta ser limpiada por las lluvias.
En general el aislamiento de una línea se logra por medio de los aisladores simples, o por medio de cadenas de aisladores. En los primeros, el conductor se apoya y fija sobre el mismo aislador, empleándose este modelo para tensiones bajas y medias. Pero en los sistemas de alta tensión, es necesario hacer una cadena con aisladores campana, el cual se compone de una pieza de porcelana o vidrio templado, con adecuadas partes metálicas que permiten el empalme; para 132kv y suspensión simple, es suficiente armar una cadena de 9 aisladores, para 33 kV alcanza una cadena de 3 aisladores y para tensiones muy altas de 500 KV, vemos cadenas de hasta 25 aisladores.
Esta cantidad depende de si la cadena es de suspensión o de tensión y otros detalles. Las dimensiones y forma del aislador, dependen de la tensión límite que puede soportar, sin que se forme un arco en su superficie, alcanzando ambos extremos.
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JUSTIFICACIÓN
En la industria eléctrica, como en el transporte de la energía eléctrica surge la importancia del diseño y de la geometría de los aislamientos para que en particular no se presenten en el cuerpo del aislador campos intensos que inicien una crisis del sólido aislante.
Los aisladores representan el punto de soporte de los conductores en la estructura de la línea y cumple también con la función de proporcionar el asilamiento entre conductor y estructura dando la distancia dieléctrica requerida en el aire.
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.
La contaminación ambiental afecta en gran medida la operación confiable de líneas de transmisión y distribución de Energía Eléctrica. Los efectos nocivos de la contaminación se derivan de la formación de capas contaminantes sobre la superficie de los aisladores que al humedecerse disminuyen su rigidez dieléctrica y puede ocasionar el flameo del aislador o la cadena de aisladores energizados. La capa contaminante se forma principal por la acumulación de polvos, arena, sal, gases y humos industriales presentes en la atmosfera que rodea el aislador.
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TIPO Y NATURALEZA DEL TRABAJO
La naturaleza del presente trabajo se encuentra dentro de la modalidad de tesina, debido a las características que presenta en su desarrollo.
El desarrollo de este tema está dirigido a la recopilación de información de diversas fuentes sobre la contaminación en los Aisladores y pruebas a los que estos son sometidos, y a su vez, esta investigación quede al alcance de aquellas personas interesadas en ella, servirá para ampliar y/o apoyar a todos aquellas personas que se encuentren cursando experiencias educativas del área eléctrica, fortaleciendo sus conocimientos teóricos.
El objetivo del aislamiento característico de una línea de transmisión, es el de proporcionar la máxima confiabilidad del sistema, en caso de presentarse una sobretensión que pudiera afectar el funcionamiento de la misma, logrando así un suministro continuo de corriente eléctrica.
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 Es necesario que la red de tierras proporcione, entre otros factores, una trayectoria de baja impedancia a las corrientes causadas por un sobrevoltaje, que en un momento dado se pudieran presentar.
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ENUNCIACIÓN DEL TEMA
El tema de contaminación en aisladores de líneas aéreas de transmisión y pruebas a las que son sometidos, muestra la información de los parámetros más relevantes que interviene en el diseño de dichos aisladores y sus funciones en los conductores para
las líneas aéreas.
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.
Los aisladores son, de todos los elementos de la línea, aquellos en los que se pondrá el máximo cuidado, tanto en su elección, como en su control de recepción,colocación y vigilancia en explotación.
Son utilizados en redes eléctricas de transmisión y subtransmisión que van desde los centros generadores de energía hasta las subestaciones de enlace, los voltajes asociados a las redes de subtransmisión son del orden de 69, 85, 115Y 138 KV ,y para las redes de transmisión son de 161, 230 y 400 KV.
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 para el beneficio de la empresa que serán utilizados.
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EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL
TRABAJO
La estructura del presente trabajo de investigación, se encuentra dividida en tres capítulos, para una mejor comprensión del mismo.
En el primer capítulo de este tema, se trata acerca de los motivos de la realización de este trabajo, la introducción, la naturaleza, sentido y alcance del mismo, la enunciación del tema de investigación y la explicación de la su estructura.
El segundo capítulo, abarca el marco teórico de la investigación, el cual a su vez está dividido en cinco sub-temas, que forman el tronco común del trabajo.
El primer subtema, se trata el estudio de los aisladores, su concepto, clasificación, características más importantes, y ensayos a los que son sometidos.
En el subtema dos, hablamos sobre el fenómeno de la contaminación de los aisladores, procesos de contaminación y métodos de medición de nivel de contaminación.
El subtema tres, hablamos de las técnicas de mantenimiento de los aisladores debido a la contaminación,
El subtema cuatro, trata de las pruebas realizadas a los aislamientos de la línea de transmisión.
Finalmente en el capítulo tres, se presentan las conclusiones de la investigación, la bibliografía utilizada, los anexos y apéndices del tema tratado.
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DESARROLLO DEL TEMA
Para poder tener una mejor comprensión de los aisladores primero debemos
determinar la parte que estará aislando estos mismos, por lo cual son los conductores, por lo tanto:
Los conductores empleados en líneas aéreas, en la mayor parte de los casos, son desnudos; por lo tanto, se necesita aislarlos de los soportes por medio de aisladores, fabricados generalmente con porcelana, cerámica o vidrio.
La sujeción del aislador al poste se realiza por medio de herrajes. Pero además, un aislador debe tener las características mecánicas necesarias para soportar los
esfuerzos a los que está sometido. Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, las cualidades específicas que deben cumplir los aisladores son:
Rigidez dieléctrica suficiente para que la tensión de perforación sea lo más elevada posible. Esta rigidez depende de la calidad del vidrio, de la porcelana o del material compuesto que lo conforman y del grueso del aislador.
La tensión de perforación es la tensión a la cual se ceba el arco a través de la masa del aislador.
Disposición adecuada, de forma que la tensión de contorneamiento presenta valores elevados y por consiguiente no se produzcan descargas de contorno entre los conductores y el apoyo a través de los aisladores. La tensión de contorneamiento es la tensión a la que se ceba un arco a través del aire siguiendo la mínima distancia entre fase y tierra, es decir, el contorno del aislador. Esta distancia se llama línea de fuga. Resistencia mecánica adecuada para soportar los esfuerzos demandados por el conductor, por lo que la carga de rotura de un aislador debe ser cuanto menos igual a la del conductor que tenga que soportar.
Resistencia a las variaciones de temperatura.
Los aisladores son, de todos los elementos de la línea, aquellos en los que se pondrá el máximo cuidado, tanto en su elección, como en su control de recepción, colocación y vigilancia en explotación. En efecto, frágiles por naturaleza, se ven sometidos a
esfuerzos combinados, mecánicos, eléctricos y térmicos, colaborando todos ellos a su deterioro.
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE LA
INVESTIGACIÓN
El objetivo principal de la realización de este trabajo de investigación, es el de proporcionar a los estudiantes de Ingeniería Mecánica Eléctrica y a los futuros lectores, la información suficiente y el buen entendimiento a los principales elementos que rodean el diseño de los aisladores de líneas de transmisión, de manera práctica y objetiva para una mejor comprensión del mismo.
