UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA REGION POZA RICA – TUXPAN

DISEÑO DEL AISLAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA

PRESENTA:

FELIPE IGNACIO CALLES MARTINEZ

ASESOR DE TESINA:

ING. RAMON CHAZARO APARICIO

POZA RICA DE HIDALGO. VER, OCTUBRE 2009

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INDICE INTRODUCCION CAPITULO I JUSTIFICACION………………………………………………………………………….................... 7 NATURALEZA SENTIDO Y ALCANZE DEL TRABAJO……………………………..................... 8 ENUNCIACION DEL TEMA………………………………………………………………................. 9 EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO………………………………................ 10 CAPITULO II DESARROLLO DEL TEMA.......................................................................................................12 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE INVESTIGACION..............................................................13 MARCO CONTEXTUAL............................................................................................................14 MARCO TEORICO....................................................................................................................15 SUBTEMA I. MATERIALES DIELECTRICOS 1.1 Definición de dieléctrico………………………………………………........................... 16 1.2 Dipolo eléctrico en el seno de un campo eléctrico………………............................. 17 1.3 Polarización de los dieléctricos…………………………………….............................. 18 1.4 Características principales de los dieléctricos……………………............................. 20 1.4.1 Resistividad (resistencia especifica)………………………………............................. 20 1.4.2 Permitividad (constante dieléctrica)………………………………............................. 23 1.4.3 Angulo de perdidas dieléctricas……………………………………........................... 24 1.4.4 Rigidez dieléctrica………………………………………………….............................. 28 1.5 Perforación en dieléctricos…………………………………………........................... 29 1.6 Perdidas dieléctricas en aislantes sólidos…………………………........................ 30 SUBTEMA II. AISLADORES EMPLEADOS EN LINEAS AEREAS 2.1 Concepto de aislador................................................................................................... 31 2.2 Funciones de los aisladores........................................................................................ 33 2.2.1 Forma de los aisladores.............................................................................................. 34 2.3 Características de los aisladores................................................................................. 35 2.3.1 Características eléctricas............................................................................................ 35 2.3.2 Características mecánicas.......................................................................................... 35 2.3.3 Propiedades conservadoras....................................................................................... 36 2.4 Clasificación del aislamiento eléctrico......................................................................... 37 2.4.1 Tipos de aisladores................................................................................................... 38 2.4.2 Aislador tipo suspensión.............................................................................................. 39 2.4.3 Aislador en tensión o amarre...................................................................................... 41 2.5 Ensayos en aisladores................................................................................................ 42 2.5.1 Ensayo de la calidad de la porcelana y del vidrio...................................................... .42 2.5.2 Ensayo de contorneamiento....................................................................................... 42 2.5.3 Ensayo de perforación................................................................................................ 43 2.6 Conductancia o perdictancia....................................................................................... 44 2.7 Distribución de tensión en una cadena de aisladores................................................ 45 2.7.1 Método del circuito equivalente.................................................................................. 46 2.8 Dispositivos de protección......................................................................................... 52 2.8.1 Aros equipotenciales................................................................................................. 53 2.8.2 Amortiguadores de vibración..................................................................................... 54

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SUB TEMA III. DISEÑO DE LOS AISLADORES Y COORDINACION DEL AISLAMIENTO

3.1 Tensión nominal y tensión máxima....................................................................................56 3.1.1 Impulso de rayo normalizado.............................................................................................57 3.1.2 Tensión permisible al impulso............................................................................................57 3.1.3 Nivel básico de aislamiento al impulso..............................................................................57 3.1.4 Conexión a tierra del neutro...............................................................................................58 3.2 Coordinación del aislamiento..............................................................................................59 3.2.1 Requerimientos básicos para la coordinación del aislamiento...........................................59 3.3 Sobretensiones en las redes eléctricas..............................................................................60 3.3.1 Sobrevoltajes permanentes de baja frecuencia debido a desequilibrios en las redes.......60 3.3.2 Sobrevoltajes transitorios de alta frecuencia debidos a la operación de interruptores......60 3.3.3 Sobrevoltajes transitorios debidos a descargas atmosféricas (rayos)..............................61 3.4 Generador de impulsos de Marx........................................................................................62 3.5 Características de aislamiento de los aisladores................................................................64 3.5.1 Nivel de aislamiento a baja frecuencia..............................................................................64 3.5.2 Nivel de aislamiento al impulso.........................................................................................65 3.5.3 Nivel de aislamiento para sobrevoltajes de alta frecuencia..............................................67 3.6 Efecto de las condiciones atmosféricas sobre los aislamientos externo..........................68 3.7 Pruebas de aisladores...................................................................................................... 70 3.7.1 Tensión sostenida a baja frecuencia................................................................................70 3.7.2 Tensión de flameo al impulso...........................................................................................70 3.7.3 Tensión critica de flameo al impulso.................................................................................70 3.7.4 Tensión al impulso (no disruptiva)....................................................................................70 3.7.5 Distancia de fuga............................................................................................................. 71 3.7.6 Distancia de flameo en seco........................................................................................... 71 3.8 Pruebas prototipo............................................................................................................ 71 3.8.1 Prueba de ciclo térmico (shock térmico).........................................................................71 3.8.2 Prueba mecánica............................................................................................................72 3.8.3 Prueba electromecánica.................................................................................................72 3.9 Pruebas de flameo..........................................................................................................73 3.9.1 Prueba de flameo al 50 % de la tensión de impulso.......................................................73 3.9.2 Prueba de tensión permisible al impulso (prueba de BIL)..............................................73 3.9.3 Prueba de flameo en seco por un minuto.......................................................................73 3.9.4 Prueba de flameo en húmedo y prueba de lluvia por un minuto....................................74 3.10 Pruebas de rutina...........................................................................................................74 3.10.1 Pruebas eléctricas de rutina...........................................................................................74 3.10.2 Pruebas mecánicas de rutina.........................................................................................74 3.11 Concepto de relación de impulso ...................................................................................75 3.12 Impedancia característica de la torre...............................................................................76 3.13 Resistencia de pie de torre..............................................................................................77 3.13.1 Esfuerzos de tensión en el aislamiento de las torres.....................................................77 3.13.2 Sombra eléctrica.............................................................................................................78 3.13.3 Numero de descargas directas en una línea..................................................................79 3.13.4 Cable de guarda..............................................................................................................79 3.13.5 Distribución en torres y vanos........................................................................................80 3.13.6 Salidas por falla de apantallamiento...............................................................................80 3.14 Diseño por sobretensiones de origen atmosférico..........................................................81 3.14.1 Índice de flameo en línea no acorazadas (sin cable de guarda).....................................82 3.14.2 Índice de flameos en líneas acorazadas (con cable de guarda).....................................83 3.14.3 Método de Burgsdorf Kostenko.......................................................................................84 3.14.4 Grado de aislamiento..................................................................................................... 85 3.14.5 Cálculo de la cadena de aisladores................................................................................86

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SUBTEMA IV CONTAMINACION EN AISLAMIENTOS EXTERNOS 4.1 Contaminación en aislamientos externos............................................................................87 4.2 Proceso de la contaminación en los aisladores..................................................................87 4.3 Composición de la materia contaminante...........................................................................88 4.3.1 Materia insoluble en suspensión.........................................................................................88 4.3.2 Materia soluble en suspensión............................................................................................88 4.4 Tipos de contaminación.......................................................................................................89 4.5 Etapas del flameo en los aisladores....................................................................................90 4.5.1 Formación de la capa contaminante....................................................................................90 4.5.2 Humectación de la capa contaminante................................................................................91 4.5.3 Secado de la capa contaminante.........................................................................................91 4.5.4 Descarga a través de las bandas secas..............................................................................92 4.5.5 Descarga parcial..................................................................................................................92 4.5.6 Flameos...............................................................................................................................93 4.6 Efectos contaminantes.........................................................................................................94 a. Excesiva corriente de fuga................................................................................................94 b. Flameos continuos............................................................................................................94 c. Perforación........................................................................................................................94 d. Corrosión...........................................................................................................................94 4.7 Soluciones al problema de la contaminación......................................................................95 4.7.1 Sobreaislamiento.................................................................................................................95 4.7.2 Aisladores de diseño especial.............................................................................................96 4.7.3 Limpieza manual..................................................................................................................96 4.7.4 Lavado de aisladores...........................................................................................................97 4.7.5 Recubrimientos....................................................................................................................99 CAPITULO III

CONCLUSIONES..........................................................................................................101 BIBLIOGRAFIA..............................................................................................................102 ANEXOS........................................................................................................................103 APENDICES..................................................................................................................106

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AGRADECIMIENTOS

A MIS PADRES, IGNACIO Y SILVIA., POR TODA SU AYUDA Y APOYO INCONDICIONAL., A MI FAMILIA, POR SU VALIOSO APOYO....

A MIS QUERIDOS TIOS.... SR. NICOLAS CALLES HERNANDEZ (FINADO) Y SU GENTIL ESPOSA SRA, SOCORRO PONCE VDA. DE CALLES.... POR SU APOYO

Y HOSPITALIDAD BRINDADOS DUARANTE TODA MI CARRERA.....

A MI ASESOR DE TESINA... ING. RAMON CHAZARO APARICIO.... POR VALIOSA AYUDA... Y POR LOS CONOCIMIENTOS TRANSMITIDOS DURANTE

MI CARRERA.....

Y... A TODOS AQUELLOS QUE HICIERON POSIBLE LA REALIZACION DE ESTE ESFUERZO....

FELIPE IGNACIO CALLES MARTINEZ

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INTRODUCCION

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 el aire.

Las modernas orientaciones tienden hacia los límites superiores, especialmente

cuando se trata de tensiones muy elevadas. Los casos especiales de nieblas,

salinas, polvos, o aire químicamente cargado deben ser estudiados aparte.

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

razonablemente, sino que deben ser construidos de manera que puedan resistir

condiciones mecánicas muy severas, descargas atmosféricas y arcos alimentados

por la corriente de servicio, sin dejar caer el conductor.

La producción de arcos por contorno del aislador debe ser evitada en todos los

casos, con la sola excepción del rayo, cualquiera 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. Se compone de una pieza de porcelana o vidrio templado, con adecuadas piezas 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; 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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JUSTIFICACION

Los constantes avances en el ámbito tecnológico, los procesos de manufactura y en el área de procesos, han incrementado en gran escala el consumo de la energía eléctrica con el fin de satisfacer sus necesidades, ello ha provocado el incremento en las tensiones de operación de las líneas de transmisión. Lo anterior condujo al incremento en el número de aisladores utilizados en las líneas, para proporcionar el adecuado aislamiento y la confiabilidad necesaria en el suministro de energía del sistema. Los métodos de análisis para el diseño del aislamiento de las líneas de transmisión están enfocados a soportar los sobrevoltajes que se produzcan en los sistemas eléctricos de potencia, por lo general estos métodos son de tipo probabilísticos, los cuales fueron desarrollados por ingenieros de países extranjeros (Estados Unidos, Rusia), en base a experiencias adquiridas en experimentación de campo y en laboratorios, estos métodos han sido tomados en nuestro país como base para el diseño del aislamiento de las líneas de transmisión. En general los métodos de protección contra sobrevoltajes, se guían con el objetivo de hacer máxima la confiabilidad del sistema con un costo de inversión razonable, por tal motivo el asunto de la calidad de la energía es de suma importancia y está transformando los métodos de diseño del aislamiento contra sobrevoltajes. El desarrollo del presente trabajo de investigación está enfocado, en la obtención de información clara y objetiva, de los fundamentos teóricos del diseño de los aisladores empleados en las líneas de transmisión, normas y estándares. De lo anterior se origina la necesidad de realizar un trabajo de investigación, que permita a los estudiantes y a los posibles lectores proporcionar los fundamentos teóricos – prácticos más importantes que intervienen en el diseño del aislamiento de las líneas de transmisión, de forma clara y precisa, para su conocimiento e integración al ámbito profesional.

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NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO. La naturaleza del presente trabajo se encuentra dentro de la modalidad de tesina, debido a las características que presenta en su desarrollo. Las extensas distancias a las que se transmite corriente eléctrica han aumentado junto con los niveles de voltaje de los sistemas, esto ha conducido a un aumento significativo en el número de aisladores de suspensión que se deben usar en las líneas de transmisión de energía. Actualmente el problema de aumento en el nivel de voltaje y proveer un aislamiento adecuado a dichas líneas se soluciona colocando más aisladores en serie, sin que la distribución de voltaje en el arreglo de aisladores sea asunto primordial. Sabemos que en la mayoría de los casos los conductores empleados en las líneas de transmisión son desnudos, (por lo general del tipo ASCR), por lo tanto, se necesita aislarlos de los soportes por medio de aisladores, fabricados generalmente con porcelana 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 tracción a los que está sometido. El objetivo del diseño 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. 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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ENUNCIACION DEL TEMA El tema Diseño Del Aislamiento De Líneas De Transmisión, muestra la información, de los parámetros más relevantes que interviene en el diseño de dichas líneas. Los aisladores de suspensión se utilizan en sistemas de potencia y energía para proporcionar aislamiento eléctrico y también como ayuda mecánica sosteniendo líneas de transmisión y distribución. Los aisladores de suspensión que están en servicio en líneas de potencia están expuestos a sobrevoltaje, y abuso mecánico severo (tormentas), rayos y arcos eléctricos. Es conocido que la distribución de voltajes entre los aisladores de una cadena no es equitativa entre dichos aisladores. Más aún, se sabe que los aisladores más cercanos la torre (potencial de tierra) soportan menos magnitud de voltaje que aquellos que se encuentran más cerca de la línea. 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. En efecto, frágiles por naturaleza, se ven sometidos a esfuerzos combinados, mecánicos, eléctricos y térmicos, colaborando todos ellos a su destrucción. Todo nuevo tipo de aislador necesita ser confirmado por un uso muy prolongado, dada la imperfección de nuestro conocimiento en esta materia. En la actualidad existe una gran variedad de aisladores para este tipo de redes, construidos a base de diferentes materiales. Generalmente se les encuentra formando cadenas de suspensión, formada por varias unidades.

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EXPLICACION 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 capitulo 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 capitulo, abarca el marco teórico de la investigación, el cual a su vez esta dividido en cuatro sub.- temas, que forman el tronco común del trabajo. El primer subtema, trata sobre el estudio de los materiales dieléctricos, sus principales características, propiedades y sus aplicaciones en la industria eléctrica. En el subtema dos, se trata el estudio de los aisladores, su concepto, funciones, clasificación, características más importantes, las normas y especificaciones más comunes. El subtema tres, abarca los principales aspectos que interviene en el diseño de los aisladores de las líneas de transmisión, las normas y especificaciones de diseño, a si como las principales pruebas realizadas a los aislamientos de la línea. El subtema cuatro, trata sobre el fenómeno de la contaminación en los aislamientos externos, sus efectos, consecuencias y las posibles alternativas de solución a dicho problema. 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 En condiciones ideales, el aislamiento de las líneas de transmisión debe ser capaz de soportar cualquier sobrevoltaje que se pueda presentar en el sistema en el cual operan, pero la longitud de las cadenas de aisladores y de las distancias mínimas de aire deberán ser tan grande, que por tal motivo el costo del aislamiento resulta ser exageradamente alto. Por consiguiente, el diseño del aislamiento de las líneas se planea de tal manera, que pueda soportar todo sobrevoltaje interno (producidos por la maniobra de interruptores y sobrevoltajes de baja frecuencia), pero no así todo impulso de voltaje provocado por descargas de origen atmosférico (sobrevoltaje externo). La esencia del método de aislamiento se explica a continuación:

1. La longitud de la cadena de aisladores y la de las distancias de aire se diseñan para soportar, los máximos sobrevoltajes que pueden presentarse en la línea en condiciones de humedad, ya sean de baja frecuencia o por accionamiento de interruptores.

2. Debido a que las características de flameo de impulso por maniobra de interruptores en una cadena de aisladores, está influenciada por la forma de onda del sobrevoltaje, deben checarse, factores como la puesta a tierra, condiciones de contaminación, la forma de los electrodos, entre otros más, y ser comparados con líneas patrón, las cuales reproducen las condiciones de operación de las cadenas tanto como sea posible, antes de hacer el diseño del aislamiento.

3. La longitud de las cadenas de aisladores, está determinada por las características de las ondas de accionamiento, por que la longitud necesaria es por lo general, mayor para los sobrevoltajes por switcheo que para los sobrevoltajes de baja frecuencia (60 hz).

4. Para evitar fallas por descargas atmosféricas, se recurre por lo general, a la disposición de cables de guarda y la reducción de la resistencia en la base de la torre (resistencia a pie de torre), así como el uso de interruptores de alta velocidad, y si es necesario, debe protegerse a la cadena de aisladores con dispositivos especiales llamados cuernos para arco.

5. Un factor determinante en el diseño del aislamiento, es el BIL (Nivel básico de aislamiento al impulso) que está basado en una de voltaje de 1.2 x 50 microsegundos, el tiempo de cresta es de 1.2 microsegundos, y está dentro del rango de onda por descargas atmosféricas, por lo que usualmente el diseño del aislamiento por rayo está coordinado en el BIL.

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PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACION El motivo 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 relativa a los principales elementos que intervienen en el diseño del aislamiento de líneas de transmisión, de manera práctica y objetiva para una mejor comprensión del mismo. Los elementos a tener en cuenta para el diseño de una línea de transmisión desde el punto de vista de descargas atmosféricas son:

Espaciamiento eléctrico

Cantidad de aisladores

Ángulo de apantallamiento

Sistema de puesta a tierra de las estructuras Los cuales son ajustados de modo que ofrezcan una tasa de salidas preestablecida según los criterios básicos del proyecto. Con respecto a los espaciamientos eléctricos de las líneas de transmisión, las exigencias atmosféricas tienen menor importancia a medida que el nivel de tensión se eleva, debido al aumento del nivel de aislamiento de las líneas de transmisión. La cantidad de aisladores de una línea de transmisión se diseña de tal forma que soporte todo “sobrevoltaje interno” (sobrevoltajes por maniobra y sobrevoltajes de baja frecuencia), pero no todo “sobrevoltaje extremo” (impulso de voltaje ocasionado por descargas atmosféricas). Lo anterior porque la longitud de la cadena de aisladores sería tan grande que el costo del aislamiento resultaría exageradamente alto. Con respecto a los sobrevoltajes de baja frecuencia se deben hacer correcciones por variables ambientales tales como: densidad relativa del aire, humedad absoluta y relativa, precipitación (lluvia), contaminación y viento (factor determinante del ángulo de balanceo). Pero cuando el aislamiento está sometido a impulsos de origen atmosférico no se hacen correcciones por variables ambientales porque no alteran el comportamiento del aislamiento (lluvia, humedad, etc.).