Para que los aisladores tengan un buen desempeño en las líneas se debe de tomar en cuenta los niveles de contaminación dependiendo la zona, ya que esto provoca a la larga una descompensación de voltaje lo cual puede afectar en las líneas de transmisión. Es por ello que en este trabajo de Investigación hablaremos de las pruebas a las que son sometidos dichos aisladores.
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MARCO CONTEXTUAL
Las líneas de transmisión de energía son actualmente utilizadas en todo el territorio nacional, es por tal razón, que referiremos nuestro marco contextual, a todo el país en general.
La red eléctrica nacional a finales de 2004, tenía una longitud del orden de 4 400 km de líneas de transmisión de 400 KV, 7 000 km de 230 kV y los restantes 11 300 km en voltajes menores. En cuanto a las subestaciones, la capacidad era de 49 000 MVA, conformada por el 29 por ciento con la alimentación a 400 kV, el 35 por ciento a 230 kV y el 36 por ciento a voltajes menores.
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MARCO TEORICO
1.
AISLADORES
Se entenderá como aislador a un soporte NO conductor para un conductor eléctrico. Los aisladores pueden ser de acuerdo al material de fabricación: de porcelana vidriada, vidrio templado y sintético.
Los aisladores de porcelana vidriada por lo general contienen un 50% de caolín, 25% de feldespastos y 25% de cuarzo, la porcelana debe ser moldeada por los procedimientos en húmedo, homogéneas, compacta sin porosidad y toda la superficie después de armado debe ser vitrificada.
La resistencia dieléctrica de los aisladores de porcelana es del orden de 70KV pico/cm y su resistencia mecánica de 40 000 a 65 000 lb/pg2 a la compresión y 1 500 a 12 500 lb/pg2 a la tensión dependiendo de la composición.
Los aisladores de vidrio tienen una resistencia dieléctrica del orden de 140 KV pico/cm estos aisladores son mecánicamente más fuertes que los de porcelana por compresión y tienen aproximadamente la misma resistencia mecánica a la tensión que la porcelana. Desde el punto de vista manufactura se han tenido algunos problemas con las mezclas que se condensan más rápidamente en el vidrio que en la porcelana produciendo estos esfuerzos internos cuando se enfrían estas masas, por lo que en la actualidad no ha sido posible fabricar aisladores tipo suspensión para tensiones elevadas aunque los tipos de suspensión son de tipo común en las lineras de transmisión.
1. 1 Clasificación de los Aisladores.
En términos generales los aisladores de vidrio tienen las siguientes ventajas sobre los de porcelana:
Se pueden observar las perforaciones y constituciones no homogéneas.
Después de una onda de sobrevoltaje un aislador fallado se puede identificar más rápidamente puesto que el vidrio se estrella y las porcelana se rompe cuando falla el dieléctrico.
El vidrio tiene un menor coeficiente de expansión térmica lo cual minimiza los esfuerzos causados por cambios en la temperatura ambiente.
Los aisladores de vidrio sufren un sobrecalentamiento menor debido a los rayos solares ya que la mayoría de ellos pasan a través de estos y no son absorbidos como en los de porcelana.
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Desde el punto de vista de condiciones ambientales, los aisladores se fabrican en dos tipos:
Normal
Para ambiente contaminante(tipo niebla) Por su construcción los aisladores pueden ser:
Tipo Alfiler
Tipo Suspensión
1.1.1 Aisladores tipo Alfiler.
Como su nombre lo sugiere los aisladores tipo alfiler se encuentran fijados por medio de un perno o alfiler que está sujeto a su vez a la cruceta en el poste o a la estructura (torre).
Están unidos al soporte por un herraje fijo y no pueden, por consiguiente, cambiar normalmente de posición después de su montaje. Su forma general es la de una campana que lleve en su parte superior una garganta sobre la que se fija el conductor por una ligadura (de hilo de cobre recocido para conductores de cobre o de hilo de aluminio para conductores a base de aluminio). El vástago esta empotrado en su interior y queda debajo de la campana. Este vástago puede ser recto o en forma de cuello de cisne. Se pueden encontrar aisladores con el interior roscado para atornillara a la parte superior del vástago, disposición que facilita la sustitución de un aislador defectuoso, evitando desmontar el vástago.
El aislador fijo más simple es el de las líneas telefónicas, o el de las líneas de baja tensión. Cuando la tensión es más alta, se acostumbra a prolongar la línea de fuga dando a la campana ondulaciones profundas e inclinadas hacia abajo; cuando el tamaño del aislador es grande o la campana es complicada, no puede fabricarse de una sola pieza, por lo que debe estar constituida por la unión de 2, 3 o 4 campanas superpuestas, unidas por yeso o cemento.
Los mayores aisladores fijos corresponden a una tensión de servicio de 63Kv. Pueden ser de porcelana o vidrio.
Por lo general se requiere que la porcelana no esté en contacto directo con el alfiler ya que este está construido de un material duro, por lo que se recubre la rosca con una capa de metal suave.
Aun este tipo de aisladores se construye para ser usado en forma múltiple para unidades grades y en tensiones hasta de 33KV por unidad, la tendencia es limitar el
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uso de estos aisladores a tensiones menores de 50KV dado que para tensiones mayores puede resultar antieconómico su uso en virtud de que el costo se incrementa rápidamente a medida que la tensión aumenta.
La porcelana debe ser lo suficientemente gruesa entre el conductor de la línea y el alfiler con el objeto de tener un factor de seguridad arriba de 10 contra posibles perforaciones, de cualquier forma, el aislador se diseña de manera que se presente el flameo antes de que se perfore, dado que una perforación hace que le aislador quede inútil, mientras que un flameo superficial es posible que no cause daño permanente. La relación del voltaje de flameo al voltaje de trabajo en un aislador se conoce como el factor de seguridad y para aisladores tipo alfiler es mucho mayor para bajos voltajes que para altos, por ejemplo los factores de seguridad para unidad de 11KV son 8.2 seco y en 5 en húmedo.
Con un aislador húmedo la superficie superior de las piezas o “Campanas” como se llaman frecuentemente, no tienen valor aislante y pueden conducir si existe agua o depósitos de suciedad, por lo que la distancia de arqueo es la suma de las distancias cortas del extremo de una campana al punto más cercano sobre la campana inferior más próxima. Para un aislador húmedo la distancia de arqueo es la suma de (a+b+c) mientras que para un aislador seco y húmedo será la indicada en la figura 1.
Fig. 1 a) Distancia de Flameo en Húmedo b) Distancia de flameo en Seco
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1.1.2 Aisladores tipo Suspensión.
Están constituidos por un numero variable de elementos según la tensión de servicio; estas cadenas son móviles alrededor de su punto de unión al soporte y además las articulaciones entre elementos deben tener bastante libertad para que los esfuerzos de flexión quedan amortiguados; estas articulaciones suelen ser de rotula.