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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. El estado de Veracruz se localiza en la parte este de la Republica Mexicana, limita al norte con el estado de Tamaulipas, al sur con los estados de Chiapas, Oaxaca y Tabasco, al este con el golfo de México y al oeste con los estados de San Luís Potosí, Hidalgo y Puebla. Se encuentra dividido, en siete regiones naturales de norte a sur, que son: la Huasteca, la Sierra de Huayacocotla , el Totonacapan, las Grandes Montañas, las Llanuras del Sotavento, Los Tuxtlas y el Istmo de Tehuantepec. El municipio es la base de la división territorial y de la organización política de los Estados Unidos Mexicanos, nombre oficial de nuestro país, también llamado México o Republica Mexicana, el estado de Veracruz cuenta con una extensión territorial de 72105 Km2 (dato proporcionado por el INEGI, en el año de 1998), cuenta con un total de 212 municipios, una población de 6, 883, 273 habitantes, una densidad de población de 98 hab/Km2, la capital del estado es la ciudad de Xalapa de Enríquez, sede del gobierno del estado que actualmente preside el Lic. Fidel Herrera Beltrán, y sus ciudades principales son: Veracruz, Coatzacoalcos, Minatitlán, Poza Rica y Xalapa.

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INTRODUCCIÓN Las instalaciones eléctricas, deben aislarse las partes conductoras de corriente y de las conectadas a tierra, así como de aislarlas entre si. Esto es indispensable para dirigir correctamente la corriente eléctrica, en el circuito eléctrico. La técnica utiliza dieléctricos para este propósito, entre los cuales podemos mencionar los siguientes ejemplos: sólidos, líquidos y gaseosos. En este capitulo, se aborda el estudio de los materiales dieléctricos que se caracterizan por ser prácticamente aislantes debido a que sus cargas, denominadas cargas ligadas, no tienen tanta libertad de movimiento como en los conductores. Estos materiales están compuestos por átomos y moléculas cuya distribución interna de cargas se modifica en presencia de un campo eléctrico, de manera que las cargas negativas se desplazan con respecto de las positivas dando lugar, a su vez, a la modificación del campo eléctrico.

1.1 DEFINICION DE DIELECTRICO Los materiales dieléctricos son aquellos en los que las cargas elementales (electrones orbitales y protones del núcleo) están fuertemente ligadas de manera que no hay posibilidad de que haya desplazamientos macroscópicos de carga. Estos materiales son por lo tanto no conductores. “Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducen la electricidad, generalmente no metálicos con una alta resistividad, por lo que la circulación de corriente eléctrica a través de ellos es muy débil, debido al fuerte enlace entre sus electrones libres y su núcleo atómico, y por lo que pueden ser utilizados como aislantes”. Algunos ejemplos de dieléctricos líquidos más comúnmente utilizados en la ingeniería eléctrica son: el aceite para transformadores, de condensadores y cables, barnices y líquidos sintéticos; como dieléctricos gaseosos usados comúnmente se encuentran, el aire y el hexafloruro de azufré (SF6). Siendo los materiales dieléctricos sólidos, nuestro principal objetivo de estudio en este presente capitulo. Cada uno de estos grupos de dieléctricos tiene diferencias específicas. No obstante, en todos ellos tienen lugar los siguientes procesos físicos: en un campo eléctrico todos los dieléctricos se polarizan, lo que se relaciona con el ordenamiento interno de los mismos; bajo la acción de una tensión alterna tiene lugar una dispersión de energía que se transforma en calor, en los campos eléctricos intensos el dieléctrico puede ser destruidos, es decir, sufrir una ruptura después de la ruptura los dieléctricos adquieren gran conductividad.

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Los materiales dieléctricos sólidos se emplean fundamentalmente cuando además de efectuar una función aislante, también tienen que cumplir simultáneamente una función mecánica, esta puede ser la suspensión de un conductor (cadena de aisladores), el apoyo de una barra de tensión (aislador de soporte en una subestación) o simplemente la sujeción y amarre de piezas sometidas a diferencias de potencial.

1.2 Dipolo eléctrico en el seno de un campo E. El dipolo eléctrico se define como la agrupación de dos cargas puntuales iguales y de signo opuesto separada por cierta distancia, generalmente del orden de las dimensiones atómicas, los dipolos aparecen en cuerpos aislantes o dieléctricos, a diferencia de lo que ocurre en los materiales conductores, en los aislantes los electrones no son libres. Al aplicar un campo eléctrico a un material dieléctrico este se polariza dando lugar a que los dipolos eléctricos se reorienten en la dirección del campo disminuyendo la intensidad de éste. Uno de los aspectos más característicos de los dipolos, es que su comportamiento eléctrico esta determinado por su momento de dipolo eléctrico U, definido como:

ELqU )( ……… 1.1

A la expresión entre paréntesis, se le llama momento bipolar del dipolo y se designa por la letra P :

)( LqP ……….. 2.1

Fig.1.1 Dipolo eléctrico Fig.1.2 Polarización de un dieléctrico Donde q es el valor absoluto de las cargas eléctricas y L representa el vector

distancia dirigido desde la carga negativa hasta la carga positiva. El interés por el estudio de los dipolos eléctricos también reside en que las agrupaciones de las cargas que constituyen la materia, cuando se encuentran en presencia de un campo eléctrico se comportan de forma aproximada a como lo harían los dipolos eléctricos, bajo la acción de dicho campo.

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1.3 Polarización de un dieléctrico. Definición del vector polarización Vamos a estudiar cuál es el efecto de un campo eléctrico sobre un dieléctrico, comenzando por precisar que existen dos tipos de sustancias dieléctricas una de ellas caracterizada porque las cargas eléctricas, en cada una de sus moléculas, se encuentran distribuidas simétricamente, de forma tal que el centro de simetría de las cargas positivas coincide con el centro de las cargas eléctricas negativas, llamándose estas moléculas no polares; mientras que el otro tipo está caracterizado porque la distribución de la electricidad en sus moléculas no es simétrica, es decir, que el centro de simetría de las cargas eléctrica positivas no coincide con el centro de simetría de las cargas eléctricas negativas y, por consiguiente cada molécula constituye un dipolo eléctrico y recibe el nombre de molécula polar. La polarización eléctrica de un material es una magnitud vectorial definida como el momento dipolar eléctrico por unidad de volumen. Por tanto, si “p” es el momento dipolar inducido en cada átomo o molécula y “n” el número de átomos o moléculas

por unidad de volumen, la polarización es: npP , en general la polarización eléctrica tiene la misma dirección que el campo eléctrico aplicado. Si suponemos que las moléculas no son polares e imaginamos que el dieléctrico se encuentra entre dos placas metálicas cargadas respectivamente de electricidad positiva y negativa, entonces la distribución de la electricidad pierde su simetría en todas sus moléculas, dirigiéndose las cargas eléctricas negativas hacia la parte superior y las cargas positivas hacia la parte inferior, de tal forma que cada molécula se convierte en un dipolo eléctrico. En estas condiciones decimos que el dieléctrico está polarizado.

Fig. 1.3 Moléculas no polares en un dieléctrico En el caso de tratarse de moléculas polares, los dipolos eléctricos, que existen en cada molécula, en el caso de que no se encuentren en un campo eléctrico, están distribuidos con orientaciones distintas. Si ahora suponemos que el dieléctrico se encuentra en un campo eléctrico entonces las fuerzas del mismo dan lugar a un cambio de orientación de los dipolos que, sin embargo, no adquieren orientaciones paralelas, como ocurría anteriormente. No obstante, las cargas eléctricas negativas se encuentran siempre en la parte superior de los respectivos dipolos, mientras que las positivas se encuentran en la parte inferior.

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Fig. 1.4 Estos desplazamientos en el caso de los materiales aislantes están limitados a fracciones muy pequeñas del diámetro molecular debido a las intensas fuerzas restauradoras que se forman por el cambio de configuración de carga de la molécula. El efecto total desde el punto de vista macroscópico se visualiza con mayor claridad como un desplazamiento de toda la carga positiva en el dieléctrico con relación a la carga negativa. Se dice que el dieléctrico está polarizado, y que sus moléculas tienen un momento dipolar inducido. Una molécula de un dieléctrico consta de iones positivos y negativos y de electrones, siendo la cantidad de electrones libres en el dieléctrico muy pequeña. En la práctica un dieléctrico no es un aislador absoluto, en estado normal, las cargas elementales de la molécula de un dieléctrico cerca de los centros de equilibrio se encuentran en movimiento térmico, oscilante y desordenado. Si el dieléctrico se conecta a un circuito de corriente continua (condensador), bajo la acción de las fuerzas de campo eléctrico, las cargas elementales de las moléculas del dieléctrico se desplazaran en dirección de la fuerza que actúan sobre estas. Como resultado del desplazamiento de las cargas en el interior del dieléctrico, en el circuito surge una corriente temporal que se llama corriente de polarización. Examinemos otra corriente que puede fluir a través de un dieléctrico durante un tiempo prolongado, en un dieléctrico real siempre hay electrones libres e iones, por pequeña que sea su cantidad, hay que tomarlos en consideración. Bajo la acción del campo eléctrico los iones y electrones libres empiezan a desplazarse en el interior del dieléctrico, formando lo que se conoce con el nombre de: corriente de fuga. La magnitud de la corriente de fuga es en algunos casos considerablemente mayor que la corriente de polarización. Al pasar a través de un dieléctrico, la corriente de fuga, conforme a la ley de JOULE – LENZ, desprende calor, lo que es necesario tener en cuenta al hacer cálculos técnicos.

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Si conectamos un dieléctrico a un circuito de corriente alterna, el proceso de polarización pasara periódicamente tanto como en una como en otra dirección y en el circuito surgirá una corriente alterna; este proceso, el cual se repite ininterrumpidamente, exigirá gasto de energía ,el desplazamiento periódico de iones y electrones libres en el material dieléctrico provocara la corriente de fuga.

1.4 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE UN DIELÉCTRICO

RESISTIVIDAD ( RESISTENCIA ESPECIFICA)

PERMITIVIDAD (CONSTANTE DIELECTRICA)

ANGULO DE PERDIDAS DIELECTRICAS

RIGIDEZ DIELECTRICA

1.4.1 RESISTIVIDAD Se ha establecido anteriormente que un dieléctrico técnico en la práctica, no es un aislador en absoluto, por tal razón un dieléctrico deja pasar una corriente durante su trabajo, la magnitud de esta corriente es muy pequeña en comparación con las que pasan por las partes conductoras de una instalación eléctrica (conductores, cables, barras), la corriente tiene dos vías para su recorrido, a través del espesor del dieléctrico y por su superficie. La resistencia específica cúbica o volumétrica del dieléctrico permite evaluar la resistencia al paso de corriente eléctrica del dieléctrico mediante la corriente I vol a través de su volumen. Por medio de la resistencia especifica superficial, puede evaluarse la propiedad del dieléctrico, de oponer resistencia al paso de la corriente I sup a través de su superficie, de aquí el que se pueda comparar el menor o mayor carácter aislante de cada dieléctrico, para una mejor aplicación posterior.

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Las corrientes cúbicas y superficiales del dieléctrico (refiérase a las corrientes que circulan por el volumen y la superficie del dieléctrico), son muy pequeñas por lo general en todos los dieléctricos de aquí es de donde proviene el carácter aislante. Las siguientes figuras muestran lo explicado anteriormente:

Fig. 1.5 Corriente de fuga en un dieléctrico

Fig. 1.6 Resistividad volumétrica de un dieléctrico

fugaI

supI supIIvol

S

h

23

La corriente total, corriente de fuga fI es igual a la suma de corrientes: la que

pasa a través del espesor (volumen) del dieléctrico volI y la que pasa por la

superficie del dieléctrico supI . Expresando lo anterior en forma matemática se

obtiene la siguiente relación: fI = volI + supI . ……… )3.1(

Al pasar por dos vías, la corriente supera a la resistividad volumétrica volR , y a la

resistividad superficial supR . La resistividad total del aislamiento en el dieléctrico

aisR , esta determinada por:

sup

sup

RR

RRR

vol

vol

ais

……… )4.1( , de donde asiR =

fI

U; …… )5.1(

La resistividad de la unidad de volumen se llama resistividad volumétrica y se

designa mediante U . Por unidad de resistividad volumétrica se toma la de un

cubo, de un material dado, con una arista de 1cm, la unidad para medir la resistividad volumétrica es el ohmio- centímetro (Ω cm.) y se determina por la formula:

volR = Us

h …. )6.1(

Donde: h = espesor del dieléctrico en cm. s = área de la cara lateral en cm2. La resistencia de superficie del dieléctrico se llama resistividad superficial y se

designa con s , y se mide en ohmios (Ω).

Como unidad de resistividad superficial se toma la resistencia de un rectángulo, (de cualquier dimensión) escogido arbitrariamente en la superficie del material, si la corriente pasa a través de los lados opuestos de este rectángulo, la resistividad superficial se determina por la fórmula:

supR = sb

a ; …………. )7.1(

Donde: a = distancia entre los electrodos colocados paralelamente b = espesor de los electrodos.

24

Fig.1.7 Resistividad superficial de un dieléctrico

1.4.2 PERMITIVIDAD (constante dieléctrica) La permitividad es una magnitud que caracteriza la capacidad del dieléctrico colocado entre las armaduras de un condensador. Como es sabido, la capacidad de un condensador plano depende de sus características geométricas, (cuanto mayor sea el área de las placas, mayor será su capacidad), de la distancia entre las placas o del espesor del dieléctrico (tanto más grueso sea el dieléctrico, tanto menor será la capacidad), así como del material para cuya características sirve la permitividad. En forma matemática lo anterior se expresa como se indica a continuación: “La capacitancia C de un condensador es la razón entre la magnitud de la carga en cualquiera de los conductores y la magnitud de la diferencia de potencial entre ellos”.

V

QC

, ……….. )8.1(

Donde:

C = Capacitancia en, FfaradiosV

C, .

Q Carga en Columbios

V Diferencia de potencial en voltios.

La permitividad es numéricamente igual a la relación entre la capacidad de un capacitor con cualquier dieléctrico y la capacidad de un condensador igual, pero con aire como dieléctrico. En forma matemática se expresa como:

OC

C ……… )9.1(

a

supI

ab

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La permitividad es una constante física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vacío ( ) es: La permitividad esta determinada por la habilidad de un material de polarizarse en respuesta a un campo eléctrico aplicado y, de esa forma, cancelar parcialmente el campo dentro del material. Está directamente relacionada con la susceptibilidad eléctrica. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma cantidad de carga eléctrica sea guardada con un campo eléctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo.

1.4.3 ANGULO DE PERDIDAS DIELECTRICAS Se ha analizado anteriormente ejemplos de conexión de un dieléctrico a circuitos de corriente alterna y continua, resulta ser que durante el trabajo de un dieléctrico real en un campo eléctrico formado por la corriente alterna, se desprende energía térmica; la potencia que se absorbe en estos casos se denomina: pérdidas dieléctricas. Las pérdidas dieléctricas son proporcionales al cuadrado de la tensión, a la frecuencia de la corriente alterna, a la capacidad del condensador y a la tangente de pérdidas dieléctricas; por consiguiente, en cuanto mayor es tan δ, tanto mayor serán las pérdidas de energía en el dieléctrico. En un dieléctrico ideal la corriente capacitiva adelanta en la fase a la tensión en 90º, mientras que en uno real la corriente capacitiva adelanta a la tensión en un ángulo menor de 90º; sobre la disminución de este ángulo ejerce influencia la corriente de fuga que se denomina también corriente de conducción, la diferencia entre 90º y el ángulo de desfasaje (entre la tensión y la corriente que pasa en el circuito con dieléctrico real) se llama ángulo de pérdidas dieléctricas o ángulo de pérdidas y se designa con la letra δ (delta). Esto se puede explicar mejor usando el siguiente razonamiento: Cuando un dieléctrico esta sometido a una diferencia de tensión, circula a través de

el una corriente que tiene tres componentes: una corriente capacitiva ( CI ), una

corriente de absorción ( AI ) y una corriente de conducción cuyo valor esta limitado

por la resistencia ohmica del material ( RI ).

m

F1210854.8

26

Cuando el dieléctrico esta sometido a una tensión continua, la corriente total disminuye con el tiempo, hasta alcanzar un valor constante correspondiente al valor de la corriente de fuga. Si el dieléctrico esta sometido a una tensión alterna, las tres corrientes que determinan el valor total de corriente queda establecido durante todo tiempo que el dieléctrico esta bajo la acción de tensión alterna.

RAC IIII ………. )10.1(

De acuerdo a la expresión anterior un dieléctrico se puede representar por medio del siguiente circuito equivalente:

I

Fig. 1.8 Circuito equivalente de un dieléctrico

La corriente de absorción Ia tiene dos componentes una activa ( )'aI y otra

capacitiva )''( aI el diagrama vectorial de corrientes es el siguiente:

CIc

Ra

Ra

Ca

V

Ia

Ir

Ir

27

aI ' Ir

Fig. 1.9 Diagrama vectorial del circuito equivalente de un dieléctrico

Al diagrama vectorial anterior también se le conoce con el nombre de diagrama vectorial de perdidas en los dieléctricos bajo la acción de corriente alterna. El diagrama vectorial anterior es la representación más exacta, pero su aplicación resulta laboriosa, por lo que para fines prácticos, se emplea el diagrama vectorial de pérdidas en dieléctricos simplificado, el cual se muestra a continuación: Ic Ic I

Ia Fig. 1.10 Diagrama vectorial simplificado Donde:

Ia = Corriente total = IraI ' …………………. )11.1(

Ic Corriente capacitiva total = aI '' + cI ' ……... )12.1(

I Corriente de fuga El ángulo se conoce como ángulo de pérdidas dieléctricas.

aI ''IA

cI´

I

IaV

V

V

C

Rr

Ia

Fig. 1.11 Circuito equivalente

28

La tensión y corriente activa que se disipa en forma de calor es calculada mediante la expresión:

cos VIIaVP ; ……………………………… )13.1(

Y la potencia reactiva esta dada por:

)90(cosPr senVIVIIV . …………. )14.1(

Del diagrama vectorial se tiene:

Ic

IaTAN ………… )15.1( ; Por lo tanto, 1 TAN ( )