Este tipo de aislador es el más empleado en media y en alta tensión, ya que presenta las siguientes ventajas:
1. Permite elevar la tensión de funcionamiento con solo aumentar la longitud de la cadena, es decir, colocando más elementos.
2. No se interrumpe el servicio por rotura de un aislador ya que la cadena sigue sustentando al conductor.
3. Presenta una gran economía en la reparación de las cadenas, pues solamente es necesario cambiar el elemento averiado.
La figura 2 nos muestra la disposición de los aisladores en una cadena de suspensión o una cadena de amarre.
Fig. 2 Disposición de los aisladores en una cadena de aisladores
Existen diversos tipos de aisladores de cadena, que a continuación se mencionan: a) Caperuza-vástago: Este aislador (Fig. 3 a y b) se compone de una campana de
porcelana o vidrio, en forma de disco y que lleva en su parte inferior algunas ondulaciones. En la parte superior de la campana esta empotrada una caperuza de fundición o acero, y en su parte inferior en un hueco bastante reducido, lleva un vástago sellado al aislador. Este vástago puede tener tetón o charnela.
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Vástago y caperuza se adaptan uno y otro por una articulación de rótula, formando de esta forma una cadena tan larga como se quiere. Se fabrican en porcelana o en vidrio templado. Existen numerosos modelos con diversas características eléctricas y mecánicas. A título de ejemplo se dan las especificaciones para un aislador de suspensión.
Fig. 3 a) Conjunto y despiece de un aislador de caperuza y vástago con tetón b) Conjunto y despiece de un aislador de caperuza y vástago con charnela.
b) Motor: Este elemento (Fig. 4) está constituido por un núcleo cilíndrico de porcelana de diámetro comprendido entre 60 y 85mm, y provisto de dos faldas anchas; en los extremos están empotrados dos caperuzas análogas a las de los aisladores caperuza- vástago. La unión de los aisladores motor entre si se hace con un pequeño vástago cilíndrico terminado en dos rótulas.
Fig. 4 Aislador motor
La diferencia esencial entre el aislador motor y el elemento caperuza-vástago reside en el hecho de que le primero es rigurosamente imperforable en servicio, mientras que el
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segundo puede, en ciertas circunstancias, perforarse antes de ser contorneado especialmente por la acción simultánea de esfuerzos mecánicos y acciones eléctricas.
c) Langstab: Este modelo (Fig. 5) es una ampliación del aislador motor y se denomina langstab (larga línea de fuga). Está constituido por un largo cilíndrico de porcelana de 80 a 100cm, con ondulaciones bastante profundas y terminado en dos caperuzas.
Fig. 5 Aislador Langstab
A medida que las tensiones de operación aumentan el costo de los aisladores tipo alfiler aumentan en términos las ventajas y desventajas que se mencionan delante de tal forma que para tensiones elevadas este tipo es antieconómico. Por esta razón las líneas de transmisión de alta tensión se aíslan con aisladores tipo suspensión, en cuyo caso como su nombre lo indica, el conductor se suspende debajo del soporte por medio del aislador o aisladores o pueden estar también en posición de tensión..
EL USO DE AISLADORES TIPO SUSPENSIÓN TIENE VENTAJAS IMPORANTES SOBRE EL TIPO ALFILER COMO SON:
Cada aislador se diseña para una tensión de trabajo relativamente baja y entonces el voltaje total requerido se obtiene usando una cadena con un número deseable de aisladores.
En el caso de una falla en un aislador, solo se requiere cambiar el aislador y no las cadena completa.
Los esfuerzos mecánicos se reducen en virtud de que la línea se encuentra suspendida flexiblemente o en posición de tensión. En el caso de los aisladores tipo alfiler la naturaleza rígida del soporte produce fatiga y debido a la característica intermitente del esfuerzo se vuelve quebradizo el aislador.
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En el caso de aumentar la tensión nominal de operación de una línea, los requerimientos de aislamiento se pueden lograr aumentando el número de aisladores como no ocurre en los aisladores tipo alfiler.
LAS PRINCIPALES DESVENTAJAS DEL TIPO SUSPENSION SON:
La flexibilidad que los aisladores tipo suspensión dan en el montaje, reduciendo los esfuerzos mecánicos durante la operación de las líneas, provocan a su vez mayor oscilación por efecto de temblores o viento que los tipo alfiler para claros interpostales iguales y consecuentemente se requiere de una distancia mayor entre fases y de fase a estructura lo que hace que esto aumente ligeramente el costo de las líneas de transmisión.
Un tamaño normalizado de aisladores para cadena es de 254x146mm (10x5 ¾ pg).
1.1.3 Aisladores Especiales.
Antiniebla:
Su principal característica consiste en tener ondulaciones más profundas que permitan una mayor tensión de contorneamiento.
De costa:
La campana exterior es más ancha y alta, de forma que protege completamente contra el roció a las faldas interiores. Los depósitos de humedad (niebla, roció, condensación de origen variable) lo mismo que el depósito de cuerpos conductores extraños (humos industriales) reducen considerablemente la tensión de contorneamiento de los aisladores. Cuando se combinan las dos acciones, llegan a impedir la explotación de la red a su tensión nominal. Se impone un aumento de nivel de aislamiento, o la utilización de aisladores de un calibre superior al que sería estrictamente necesario en circunstancias normales. La protección más difícil de realizar es la de líneas en regiones industriales, pues los depósitos contaminantes se introducen en todos las canaladuras del aislador, donde son llevadas a veces por la misma humedad.
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1.2 Principales Características de los Aisladores.
Principales características que influyen en la selección de los aisladores para una aplicación específica en las líneas de transmisión son las siguientes:
CARACTERISTICAS GEOMETRICAS
Que son básicamente su diámetro, altura o paso y distancia de fuga, estas características afectan a las características eléctricas. Las características geométricas establecen las diferencias entre los aisladores denominados “estándar tipo niebla o anti humo”.
CARACTERISTICAS ELECTRICAS
Las características geométricas fijadas deben ser suficientes para garantizar el comportamiento deseado de las cadenas de los aisladores a las sobretensiones por rayo y por maniobra de interruptores. Algunas de las características eléctricas que aparecen en las especificaciones de los aisladores se describen a continuación.
DISTANCIA DE FLAMEO EN SECO
La distancia de flameo en seco en un aislador es la distancia más corta, medida a través del medio circundante entre las partes conductoras en caso de existir partes metálicas conductoras intermedias , la distancia de fuga en seco es la misma de las distancias parciales medidas según se indica en la definición de distancias de fuga. TENSION DE FLAMEO EN SECO O EN HUMEDO A BAJA FRECUENCIA:
Se define como la máxima tensión o frecuencia industrial que un aislador a una cadena de aisladores puede soportar en seco o bajo lluvia durante un minuto sin la iniciación de arco eléctrico o perforación.