Ic

Ia……….. )16.1(

La corriente capacitiva esta dada por la expresión:

Xc

VIc ………. )17.1( ; de donde,

cXc

1 =

fc2

1………….. )18.1(

cV

c

VIc

1

…………….. )'18.1(

cTANVIa ……… )19.1(

Las perdidas activas y reactivas son:

TANcVIaVPa 2 …… )20.1(

cVVIc 2Pr ……………….. )21.1(

Se acostumbra llamar a la TAN δ, tangente del ángulo de pérdidas dieléctrica, y determina las pérdidas en un dieléctrico que se encuentra bajo la acción de una corriente alterna; depende de la naturaleza del dieléctrico, de la frecuencia y de la temperatura. Cuándo se tienen corrientes de fuga muy pequeñas, el ángulo δ es muy pequeño y en estas condiciones el factor de potencia (FP):

TANSENCOS

29

1.4.4 RIGIDEZ DIELECTRICA La capacidad de un dieléctrico de soportar una tensión dada sin perforarse, se llama rigidez dieléctrica. La rigidez dieléctrica es principal cualidad de los materiales aislantes, la intensidad del campo eléctrico dentro de cuyos límites puede trabajar normalmente el material aislante, no debe superar un valor bien determinado. Esta propiedad muy importante de los dieléctricos nos permite evaluar su capacidad de oponerse a la acción destructiva de las fuerzas eléctricas, a cierto valor de la intensidad tiene lugar la alteración del funcionamiento del dieléctrico, su material es perforado por una chispa que se transforma en un arco, el dieléctrico pierde sus propiedades aislantes, su resistencia decae bruscamente y las partes conductoras que estaban separadas antes por un cuerpo aislante se ponen en corto circuito, y tiene lugar la perforación del dieléctrico. La tensión que ocasiona la perforación en el dieléctrico se llama: tensión disruptiva

disrU .

Una destrucción del dieléctrico provocaría la unión de los conductores, y traer consigo graves consecuencias en la instalación eléctrica, la magnitud de la intensidad máxima del campo eléctrico, a la que ocurre la ruptura del dieléctrico, se llama rigidez dieléctrica. En forma matemática la rigidez dieléctrica se expresa de la siguiente manera:

,,cm

KV

h

UEdisr …………… )23.1( O bien,

mm

KV.

Donde: U = tensión aplicada (KV) h = espesor del dieléctrico (cm. o mm) Con lo anterior puede establecerse que en su aplicación practica, el material aislante no debe encontrarse bajo una tensión que pueda provocar la perforación del dieléctrico.

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En definitiva, la rigidez dieléctrica de los materiales depende principalmente de: - La heterogeneidad del campo eléctrico aplicado, y por extensión de la forma de los conductores, - Naturaleza e intensidad de la ionización de las incrustaciones de gas, y -Cambios químicos que pueda experimentar el material. La rigidez dieléctrica o tensión de perforación de un dieléctrico no es una constante porque depende de las propiedades físicas del material, condiciones del medio ambiente y naturaleza y duración de la tensión aplicada así como de la frecuencia con que el material la sufre.

1.5 PERFORACION EN DIELECTRICOS Se pueden distinguir dos tipos de perforación: eléctrica y térmica. Junto a estos dos tipos es necesario considerar también la perforación por ionización, que es el resultado de la ionización del gas alojado en las pequeñísimas cavidades o burbujas que pueden tener los materiales dieléctricos sólidos o líquidos. Perforación eléctrica en un dieléctrico sólido La perforación eléctrica consiste en la destrucción de la estructura de la sustancia bajo la acción de fuerzas del campo eléctrico. En un campo eléctrico débil las cargas eléctricas de las moléculas se desplazan de modo elástico, pero si la intensidad del campo alcanza la magnitud disruptiva, las partículas cargadas saltan de las posiciones iniciales, lo que conduce a la perforación del dieléctrico. Examinemos ahora la perforación térmica en los dieléctricos sólidos Como se sabe, hallándose un dieléctrico en un campo eléctrico alterno se desprende calor a cuenta de las perdidas dieléctricas, siendo negativo el coeficiente de temperatura de la resistencia, el calentamiento del material irá acompañado de la disminución de la resistencia del dieléctrico, esto traerá un aumento de la corriente que pasa por el dieléctrico y un aumento; de este modo el proceso de calentamiento va creciendo cada ves mas hasta que el material se destruye (carboniza, funde, etc.). La temperatura también es importante. El deterioro de los aislantes a temperaturas elevadas es gradual. Se manifiesta principalmente por resecarse o carbonizarse el material, lo que lo hace quebradizo, haciéndole perder resistencia mecánica más que rigidez dieléctrica. Tras una carbonización severa, la rigidez dieléctrica puede quedar muy perjudicada, pero el fallo se asocia más generalmente a defectos mecánicos del aislante originado por vibraciones o esfuerzos mecánicos en los cortocircuitos.

31

1.6 PERDIDAS DIELECTRICAS EN LOS AISLANTES SÓLIDOS La mayoría de los aislantes sólidos cuando se encuentran bajo la acción de un campo eléctrico variable, permite el paso de una corriente pequeña ya que se comportan en parte como conductores, esto ocasiona pérdidas que se manifiestan en forma de calor. La energía disipada de esta forma se debe a las pérdidas dieléctricas que son básicamente de dos tipos:

a) Pérdidas por conducción ( muy pequeñas y de poca importancia) b) Pérdidas por polarización Las pérdidas por conducción aparecen en los aislantes por efecto de traslación de cargas eléctricas que pueden ser electrones libres o iones. La conducción eléctrica se debe al movimiento de los electrones libres (en pequeñas cantidades) que existen en todos los materiales aislantes. La conducción iónica aparece en los materiales capaces de producir iones, que tienen una movilidad que depende en gran parte de la temperatura, la traslación de los mismos origina una corriente eléctrica que engendra calor y pérdidas de energía. Pérdidas de polarización; se deben al movimiento de los dipolos que tienden a orientarse por la acción de un campo eléctrico, en estas pérdidas la frecuencia es muy importante, ya que para corriente continua o frecuencias muy bajas no hay perdidas considerables, lo mismo ocurre con frecuencias elevadas, pero existe un rango de frecuencias en el que las pérdidas si son considerables, debido a que la constante dieléctrica varía con la frecuencia, dicha constante afecta también a las pérdidas por polarización. El máximo de las pérdidas por polarización se presenta a una frecuencia para la cual se tienen mayores variaciones de la constante dieléctrica; la variación de la constante dieléctrica con la frecuencia es de la forma:

fo

f1

2 ……………… )22.1(

Donde: α y β son constantes y 0f es el valor de la frecuencia que

corresponde a la máxima dispersión.

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CONDICIONES GENERALES

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 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 tracción a los que está sometido.

2.1 CONCEPTO DE AISLADOR

Los aisladores son los elementos cuya finalidad consiste en aislar 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.

Fig. 2.0 Herrajes para aisladores

33

El paso de la corriente del conductor al apoyo puede producirse por las causas siguientes:

Por conductividad del material: es decir a través de la masa del aislador. Para evitar esto se emplean materiales cuya corriente de fuga es despreciable (Ej.: Vidrio, porcelana, polímeros.)

Por conductividad superficial: se produce cuando una corriente de fuga contornea la parte exterior del aislador por aumento de la conductividad, esto es ocasionado por haberse depositado en la superficie del aislador una capa de polvo o humedad.

Esta conductividad recibe el nombre de efecto corona y suele reducirse dando un perfil adecuado a la superficie del aislador.

Por perforación de la masa del aislador: al ser muy difícil mantener la uniformidad dieléctrica de un material en toda su masa, existe el peligro de que se perfore el aislador, sobre todo si el espesor es grande. Por ello, los aisladores suelen fabricarse en varias piezas de pequeño espesor unidas por una pasta especial.

Por descarga disruptiva a través del aire: puede producirse un arco entre el conductor y el soporte a través del aire, cuya rigidez dieléctrica a veces no es suficiente para evitar la descarga. Esto suele ocurrir con la lluvia, debido a la ionización del aire, y se puede evitar con un diseño adecuado para aisladores de intemperie, tratando de aumentar la distancia entre aislador y soporte de forma que la tensión necesaria para la formación del arco en el aire sea mayor.

Aislador flameado

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Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, las cualidades específicas que deben cumplir los aisladores son: 1.- Rigidez dieléctrica suficiente para que la tensión de perforación sea lo más elevada posible. Esta rigidez depende de la calidad del vidrio o porcelana 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. 2.- 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 o distancia de fuga. 3.- 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. 4.- Resistencia a las variaciones de temperatura. 5.- Ausencia de envejecimiento.

2.2 FUNCIONES DE LOS AISLADORES

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.