TENSION DE FLAMEO AL IMPULSO (V50%)
Se define como la tensión al impulso (con onda de tensión positiva o negativa de 1.2 %/50 microsegundos), que aplicada a un aislador o a la cadena de un aislador, determina la iniciación del arco en 50 % de los impulsos aplicados .
TENSION DE PERFORACION A BAJA FRECUENCIA
El valor eficaz (KV) de la alta tensión aplicada a un aislador bajo condiciones específicas que originan una descarga disruptiva a través de cualquier parte del aislador.
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CARACTERISTICAS MECANICAS
Dado que los aisladores constituyen el elemento mecánico de soporte en buena medida la confiabilidad de las líneas de transmisión depende del correcto comportamiento de sus aisladores y de la correcta especificación de los mismos, así como su compatibilidad de los herrajes. A continuación se describen algunas características mecánicas.
RESISTENCIA ALA TENSION MECANICA KG
Se define como el esfuerzo necesario que determina la rotura del aislador: para los aisladores de suspensión se considera una solicitación a la tracción axial, en cambio para los aisladores rígidos es una solicitación a la flexión producida por un esfuerzo normal al eje del aislador.
RESISTENCIA COMBIADA ELECTROMECANICA
Este concepto está limitado a los aisladores en suspensión y se define como: el esfuerzo de tracción axial que aplicado al aislador sometido al mismo tiempo a una tensión eléctrica a la frecuencia industrial al 90% de la tensión critica de iniciación del arco en seco que determina la perforación eléctrica y la rotura mecánica del aislador. En general el pedido de un aislador se debe hacer en base a las siguientes especificaciones mínimas:
Especialmente (altura) en mm. Diámetro en mm. Y peso neto en kg, Distancia en fuga, Distancia de flameo en seco, Tensión de flameo en seco o en húmedo a baja frecuencia, Tensión de flameo al impulso, Tensión de perforación a baja frecuencia, etc
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1.2.1 Aisladores tipo Suspensión.
ESPECIFICACIONES PARA AISLADORES TIPO SUSPENSION
En general el pedido de un aislador se debe hacer en base a las siguientes especificaciones: a) CARACTERISTICAS FISICAS Altura en mm Diámetro en mm Peso neto en kg b) CARACTERISTICAS ELECTRICAS Distancia de fuga en mm
Distancia de flameo en seco en mm
Tensión de flameo en seco a la frecuencia nominal (KV) Tensión de flameo en húmedo a la frecuencia nominal (KV) Tensión de flameo al impulso positivo en KV
Tensión de flameo al impulso negativo en KV Tensión de perforación a la frecuencia nominal KV Tensión de radio Interferencia a KHZ
c) CARACTERISTICAS MECANICAS Resistencia a la tensión mecánica en Kg Resistencia al impacto Kg-m
Resistencia electromecánica combinada kg
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Tensión de perforación en aceite 130kV Longitud de la línea de fuga 291mm
Carga de rotura mecánica mínima garantizada 1 200kg Esfuerzo permanente normal 4 800kg
Peso neto aproximado 4.4kg
Características elementales de las cadenas
N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Vs 78 130 180 225 270 310 350 395 435 475 VI 45 80 115 150 185 215 250 290 325 360 Dónde:
N= Número de elementos por cadena.
Vs= Tensión de contorneo en seco a frecuencia industrial en kV. VI= Tensión de contorneo bajo lluvia a frecuencia industrial en kV.
Fig. 7 AISLADOR DE SUSPENSION PARA ATMOSFERAS CONTAMINADAS
Tensión de perforación en aceite 130kV Longitud de la línea de fuga 510mm
Carga de rotura mecánica mínima garantizada 16 500kg Esfuerzo permanente normal 6 600kg
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Fig. 8 AISLADOR TIPO SUSPENSIÓN
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1.2.2 Aisladores tipo Alfiler.
ESPECIFICACIONES PARA AISLADORES TIPO ALFILER
En el caso de los aisladores tipo alfiler, el pedido se debe hacer en base a sus siguientes especificaciones:
a) CARACTERISTICAS FISICAS Distancias de fuga en mm
Distancia de flameo en seco en mm Altura mínima del alfiler
b) CARACTERISTICAS ELECTRICAS Flameo en seco a baja frecuencia KV Flameo en húmedo a baja frecuencia KV Flameo a impulso positivo KV
Flameo a impulso negativo KV
Tensión de perforación a baja frecuencia KV Tensión de radio interferencia a 1000 KHZ MV
c) CARACTERISTICAS MECANICAS Resistencia en Cantiliver Kg
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Tensión mínima de contorneo en seco 52KV Tensión mínima de contorneo bajo lluvia 34kV
Tensión mínima bajo lluvia a 50Hz durante 1 minuto 32KV Tensión mínima de perforación en aceite 80kV
Tensión nominal normal de utilización 10 Kv Longitud mínimo de la línea de fuga 250mm Carga mínima de rotura a la flexión 1 200kg Peso neto aproximado 1.7kg
Fig. 10 AISLADOR TIPO ALFILER COMPUESTO (Vidrio)
Tensión mínima de contorneo en seco 92kV Tensión mínima de contorneo bajo lluvia 65kV
Tensión mínima bajo lluvia a 50Hz durante 1 minuto 60 Kv Tensión mínima de perforación en aceite 135kV
Tensión nominal normal de utilización 20kV Longitud mínimo de la línea de fuga 510mm Carga mínima de rotura a la flexión 1 200kg Peso neto aproximado 3.9kg
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Fig. 11 AISLADOR TIPO ALFILER
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1.3 Ensayos de Aisladores
Someter a los aisladores a una serie de ensayos nos permite comprobar si posees las características mecánicas y eléctricas para las que han sido fabricados.
Analizaremos la calidad de la porcelana o del vidrio, la tensión de contorneamiento en seco o en lluvia, la tensión de perforación y la resistencia mecánica del aislador.
1.3.1 Ensayo de calidad de la porcelana y del
vidrio.
Un ensayo elemental para darnos cuenta de la calidad de la porcelana y de su buena vitrificación consiste en romper el aislador y examinar las superficies de fractura, que deben ser brillantes y homogéneas y en ningún caso presentaran fisuras, oquedades o burbujas. Se comprueba también que el esmalte superficial esté exento de grietas, sea duro e inatacable por los agentes atmosféricos. También resulta interesante estudiar la porosidad de la porcelana y su variación con los cambios de temperatura.
Los aisladores de vidrio se analizan con la luz ordinaria y polarizada, comprobando la ausencia de fisuras y de burbujas.
1.3.2 Ensayo de perforación.
La tensión de perforación es aquella en que se produce la rotura del aislador, ya que el arco eléctrico atraviesa el vidrio o la porcelana.
Con la frecuencia industrial, la perforación del aislador no puede ser obtenida estando rodeada de aire, ya que saltaría el arco por la superficie y no por el interior. Por lo tanto se impide la formación del arco de contorneo sumergiendo el aislador en aceite mineral, con la cual se puede elevar la tensión de prueba hasta obtener la rotura o la perforación del aislador.
1.3.3 Ensayo de Contorneamiento.
En este ensayo se comprueba si la tensión de contorneamiento es realmente la especificada por el fabricante. Esta tensión es aquella en la que se produce un arco o descarga disruptiva por la superficie del aislamiento entre el soporto metálico y el conductor.
El ensayo se realiza sometiendo al aislador a un tensión cada vez más elevada entre la caperuza y el vástago, hasta que se produce el arco eléctrico; en ese momento estaremos ante la tensión de contorneamiento.
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El ensayo se realiza también bajo lluvia artificial controlada con una inclinación de 45° sobre el aislador. La tensión de contorneamiento bajo lluvia es menor que en condiciones normales pero siempre debe ser superior a la tensión nominal de empleo del aislador.
Los aisladores se fabrican con el interior ondulado con el fin de aumentar la longitud que debe recorrer el arco eléctrico para que salte. Esta distancia se llama línea de fuga y es una característica fundamental en los aisladores.
1.3.4 Ensayo Mecánico.
Los aisladores se someten durante 24hrs consecutivas a un esfuerzo mecánico de tracción aplicado axialmente, igual al especificado por el fabricante. Otro ensayo es la carga de rotura mecánica, que es la carga expresada en kilogramos a la que tiene lugar la rotura del aislador, o de un herraje, en las condiciones establecidas en el ensayo. Estas condiciones varían según el tipo de aislador, ya que cada tipo está sometido a diferentes tipos de esfuerzos los cuales son:
Aisladores Alfiler. Tracción aplicada a la altura de la ranura del cuello dela aislador.
Aisladores de suspensión. Tracción en dirección del eje, aplicada en los puntos de conexión de los herrajes.
Aisladores de Polea. Tracción transversal normal al eje, aplicada en la ranura externa a la polea.
Aisladores para vientos. Tracción longitudinal en dirección del eje principal. En las figuras 12 y 13 se representan los herrajes y formas de suspensión para cadenas de aisladores.
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Gancho de Bola Balancín de Bola Anillo de Bola Pasador
Fig. 12 Herrajes para cadenas de aisladores
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2.
CONTAMINACIÓN EN AISLADORES
Los aisladores de las líneas de transmisión y subestaciones eléctricas, además de proporcionar un soporte mecánico son usados para aislar componentes de dos sistemas eléctricos, o para aislar entre si los propios componentes de un sistema de la red eléctrica, por lo que su principal característica es su alta resistencia eléctrica. Sin embargo, las propiedades dieléctricas del aislamiento expuesto a la intemperie, se modifican por la influencia de fuentes de contaminación y factores ambientales (humedad relativa, dirección y velocidad del viento, temperatura y presión barométrica), ocasionado fallas en el suministro de la energía eléctrica.
La contaminación del aislamiento consiste en el depósito paulatino de partículas contaminantes sobre su superficie. Cuando la contaminación en el aisladores se ve sujeta a procesos de humectación por niebla, roció o una llovizna muy ligera, dependiendo del tipo de partículas, se llega a reducir las distancias dieléctricas del aislamiento provocando el flameo.
La contaminación dicta el tipo de aislador y la longitud de la cadena de aisladores. En algunas áreas contaminadas, la longitud del aislador puede exceder los requerimientos dados por sobretensiones debidas a descargas atmosféricas o maniobras, por lo que el diseño final de la línea está basado en la contaminación por lo que el BIL* del aislamiento se puede incrementar cuando toma uno en cuenta la contaminación.
Sin embargo, y afortunadamente, para la mayor parte del mundo la contaminación no está presente en grado que requerimientos del aislamiento de maniobra o descargas atmosféricas. También, afortunadamente existen alternativas, tales como aisladores con gran distancia de fuga, aisladores anti-niebla, aisladores NO cerámicos y recubrimientos superficiales como vidriados semiconductores y silicones vulcanizados a temperatura ambiente que se pueden usar para disminuir la longitud requerida de una cadena de aisladores.
Aunque no existe un acuerdo referente al número exacto y tipo de aisladores cerámicos a utilizarse en atmosferas contaminadas, el conocimiento básico de aisladores cerámicos es extenso. Sin embargo desde hace veinte años se han utilizado aisladores no cerámicos, es grande pero no tan extenso como para aisladores cerámicos.
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2.1 Proceso de Contaminación.
El proceso de contaminación en aisladores se origina al depositarse partículas sobre su superficie, las cuales se adhieren por la acción de diversos parámetros meteorológicos. Las partículas depositadas en los aisladores se vuelven conductoras con la humedad, originando sobre la superficie de estos: corrientes de fuga, descargas parciales y finalmente flameos, con la consecuente salida de operación de las líneas de transmisión y subestaciones eléctricas.
El comportamiento de un aislador dentro del sistema eléctrico está en función de:
a) El tipo, la composición química, la distribución y la cantidad de contaminante acumulado en su superficie,
b) De factores meteorológicos diversos, tales como: temperatura, dirección y velocidad del viento, presión barométrica y la humectación del contaminante acumulado.
c) Las condiciones topográficas y geográficas, y d) La forma y posición del aislador.
A continuación se describe el proceso de ruptura mecánica del aislador por el efecto de la contaminación:
-Diversos elementos químicos (sales, calcita, sílice, etc.) se depositan sobre la superficie inferior y superior del aislador por la acción del viento. En la superficie superior, por efecto de la gravedad, se depositan partículas de contaminantes incluso de un tamaño mayor a las 10 micras, las cuales algunas veces son de material insoluble.
Al humedecerse la capa de contaminación, por lluvia o por la humedad del ambiente, esta se vuelve conductora y permite la circulación de corriente a través de la capa de contaminación. La corriente genera calor por efecto joule y por consiguiente provoca evaporación del agua absorbida por la capa contaminante.
En condiciones reales, la capa de contaminación no es uniforme y el diámetro del aislador no es constante. Por esta razón, la densidad de corriente no es uniforme y se tendrá una mayor densidad de corriente en las zonas de menor espesor de la capa de contaminación y en las zonas de menor diámetro del aislador.
La evaporación por calor no es uniforme. En las zonas donde la densidad de corriente es mayor, existe una mayor generación de calor y por lo cual existe una mayor evaporación.
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En las zonas de mayor evaporación se forman zonas secas de alta resistencia eléctricas, las cuales se encuentran rodeadas de zonas conductoras. El voltaje aplicado prácticamente es transferido a los extremos de las zonas secas.
Debido a la mala distribución de voltaje a lo largo de la superficie aislante, existen gradientes eléctricos altos (2 kVolts por mm) en la superficie del aislador que rompen la rigidez dieléctrica del aire provocando descargas superficiales en los extremos de las zonas secas. En aisladores sintéticos la alta temperatura del arco eléctrico, particularmente en sus raíces, provoca el efecto de piròlisis.
Dependiendo de la humectación y temperaturas del aislador, la duración de la actividad de bandas secas se establece durante periodos de tiempo en horas o segundos. Si las descargas superficiales se logran encadenar, provocaran el flameo completo del aislador. En caso de suceder esto, se establece un arco de potencia cuya energía depende de la potencia de corto circuito del sistema y del tiempo en que las protecciones del circuito interrumpan la falla.