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2.2.1 FORMA DE LOS AISLADORES La forma de los aisladores está en parte bastante ligada al material, y se puede hacer la siguiente clasificación: AISLADORES DE CAMPANA: (también llamados de disco) Generalmente varios forman una cadena, se hacen de vidrio o porcelana con insertos metálicos que los articulan con un grado de libertad (horquilla) o dos (caperuza y vástago,). AISLADORES DE BARRA: Los hay de porcelana, permiten realizar cadenas de menor cantidad de elementos (mas cortas), la porcelana trabaja a tracción y existen pocos fabricantes que ofrecen esta solución, especialmente si se requieren elevadas prestaciones, ya que no es una solución natural para este material, en cambio es la solución natural de los aisladores de suspensión compuestos. Mientras que para la porcelana se limita la longitud de la barra y en consecuencia para tensiones elevadas se forma una cadena de algunos elementos, para el aislador compuesto siempre se realiza un único elemento capaz de soportar la tensión total. AISLADORES RIGIDOS: En tensiones bajas y medias tienen forma de campana, montados sobre un perno, y se realizan de porcelana o vidrio. A medida que la tensión crece, tamaño y esfuerzos también, y se transforman en aisladores de columna aptos para soportar esfuerzos de compresión y de flexión y pueden asumir la función de cruceta en líneas de diseño compacto. En estos casos pueden ser de porcelana y modernamente de materiales compuestos, cuando el esfuerzo vertical a que se somete la "viga" aislante es muy elevado se agrega un tensor del mismo material (inclinado 45 grados generalmente) dando origen a una forma de V horizontal. Los aisladores se completan, como ya indicado, con insertos metálicos de formas estudiadas para la función, y que tienden a conferir movilidad (en las cadenas) o adecuada rigidez (en las columnas). Para evitar solicitaciones anormales e indebidas de los elementos aislantes, los casos mas comprometidos se resuelven con fusibles mecánicos instalados del lado del conductor o del lado base y que al romperse permiten el giro del aislador, cargándose entonces en forma mas favorable. Al especificar los aisladores se resaltan dos tipos de características, que deben combinar por su función, las mecánicas, y las eléctricas.

36

2.3 CARACTERISTICAS DE LOS AISLADORES

2.3.1 CARACTERISTICAS MECANICAS Los aisladores de cadena deben soportar solo cierta tracción 7000, 16000 o más Kg., los aisladores rígidos deben soportar cierta compresión, y/o cierta flexión. Los ensayos de características mecánicas se hacen con solicitación eléctrica simultánea, al estar sometidos a las inclemencias del tiempo una característica muy importante es la resistencia al choque térmico (que simula el pasar del pleno sol a la lluvia), también por los sitios donde se instalan, los aisladores son sometidos a actos vandálicos (tiros con armas, proyectiles pétreos o metálicos arrojados), es entonces importante cierta resistencia al impacto. Frente a estas solicitaciones el comportamiento de los tres tipos de materiales es totalmente distinto, el vidrio puede estallar, siendo una característica muy importante que la cadena no se corte por este motivo. La porcelana se rompe perdiendo algún trozo pero generalmente mantiene la integridad de su cuerpo, mecánicamente no pierde características, solo son afectadas sus características eléctricas.

2.3.2 CARACTERISTICAS ELECTRICAS Los aisladores deben soportar tensión de frecuencia industrial e impulso (de maniobra y/o atmosféricos), tanto en seco como bajo lluvia, influyen en la tensión resistida la forma de los electrodos extremos del aislador. Una característica importante es la radió interferencia, ligada a la forma del aislador, a su terminación superficial, y a los electrodos (herrajes), en las cadenas de aisladores, especialmente cuando el número de elementos es elevado la repartición de la tensión debe ser controlada con electrodos adecuados, o al menos cuidadosamente estudiada a fin de verificar que en el extremo crítico las solicitaciones que se presentan sean correctamente soportadas. La geometría del perfil de los aisladores tiene mucha importancia en su buen comportamiento en condiciones normales, bajo lluvia, y en condiciones de contaminación salina que se presentan en las aplicaciones reales cerca del mar o desiertos, o contaminación de polvos cerca de zonas industriales.

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La contaminación puede ser lavada por la lluvia, pero en ciertos lugares no llueve suficiente para que se produzca este efecto beneficioso, o la contaminación es muy elevada, no hay duda de que la terminación superficial del aislante es muy importante para que la adherencia del contaminante sea menor, y reducir el efecto (aumentar la duración).La resistencia a la contaminación exige aumentar la línea de fuga superficial del aislador, esta se mide en mm/kv (fase tierra), y se recomiendan valores que pasan de 20, 30 a 60, 70 mm/kv según la clasificación de la posible contaminación ambiente.

2.3.3 Propiedades conservadoras de los aisladores:

El aislador debe ser impermeable, para evitar que penetre agua en su cuerpo.

El aislador no debe ser poroso, para evitar que penetre a su cuerpo sustancias no aislantes,

Debe ser muy liso, para presentar gran dificultad a la formación de depósitos sobre la superficie del aislador y además, para en caso de lluvia, el agua no escurra por el cuerpo del aislador de manera continúa y así pueda el aislador bajo estas condiciones mantener la línea aislada.

El aislador debe tener una forma especial que tiene que ver fundamentalmente con la conservación de la resistencia eléctrica, bajo condiciones de lluvia y también que ver con la resistencia mecánica del aislador, pero no en su conservación.

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2.4 CLASIFICACION DEL AISLAMIENTO ELÉCTRICO Generalmente los aisladores se clasifican de acuerdo al nivel de voltaje y tipo de instalación en la cual son utilizados, por ejemplo existen aisladores para líneas de transmisión, redes de distribución y subestaciones. Los aisladores empleados en líneas de transmisión son fabricados usualmente de porcelana, vidrio templado y materiales sintéticos. Los aisladores de porcelana vidriada por lo general contiene un 50% de caolín, un 25% de feldespatos y un 25% de cuarzo, la porcelana debe ser moldeada por procedimientos en húmedo, debe ser compacta y su superficie debe ser vitrificada, la porcelana eléctrica posee excelentes propiedades para ser utilizada como aislante eléctrico, tales como alta resistencia dieléctrica, alta resistencia mecánica, elevado punto de fusión, inercia química, etc. La resistencia dieléctrica de los aisladores de porcelana es del orden de los 60 a los 70 KV/ cm y su resistencia mecánica varia de unos 40,000 a 65,000 lbs/plg2 a la compresión y de 1500 a 12,500 lbs/plg2 a la tensión. Por su parte los aisladores fabricados a base de vidrio templado, tienen una resistencia dieléctrica del orden de 140 KV/cm, estos aisladores son mecánicamente más fuertes que los de porcelana a la compresión y tiene aproximadamente la misma resistencia mecánica a la tensión que los de porcelana. Según su forma los aisladores de vidrio se subdividen en: estándar, utilizados en líneas de baja polución, anticontaminación con dos formas distintas y mayor línea de fuga, aerodinámicos, de forma plana para facilitar su autolimpiado por la lluvia y el viento, y esféricos, de las mismas características que el anterior pero más resistentes al vandalismo. En términos generales, estos tipos de aisladores presentan ciertas ventajas unos con respecto a otros, así entonces los aisladores de vidrio templado tienen las siguientes ventajas sobre, los de porcelana:

Debido a su composición se pueden observar las perforaciones y constituciones no homogéneas a simple vista.

Después de una onda de sobrevoltaje en un aislador deteriorado se puede identificar más fácilmente, debido a que el vidrio se estrella y la porcelana se rompe cuando falla el dieléctrico.

El vidrio tiene un menor coeficiente de expansión térmica, lo cual minimiza los esfuerzos por cambios súbitos en la temperatura ambiente.

39

2.4.1 TIPOS DE AISLADORES AISLADOR TIPO CAPERUZA Y VASTAGO Este tipo de aislador se encuentra sometido principalmente a esfuerzos de tensión su forma física esta caracterizada por estar formada por una caperuza y un vástago de acero galvanizado, unidos a los extremos de un disco elaborado con un material aislante (generalmente de porcelana o vidrio templado), mediante un resistente cementado. Caperuza. Es una pieza de fundición maleable o dúctil galvanizada en caliente, está ensamblada con la pieza de vidrio de forma adecuada (cemento, etc.) para soportar las solicitaciones termomecánicas. En la parte superior de la caperuza tiene un alojamiento de rótula comprendiendo además el dispositivo de enclavamiento mediante un pasador sencillo de acero inoxidable tipo R para asegurar el acoplamiento con otras unidades. Vástago. Es una pieza de acero forjado galvanizado en caliente, está ensamblada con la pieza de vidrio mediante cemento aluminoso, colocado sobre el vástago puede montarse el electrodo de sacrificio, consiste en un manguito de zinc utilizado como protección frente a la contaminación salina o industrial. Se les encuentra instalados principalmente en forma vertical (suspensión), los principales modelos usados en el mundo son el estándar, niebla, superniebla, aerodinámico, etc.