La energía liberada durante el arco de potencia puede ser de tal magnitud , que ocasione la falla del aislador , ya sea por ruptura mecánica ( caída de la línea) o por daño parcial que no permite mantener el aislamiento requerido.
En caso de no llegar la ruptura mecánica después del arco de potencia, el aislador seguirá trabajando hasta que nuevamente la actividad de bandas secas ocasione otro arco de potencia.
La contaminación ambiental afecta en gran medida la operación confiable de líneas de transmisión y distribución de energía eléctrica. Los efectos nocivos de la contaminación se derivan de la formación de capas contaminantes sobre la superficie de los aisladores que al humedecerse disminuyen su rigidez dieléctrica y puede ocasionar el flameo de aislador o la cadena de aisladores energizados. la capa contaminante se forma principalmente por la acumulación de polvos , arena y sal, gases y humos industriales presentes en la atmosfera que rodea al aislador.
La importancia del problema ha dado pie a que las compañías responsables del suministro de anergia eléctrica promuevan la investigación y el desarrollo de técnicas de prevención y mantenimiento para disminuir los daños que ocasiona, estos están relacionados por los gastos de mantenimiento correctivo de las líneas, las perdidas por facturación en compañías generadoras y las pérdidas de los consumidores industriales por la interrupción del servicio.
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PROBLEMAS DE LA CONTAMINACION AMBIENTAL EN AISLADORES
La contaminación ambiental es una de las principales causas de falla cuando se deposita sobre el equipo de los sistemas eléctricos de potencia .de las partes que constituyen dichos sistemas el elemento de contaminación que ocasiona mayores problemas es el aislamiento.
La deformación de depósitos contaminantes en aisladores no tendría graves efectos si el humedecimiento de ellos no se presentara, con excepción de pocos casos particulares metálicos principalmente los contaminantes no son conductores cuando están secos. Sin embargo, cuando estos se humedecen forman una solución electrolítica que permite el paso de la corriente a través de ella y propicia la aparición de descargas superficiales. Estas descargas a menudo se inician a las partes mas estrechas del aislador y pueden propagarse como un arco a lo largo de la superficie dando lugar al fenómeno del flameo por contaminación.
Los problemas de contaminación en aisladores eléctricos exteriores ocurren ; cuando el medio ambiente que los rodea lleva diversas substancias especialmente salinas e industriales ., estas sustancias se integran en los aisladores creando una capa que en ambientes secos no causan problemas , pero con la presencia de fenómenos meteorológicos , especialmente la humedad reducen sus características dieléctricas que pueden llegar a causar fallas.
La lluvia moderada o fuerte lava los aisladores, cuando el contaminante no es del tipo que se adhiere fuertemente, como es el caso q proviene de las cementeras, las superficies que se lavan dependen de la colocación de las cadenas, las del tipo V y horizontales se lavan mejor.
La llovizna y niebla principalmente humedecen el contaminante convirtiéndolo en una substancia conductora de corriente eléctrica, cuyas características de conducción dependen de las substancias que contienen.
La corriente eléctrica que circula sobre el aislador se llama “corriente de fuga” la que produce calentamiento y seca diversos puntos de la superficie, formando las llamadas bandas secas.
Las bandas secas se ponen en serie con las partes que permanecen húmedas, por lo q la tensión de fase a tierra provoca descargas a través de este circuito., inicialmente estos tienen un color azul y forman lo que se llama efecto “corona”, concentrándose en las uniones del aislante con las partes metálicas, el valor de la corriente de fuga en esta etapa es del orden de 1 mili ampere.
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Cuando las condiciones anteriores continúan, aproximadamente arriba de un minuto, y si la contaminación tiene baja resistencia dieléctrica, aumentan los arqueos continuamente, llegando el momento en que forman descargas de un color amarillo que se llama de prescintilación, con corriente de fuga del orden de 1 a 10 mili amperes.
2.1.1 Capa Contaminante.
La materia que se deposita en la superficie del aislador debido a la acción del viento influye en el nivel de contaminación del aislamiento. Esta tiene la propiedad de generar circulación de corriente sobre la superficie del mismo, ya que es altamente conductora, o tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de humedad del medio ambiente. De acuerdo a su composición, las materias se clasifican en:
a) Materia soluble. Desde el punto de vista eléctrico la materia soluble (llamada comúnmente sal), es la que permite la conducción eléctrica de fase a tierra a través de la superficie del aislador.
b) Materia insoluble. La materia insoluble no contribuye en la conductividad eléctrica, pero si influye en el voltaje de flameo debido a su capacidad para retener agua. Un ejemplo de material insoluble es el caolín (material utilizado en pruebas de contaminación artificial en laboratorio).
La formación de la capa contaminante en aisladores es sumamente compleja(Fig.14), debido a la diversidad de factores involucrados. Su grado de contaminación está afectado principalmente por los siguientes factores:
Composición y tamaño de las partículas
Fuerzas ejercidas sobre las partículas contaminantes.
Efectos aerodinámicos del aislador.
Tipos de superficie del aislador
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COMPOSICION Y TAMAÑO DE LAS PARTICULAS.
La capa contaminante que se forma en la superficie de los aisladores, está compuesta por diversas impurezas que se encuentran suspendidas en el aire. Estas impurezas pueden ser clasificadas en dos grupos:
a) Materia en suspensión permanente.
La materia es suspensión permanente comprende todos los materiales inorgánicos insolubles, no condensables y de tamaño microscópico .Estos se mantienen en suspensión mediante las fuerzas cinéticas debidas al movimiento molecular de los gases de la atmosfera y se precipitan bajo la acción de fuerzas eléctricas o bien por lluvias.
b) Materia en suspensión temporal.
La materia en suspensión temporal, comprende partículas orgánicas pesadas , que se depositan en la superficie de los aisladores fundamentalmente por gravedad , materias orgánicas en descomposición y además, partículas de vapor de agua que condensan o dispersan de acuerdo a las condiciones del viento y temperatura ambiente.
FUERZAS EJERCIDAS SOBRE LAS PARTICULAS CONTAMINANTES.
Las partículas suspendidas en las proximidades del aislador, sufren los efectos de una serie de fuerzas que determinan sus movimientos. Las fuerzas ejercidas sobre las partículas y que afectan el grado de contaminación del aislador son:
a) Fuerzas cinemáticas
Las fuerzas cinemáticas se deben al movimiento Browniano y son el resultado de colisiones moleculares entre partículas muy pequeñas.
b) Fuerzas de gravedad
Determina la tasa de asentamiento de las partículas grandes y la formación de depósitos sobre la superficie de los aisladores.
c) Fuerza debida a la acción del viento (Fr)
Determina la magnitud del impacto con la que llegan las partículas contaminante a la superficie del aislador.
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d) Fuerzas eléctricas en partículas dieléctricas (Fen)
Es aquella que experimentan estas partículas cuando se encuentran en un campo eléctrico no uniforme, trasladándolas hacia las regiones donde el campo es ms intenso. Esta fuerza está en función del radio de la partícula, del gradiente al cuadrado del valor eficaz de la intensidad del campo eléctrico y de la constante dieléctrica de la partícula (Fen).
e) Fuerzas eléctricas en partículas cargadas (Fc)
La fuerza eléctrica en partículas cargadas (Fc), está en función de la densidad de carga de la partícula, de la intensidad del campo eléctrico y de carga del electrón.
De estas fuerzas, la debida a la acción del viento es la que predomina por su magnitud es el movimiento de las partículas y en su adhesión a la superficie de los aisladores. EFECTOS AERODINAMICOS DEL AISLADOR
En estudios previos realizados por expertos sobre el problema de la contaminación en aisladores, se analizó el flujo de aire alrededor de los mismos, encontrándose que existen 3 regiones de flujo de aire en relación con el gradiente de velocidad del viento €. Estas 3 regiones son:
-Una en que las partículas tienden a ser arrojadas directamente sobre la superficie del aislador, formando depósitos cuya densidad depende del tamaño de las partículas. -Otra región donde las partículas se mueven relativamente rápido y por lo tanto, es poco probable que se adhieran y donde se observa, además, cierto efecto abrasivo sobre el aislador que tiende a mantenerlo limpio.
-Finalmente, una tercera donde la corriente de aire forman remolinos en donde las partículas permanecen un cierto tiempo y tienden a ser arrojadas por fuerzas centrifugas sobre la superficie del aislador, formando un depósito uniforme.
TIPO DE SUPERFICIE DEL AISLADOR
El tipo de superficie del aislador –liso o rugoso-es un factor determinante en el grado de depósitos de contaminantes.se ha encontrado que la cantidad de contaminantes depositados, varia linealmente con la rugosidad de la superficie. Finalmente, el grado de depósito de contaminantes es función de la naturaleza de la corriente, ya que las mismas condiciones aisladores colocados en sistemas de corriente directa tienden a atraer más contaminantes que los que se encuentran en sistemas de corriente alterna.
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Esto es en consecuencia que en corriente directa, la atracción por partículas por inducción electrostática tiene mayor eficiencia que en corriente alterna.
HUMECTACION DE LA CAPA CONTAMINANTE
Existen básicamente tres mecanismos mediante los cuales se puede humedecer la capa contaminante.
-Condensación superficial: se conoce como este nombre el fenómeno que se produce al formarse gotas de agua sobre una superficie, cuando su temperatura desciende a la del punto de roció del aire y la presión del ambiente se mantiene constante.
-Absorción hidrofilia: Es la propiedad de ciertas sustancias (sal común por ejemplo)para absorber agua del aire que los rodea.
-Colisiones el proceso mediante el cual, se humedecen las superficies expuestas al impacto de partículas de lluvia, llovizna, granizo, etc…
La humectación de la capa contaminante se presenta solo cuando la lluvia, llovizna etc... Son ligeras, ya que cuando estos son fuertes tienden a lavar el aislador.
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2.1.2 Tipos de Contaminación.
La contaminación en aisladores externos se origina por la acción de elementos naturales, tales como: la sal proveniente del mar, el polvo, el guano de aves; o por la expulsión de desechos industriales a la atmosfera. Los tipos de contaminación se clasifican en:
i) Rural
Asociada fundamentalmente con la rama agropecuaria. Es causada por la acción de los elementos del clima (temperatura, presión, viento, humedad y lluvia); y de las partículas depositadas en la superficie del aislador, tales como: polvo, vegetación, insectos, guano de aves, materia orgánica en putrefacción, etc.
Presenta los valores más bajos de contaminación y su tasa de crecimiento y saturación es neta. Las partículas que se adhieren a los aisladores se remueven fácilmente por la acción de la lluvia. En zonas de alta humedad se logran formar hongos en la superficie de los aisladores, pero esto no ocasiona altos niveles de contaminación.
ii) Salina
Contaminación natural producida por partículas de sal, principalmente de cloruro de sodio, provenientes de la brisa marina.
Esta contaminación es ocasionada por depósitos de sal marina en aisladores , estos depósitos se originan principalmente por la sal, brisa marina y tormentas costeras que depositan el contaminante ya húmedo sobre el aislador .así pues , en la contaminación salina , a diferencia de las desérticas , la ocurrencia del depósito contaminante en el aislador y su humectación son dos eventos simultáneos (aunque eventualmente , el aire podría depositar sal seca en el aislador y después esta ser humectada por la lluvia).
La sal es transportada por el viento desde el mar y puede alcanzar niveles muy altos de contaminación en pocas horas. Sin embargo, las variaciones en el medio ambiente hacen que la cantidad de contaminación descienda, en ocasiones, hasta niveles muy ligeros.
iii) Industrial
Contaminación artificial producida por la expulsión de desechos de las industrias a la atmosfera, principalmente a través de sus chimeneas.
Los desechos que arrojan cualquier tipo de plantas sobre las líneas de transmisión y subestaciones eléctricas ocasionan altos niveles de contaminación en periodos
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cortos. Además, dichos desechos de adhieren fuertemente a la superficie delos aisladores, ocasionando que se capte más contaminante en periodos largos.
En la contaminación industrial el depósito de contaminantes y su humectación son dos eventos que se dan por separado. Los tipos representativos de industria cuyas emisiones contaminantes ejercen efectos nocivos sobre las instalaciones eléctricas son agrupados como sigue:
- De refinación de hidrocarburos -Hulera
- Petroquímica -Papelería y maderera - Química -Del fertilizante
- Termoeléctrica -Del asfalto - Minero metalúrgica -Del plástico
- Siderúrgica -De alimentos balanceados - De la fundición -Harinera
- Cementera -Textil - Ladrillera -Vidriería
Existen lugares en donde se presentan la contaminación salina y la industrial simultáneamente, lo cual provoca reducción del nivel de aislamiento.
2.1.3Severidad.
Los valores máximos de contaminación que se registran en un sitio determinado en varios países cuenta ya con la clasificación de los niveles de contaminación y en la C.F.E., en donde se puede observar las características ambientales principales de cada uno de los niveles y los problemas característicos de fallas que se han observado; se dan recomendaciones de distancias de fuga en cm/KV fase a neutro.
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2.2 Flameo en Aisladores por Contaminación.
Durante la operación de las líneas de transmisión se pueden tener problemas con el aislamiento por varios factores, uno de ellos es la contaminación atmosférica que puede producir alteraciones en el comportamiento del aislador.
El fenómeno de flameo en aisladores contaminados se produce por la acción de tres factores: humedad, contaminación y tensión eléctrica.
La resistencia superficial en un aislador como se ve afectada por el depósito forma capas conductoras continuas cuando hay humedad. Las corrientes de dispersión en estas condiciones fluyen por estas capas y el agua se evapora en aquellas áreas en donde el producto de la densidad de corriente y la resistividad de la superficie es mayor.