Fig.2.1 Aislador tipo caperuza y vástago

40

2.4.2 AISLADOR TIPO SUSPENSIÓN Se encuentra sometido principalmente a esfuerzos de tensión, su concepción física es parecida a la del aislador tipo caperuza y vástago, presentando variantes en las dimensiones y en la forma del vástago; generalmente se les encuentra suspendido en forma horizontal, y al material empleado en su fabricación es por lo regular el vidrio templado. Estos aisladores se usan casi exclusivamente en líneas de tensión superior a 66 kv, en vanos largos y con conductores pesados. Las unidades o discos modernos de caperuza y vástago han dado resultados muy satisfactorios y se han adoptado progresivamente para hacer frente a las necesidades de las más altas tensiones y de la construcción más pesada, con simplicidad y economía. Una unidad aisladora del tipo suspensión, según la norma ANSI C29.1, es un ensamble de una pieza de porcelana y herrajes metálicos, provista de medios de acoplamiento no rígidos a otras unidades o herrajes terminales según se muestra en la Fig.2.2, un aislador de suspensión típico se distingue los siguientes elementos:

1. ESMALTE 2. ARENA CERAMICA 3. CEMENTO 4. OJAL O CUENCA 5. PINTURA BITUMINOSA 6. CUERPO CERAMICO 7. PERNO METALICO (POSADOR O BOLA)

Figura 2. 2. Componentes de un aislador tipo suspensión

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Las líneas de transmisión aéreas en alta tensión se aíslan por medio de estos aisladores, debido a que al aumentar las tensiones de operación de las líneas, el costo de los aisladores tipo alfiler aumenta, por lo que resulta antieconómico su uso en tensiones elevadas. Tal como su nombre lo indica, en este tipo de aisladores de suspensión el conductor se suspende por debajo del soporté por medio de estos aisladores. La tensión de arco por contorno en cadenas tipo suspensión, casi proporcional a la distancia a tierra en el aire y aproximadamente igual a la tensión de arco entre varillas con la misma distancia, a 60 hz y con las sobretensiones que se originan en las maniobras. En la práctica, el número de discos o unidades que conforman la cadena de aisladores es aproximadamente proporcional a la tensión, con ligero aumento para las tensiones más altas y con cierto margen en la longitud de cada unidad. Para la tensión de 69 kv se usan de 4 a 6 unidades, para 115 kv de 7 a 9, para 138 kv de 8 a 10, para 161 kv de 12 a 14, para 230 kv de 14 a 20.

TENSIÓN NOMINAL

( KV)

NBI AL IMPULSO (KV)

NUMERO DE AISLADORES STÁNDAR TIPO SUSPENSION RECOMENDADO (254mm x 145mm) Df 305mm

69

115

138

161

230

400

350

500

650

750

900

1250

4 -6

7 -9

10 -12

12 - 14

14 – 20

20 – 24

Tabla 2.1 Número de aisladores estándar (254x146mm) tipo suspensión para diferentes tensiones de transmisión usadas en México.

42

2.4.3 AISLADORES DE TENSIÓN O AMARRE Un conjunto de unidades de suspensión dispuestas al extremo o final de una línea, en una estructura, se denomina aislador de amarre o de tensión, estos aisladores deben soportar el pleno esfuerzo de tracción y han de ser calculados con un amplio factor de seguridad para la máxima cantidad de hielo y presión del viento; el esfuerzo máximo que pueden resistir los aisladores y sus herrajes debería ser equiparado al de los conductores. Es práctica corriente proteger las cadenas de amarre o final de la línea, especialmente contra el deterioro debido a arcos, empleando dos o tres o discos adicionales e instalando cuernos a anillos de guarda.

Figura 2. 3 Forma de las cadenas de aisladores

43

2.5 Ensayos de aisladores

Someter a los aisladores a una serie de ensayos nos permite comprobar si poseen

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.

2.5.1Ensayo de la 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 presentarán

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 luz ordinaria y polarizada, comprobando la

ausencia de fisuras y de burbujas.

2.5.2 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 soporte metálico y el

conductor.

El ensayo se realiza sometiendo al aislador a una 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.

El ensayo se realiza también bajo lluvia artificial controlada con una inclinación de

45º 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.

44

Fig. 2.3.1. Ensayo de contorneamiento

2.5.3 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 frecuencia industrial, la perforación del aislador no puede ser obtenida estando

rodeado 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 lo cual se puede elevar la tensión de prueba hasta obtener la

rotura o la perforación del aislador.

45

2.6 CONDUCTANCIA O PERDITANCIA

Ningún aislador es perfecto todos dejan pasar una pequeña corriente (corriente de fuga), esta corriente puede pasar a través del volumen del aislador o a través de su superficie llamándose respectivamente corriente de fuga volumétrica y corriente de fuga superficial. Los valores de estas corrientes son muy pequeños, sin embargo en cálculos estrictos es necesario tomarlos en cuenta. Al paso de estas corrientes se oponen una resistencia característica: Una resistencia volumétrica y una resistencia superficial, estas resistencias se encuentran en paralelo por lo que la resistencia equivalente esta dada por: …………….. EC 2.0

Figura 2.4. Circuito equivalente de un aislador

Donde:

= corriente de fuga en el aislador = Angulo de pérdidas dieléctricas

RsRv

RsRvq

Re

V

'I

I

'I

46

2.7 DISTRIBUCION DE TENSIONES EN UNA CADENA DE AISLADORES GRADIENTE DE POTENCIAL En el diseño del aislamiento en sistemas de alta tensión, tanto por razones económicas como de seguridad, es necesario conocer la distribución del campo eléctrico y del potencial del elemento dominante, cosa que ha tomado vital importancia con la tendencia y la necesidad actual de incrementar las tensiones en la transmisión de la energía eléctrica. Se observará que la distribución de potencial y del campo eléctrico no es lineal, esto quiere decir que cada aislador esta sometido a un valor diferente de tensión dependiendo de su ubicación en la cadena. En una cadena de aisladores el gradiente de potencial no es el mismo en todas las unidades o elementos, debido a la capacitancia de los herrajes de cada unidad respecto a tierra, las corrientes capacitivas no son iguales entre una unidad y otra, y el gradiente de potencial a lo largo de la cadena no es uniforme, la caída de tensión es máxima en la unidad contigua al conductor, y conforme se alejen los aisladores del conductor será más débil. Un aislador puede representarse eléctricamente por un condensador formado a su vez por otros en serie y cuyos dieléctricos son la porcelana y el vidrio, tal condensador es imperfecto y la corriente que lo atraviesa tiene una componente activa (en fase con la tensión) debido a varios tipos de pérdidas y otra componente en cuadratura con la anterior, producida por la capacidad. Cuando los aisladores se encuentran a la intemperie, por efectos de la contaminación, la superficie conductora aumenta y con esto la capacidad, aumentando de manera simultanea la corriente de pérdidas por la reducción de la distancia de flameo o fuga, resaltando así una disminución en la tensión de formación del arco, en comparación con la de un aislador limpio y seco.

47

2.7.1 Método del circuito equivalente Con el objeto de ilustrar el comportamiento de una cadena de aisladores durante su operación en un línea de transmisión, es conveniente llevar a cabo el estudio de la distribución de tensiones a lo largo de una cadena de aisladores, tomando en cuenta la capacitancia que se forma en el aire, entre cada unión y la de las torres que están conectadas a tierra. En una cadena de aisladores se manifiestan varios grupos de capacidades, asociadas a las diferentes partes que la constituyen, tales son:

1. La capacidad debida al dieléctrico del aislador (porcelana, vidrio o material

del que este hecho) entre la cuenca y el pin de cada unidad, siendo la

capacitancia de cada aislador del orden de los 30 Pf (pico faradios) la cual

representaremos por la letra (C).

2. La capacidad entre las partes metálicas (herrajes) y el terminal de tierra

(torre), debida principalmente al dieléctrico del aire, siendo capacidades de

dispersión, esta capacitancia esta dada para el mas alto valor de tensión del

sistema y la mayor distancia entre la cadena y la torre y es del orden de 3

a 6 Pf . Por lo general la capacitancia formada entre el conductor y la torre

es muy pequeña y no tiene efecto en la distribución de potencial de la

cadena de aisladores, esta capacidad la representaremos por (Ce).

3. La capacidad entre cualquier elemento metálico de la cadena y todos los

demás elementos metálicos de la misma.

4. La capacidad entre las partes metálicas (herrajes) y el conductor de fase, (k).

La determinación exacta de Cpm es muy compleja y su efecto aunque notorio no es de los mas significativos, por lo general suele despreciarse en la mayoría de los casos, según las mediciones la capacidad K es muy pequeña comparada con la capacidad Ce siendo siempre menor que el 10 % con lo cual, al despreciarla, se simplifica mucho el circuito equivalente.

48

La siguiente figura muestra un arreglo de capacitancias para el caso teórico de una cadena de 4 aisladores, la cual tomaremos de ejemplo para nuestro estudio. En está figura se omiten por razones de simplicidad las capacitancias entre los elementos metálicos de la torre (Cpm) y la capacitancia entre los herrajes y el conductor (K), pero en cálculos estrictos debe ser tomado el valor de dicha capacitancia, para mejores resultados.

Fig. 2.4. Arreglo de capacitancias para el caso de 4 aisladores.