Este procedimiento conduce a la formación de bandas de aislamiento secas de forma circular que tienden a ser cada vez más anchas hasta que la corriente de dispersión se reduce tan pequeña que no puede sostener evaporaciones subsecuentes.
La humedad o lluvias posteriores pueden traer como consecuencia que la resistencia del resto de porciones secas del aislador se reduzca gradualmente a pequeños flameos locales que ocurren sobre las secciones de las bandas secas sobre las cuales las mezclas de material contaminante se depositan. Una gran porción de la tensión total aparece entonces, las superficies húmedas y los arcos se extienden rápidamente a toda la superficie del aislador y se puede tener un flameo completo.
Los flameos por contaminación ocurren con frecuencia bajo condiciones de niebla o lluvia salina, aunque también cuando los aisladores por humos o polvos quedan cubiertas en forma de agua contaminada por la humedad o bien por agua contaminada propiamente y en algunas ocasiones por hielo contaminado.
El mecanismo de flameo se divide en cinco etapas:
a) Depósito de contaminantes y humidificación en la superficie del aislador. b) Reducción de la resistencia superficial y circulación de corriente de fuga. c) Formación de bandas secas en la superficie del aislador.
d) Ruptura dieléctrica del aire en las zonas secas donde se concentra el gradiente eléctrico (descargas superficiales)
e) Propagación de la descarga eléctrica a lo largo de la superficie humedad del aislador, completando el punteo del mismo.
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El proceso de flameo es el siguiente:
El depósito de partículas sobre la superficie del aislador produce un cierto nivel de contaminación. Debido a la acción de la lluvia, rocío o neblina, la capa de contaminación se humedece haciéndola eléctricamente conductora. Esta condición permite la circulación de corriente, produciendo zonas secas de alta resistencia eléctrica, las cuales producen altos gradientes de voltaje originando descargas en los extremos de las zonas secas. La unión de estas provoca el fenómeno de flameo, con la consecuente salida de operación del sistema eléctrico.
Siendo el problema de la contaminación tan importante por los efectos que tienen en el aislamiento de las líneas de transmisión aéreas, es necesario mencionar también los métodos que se conocen para prevenir los flameos por efectos de la contaminación, entre los que se pueden mencionar los siguientes:
Los aisladores se pueden lavar con la línea en vivo por medio de chorros de agua a alta presión lanzados con mangueras. Este método requiere de equipo costoso y el agua que se usa debe ser limpia desionizada y en lugares fríos se debe emplear agua caliente o anticongelante no conductor.
Baños de agua permanente en forma de regadera se pueden montar arriba de cada aislador o cadena de aisladores donde no se ha perfeccionado debido a que si el agua que se usa está contaminada, por ejemplo, se corre el riesgo de producir más flameos que sin usar este sistema.
En lugares con alto índice de contaminación la limpieza de aisladores se puede hacer manualmente y aunque resulta costoso es necesario. En este caso se debe poner fuera de servicio la instalación para llevarse a cabo esta función.
Los sitios para la localización de subestaciones y equipo tipo exterior se deben localizar cuidadosamente ya que la contaminación puede variar considerablemente entre dos áreas localizadas a 1km de distancia.
Los aisladores tipo alfiler que se usen en áreas de alta contaminación se deben seleccionar de tal forma que las “camisas” produzcan el máximo de beneficios cuando se tenga lluvia para lavado. En los aisladores tipo suspensión se tienen menos problemas de contaminación que en los aisladores tipo alfiler.
Dado que la superficie humedad de los aisladores casi no ofrece resistencia los extremos de las campanas deben estar entonces suficientemente espaciadas de manera que se tenga una trayectoria de dispersión suficientemente larga a través del aire entre campanas adyacentes y entre la campana inferior y el alfiler, para los aisladores tipo alfiler.
Los aisladores pueden ser recubiertos con una jalea de petróleo repelente al agua. La jalea es suave y suficiente para absorber las partículas sucias aislando unas de otras y previniendo que el agua no haga contacto con ellas, esta jalea debe ser químicamente estable y no cambiar su estado gelatinoso con los
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cambios de temperatura, una característica importante es que debe ser fácil de poner y quitar ya que se cambia cada 12 meses o más dependiendo de la cantidad de contaminación, actualmente se usa en subestaciones exteriores de 182KV y 230KV.
Las subestaciones tipo interior eliminan en forma efectiva los problemas de contaminación, pero como solución resultan demasiado caras.
Se están desarrollando aisladores de materiales distintos al vidrio o a la porcelana como por ejemplo el poli tetrafluoretileno (PTFT) que es más repelente el agua que le vidrio o la porcelana vidriada. Los aisladores recubiertos con PTFT o con silicón aislado aumentan su efectividad aproximadamente al doble.
Las torres de transmisión con sus secciones transversales (brazos) aislados con resinas a base de fibra de vidrio están en desarrollo también ya que esto puede reducir el esfuerzo eléctrico en las cadenas de aisladores sin aumentar el tamaño de la torre, estos brazos al estar horizontales son fácilmente lavados por la lluvia. Los principalmente problemas que se hacen tenido son la fragilidad mecánica y la erosión.
Se pueden emplear barnices semiconductores sobre los aisladores de porcelana con lo que se logra teóricamente una resistencia infinita a las corrientes dispersas, pero debido a que los barnices tienen un coeficiente de temperatura negativa(para la resistencia) la corriente de dispersión es del orden de 1mA. De esta forma la formación de humedad y anillos secos que conducen a los flameos se previenen.
La principal dificultad con este método es que la resistencia del barniz semiconductor aumente con el tiempo debido a la corrosión electrolítica.
Uso de los Aisladores especiales tipo poste con baño de aceite (interno) es otra posibilidad de solución.
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2.3
Métodos
de
Medición
del
nivel
de
contaminación.
La evaluación de la contaminación “severidad“ implica obtener toda la información necesaria para conocer la probabilidad de falla, debido a este parámetro, para diferentes tipos de aisladores instalados en un sitio y operando a un voltaje determinado. Los métodos de medición de la contaminación se clasifican en:
2.3.1 Métodos Directos
Son métodos utilizados para medir el nivel de contaminación por medio de muestreos en aisladores testigo, iguales a los de servicio o inclusive los de servicio.
La ventaja de estos es la confiabilidad de sus resultados, debido a que muestran el estado real del aislamiento.
Se utilizan principalmente cinco métodos:
i) Densidad Equivalente de Sal Depositada (DESD).
Esta técnica consiste en retirar el contaminante depositado en un aislador energizado o des energizado, el cual ha estado expuesto a la atmosfera en un determinado sitio y durante un cierto periodo de tiempo. El contaminante puede retirarse con agua destilada, efectuando una limpieza con una esponja o brocha. A la solución resultante se le mide su conductividad. Con la conductividad de la solución, volumen, temperatura, área del aislador y factores de corrección (temperatura-conductividad y concentración-conductividad) se obtiene el DESD. La figura 15 presenta el método de DESD.