Como se deduce de la simple inspección de la figura, la corriente de capacidad a través del elemento más próximo a la línea es mayor que la de todos los demás y va disminuyendo en cada uno de ellos con su lugar de colocación, en el orden conductor-soporte, sucediendo lo mismo con la diferencia de potencial sufrida por los mismos y cuya expresión es:

ZIV ………. 2.1

Cj

IV

……. 2.2

C

jZ

………2.3

49

Donde: i Corriente capacitiva

C= Capacitancia que representa a cada aislador Frecuencia natural, ( f2 )

Ce = capacitancia de cada elemento a tierra Vn = potencial de la línea Vn-1= potencial en la unión de los dos últimos elementos De la figura anterior se deduce que, las corrientes de capacidad están en fase (adelantadas 2/ ), aplicando las leyes de Kirchhoff a cada unión de la torre, se

tiene el siguiente sistema de ecuaciones:

i1 = i1’ + i1’’………………. 2.4 i1’ = i2’ + i2’’ ……………….. 2.5 i2’ = i3’ + i3’’………………. 2.6 Como en general se verifica que CVI , el sistema anterior se transforma como

sigue:

1211 )()( nnnnn cVVVCVVC …………… 2.4’

23221 )()( nnnnn cVVVCVVC ………… 2.5’

34332 )()( nnnnn cVVVCVVC ………… 2.6’

Dividiendo el sistema anterior por C y haciendo C

cK , obtenemos:

1211 )()( nnnnn KVVVVV ……….. 2.4’’

23221 )()( nnnnn KVVVVV ……… 2.5’’

34332 )()( nnnnn KVVVVV ……… 2.6’’

50

Finalmente despejando los valores de voltaje deseados, se obtiene el siguiente sistema de ecuaciones:

21)2( nnn VVKV ………. 2.4’’’

321 )2( nnn VVKV ……… 2.5’’’

432 )2( nnn VVKV ……… 2.6’’’ Una vez determinadas las ecuaciones características para el cálculo del potencial en una cadena de aisladores, procederemos a resolver un ejemplo sencillo. Sea una cadena de aisladores de tipo suspensión con tres unidades sometidos a una tensión de 75 KV, para un valor constante de K = 0.2, determine la tensión que soporta cada aislador. Supóngase para fines prácticos de estudio, el siguiente arreglo de capacitores mostrado en la siguiente figura.

Figura 2.5 Arreglo de capacitores para el ejemplo estudiado

e

e

51

Aplicando las formulas obtenidas anteriormente se tiene:

21)2( nnn VVKV ………. 2.4’’’

321 )2( nnn VVKV ……… 2.5’’’

432 )2( nnn VVKV ……… 2.6’’’ Por tratarse de una cadena de solo 3 aisladores, se sabe por deducción que el

voltaje 03 nV , por lo que el sistema se reduce solo a:

21)2( nnn VVKV … 2.7

21 )2( nn VKV ……… 2.8

Sustituyendo valores y realizando las operaciones correspondientes, queda:

Si KVVn 75 y 2.0K .

Sustituyendo en la EC… 2.7

21)2.2(75 nn VVO …….. 2.7’

212.275 nn VV …………. 2.7’’

Sustituyendo en la EC… 2.8

21 )2.02( nn VV ………… 2.8’

21 )2.2( nn VV ……………. 2.8’’

Sustituyendo la ECU… 2.8’’ en la EC… 2.7’’, se obtiene:

22 )2.2(2.275 nVVn

2284.475 nn VV

284.375 nV , Por lo tanto al despejar la incógnita se tiene:

KVVn 5.1984.3

752

52

Sustituyendo este valor en la ECU…. 2.8’’ se tiene:

21 )2.2( nn VV ;

KVVn 9.42)5.19)(2.2(1

Por lo tanto de acuerdo a los resultados anteriores podemos establecer lo siguiente: El aislador más cercano a la torre (apoyo) soporta una tensión de: KV5.19

El siguiente aislador soporta una tensión igual a:

KVVV nn 4.235.199.4221

Y por ultimo el aislador más cercano al conductor soporta una tensión igual a:

KVVV nn 10,329.42751 .

Con este ejemplo queda demostrado lo estudiado anteriormente, en lo cual se estableció que el reparto de potencial en una cadena de aisladores no es lineal, y que por lo tanto existirá una desigual repartición de voltaje, siendo esta menor en el aislador mas cercano a la torre incrementándose su magnitud a lo largo de la cadena y teniendo un potencial máximo en el aislador más cercano al conductor. Otro concepto interesante y que tiene gran importancia en el diseño del aislamiento de líneas de transmisión es el de “eficiencia de la cadena”, que no es más que una medición de la utilización del material en la cadena, y esta dada por la siguiente expresión: Tensión de arqueo para n aisladores Eficiencia de la cadena = … 2.9 n (tensión de arqueo para cada aislador) También suele expresarse como: Tensión en una cadena de aisladores Eficiencia de la cadena = …. 2.10 n (tensión en cada aislador) De acuerdo a lo anterior la eficiencia de la cadena para el ejemplo estudiado será igual a:

Eficiencia de la cadena %88.777788.01.323

75000

53

2.8 Dispositivos de protección El daño recibido por los aisladores en caso de arco es un serio problema de mantenimiento, y se han ideado diferentes dispositivos para conseguir que en caso de saltar el arco, se mantenga apartado de la cadena de aisladores. Tales dispositivos han resultado útiles, pero los adelantos en los métodos de protección de líneas aéreas mediante cable a tierra y el uso limitado, pero relativamente afortunado, de los tubos de explosión, no solo han reducido los daños en los aisladores, sino que han mejorado el comportamiento del conjunto de la línea. La primera medida de precaución consistió en pequeños cuernos o antenas fijados a la grapa se encontró sin embargo, que para obtener resultados eficaces era necesario disponer de antenas bien abiertas, no solo en la grapa, sino también en la parte superior del aislador, bajo tensiones de choque o descargas atmosféricas, especialmente, el arco tiende a saltar en cascada en la cadena de aisladores, y las pruebas demostraron que la separación entre los cuernos debía ser considerablemente inferior a la longitud de la cadena de aisladores. Por ello, la protección con cuernos o antenas produce una reducción de la tensión de arco o exige un aumento del número de unidades y de la longitud de la cadena de aisladores.

Fig. 2.6 cuernos de arqueo para un aislador

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2.8.1 AROS EQUIPOTENCIALES Son anillos que dan la misma protección que las puntas de arqueo al aislamiento de las líneas de transmisión. Los anillos de protección, pantalla reguladora del gradiente de potenciales, resultan más eficaces, los ensayos con tensión de choque o impulso demuestran que si el diámetro de los anillos guarda la debida proporción con la longitud de la cadena, puede evitarse la descarga en cascada sobre los aisladores, incluso con ondas de frente muy recto o escarpado, la eficacia de estos anillos consiste en que tienden a igualar el gradiente a lo largo del aislador y a producir un campo más uniforme, con ello la protección conseguida no se limita simplemente a ofrecer una distancia explosiva más corta para el arco, como en el caso de las antenas los anillos eficaces son de diámetro más bien ancho, y, tratándose de cadenas de suspensión, debe comprobarse que la distancia a las torres o estructuras sea por lo menos igual que al distancia entre anillos.

Fig. 2.7 Aros equipotenciales

55

2.8.2 AMORTIGUADORES DE VIBRACION Los amortiguadores de vibración absorben la energía de las vibraciones actuando como amortiguador y perturbador del movimiento vibratorio, los amortiguadores se aseguran en el cable a una determinada distancia de las clemas y sustraen del cable la energía de vibración, poniendo masas en movimiento.

Fig. 2.8 Amortiguadores de vibración

56

3.0 DISEÑO DEL AISLAMIENTO El diseño eléctrico de las líneas de transmisión determina el tipo, tamaño y número de conductores del haz por fase, los conductores de fases se seleccionan para tener la suficiente capacidad térmica para satisfacer la corriente en forma continua, sobrecargas de emergencia y las capacidades de corriente de corto circuito. El diseño eléctrico también se encarga de determinar el número de discos de unidades de aisladores, tanto en posición vertical o en forma de V, y el espacio libre de fase a fase y de fase a torre, todo seleccionado para proporcionar un adecuado aislamiento de la línea, el aislamiento de la línea debe soportar sobretensiones transitorias debidas a rayos y a operaciones de conexión y desconexión, incluso cuando los aisladores están contaminados por sales marinas o residuos industriales. El número, tipo y ubicación de los cables de guarda se seleccionan para interceptar las descargas atmosféricas, que de lo contrario chocarían con los conductores de fase, a si mismo el diseño eléctrico del aislamiento de las líneas de transmisión, también se ocupa de la selección adecuada de la red de tierras al pie de la torre, con el fin de reducir la resistencia, mediante el uso de varillas clavadas en la tierra o con un conductor enterrado ( llamado también toma de tierra equilibrada) que corre paralelo a la línea. La altura de la línea se selecciona para satisfacer los espacios libres preescritos del conductor a tierra y para controlar el campo eléctrico al nivel del suelo y su potencial de choque eléctrico.

57

TERMINOLOGIA

3.1 TENSIÓN NOMINAL Y TENSIÓN MAXIMA DEL SISTEMA El valor efectivo de la tensión de fase a fase (entre fases), para la cual un sistema eléctrico se diseña, se conoce con el nombre de “tensión nominal del sistema”. En condiciones normales de operación la tensión puede variar hacia arriba o debajo de esta tensión nominal. En virtud de que la coordinación del aislamiento se refiere con la máxima elevación de esta tensión denominada “máxima tensión del sistema”, se consideran solo las tensiones superiores a la nominal, ya que tienen gran importancia para el aislamiento del sistema, debido a que en ocasiones se puede operar durante horas y a veces hasta días con estas tensiones. Normalmente la máxima tensión permisible de un sistema, se expresa como un porcentaje sobre la tensión nominal, y es sobre estas máximas tensiones del sistema, en que se basan todos los niveles de aislamiento y las normas internacionales (IEC 38), recomiendan las tensiones preferidas. En la Republica Mexicana se usan los valores indicados en la tabla que se muestra a continuación, correspondiente a las tensiones nominales normalmente usadas en transmisión.

Tensión nominal del sistema en KV

69 115 230 400

Máxima tensión del sistema en KV

72.5 123 245 420

TABLA 3.1 TENSIONES NOMINALES USADAS EN LA REPUBLICA MEXICANA Por otra parte los valores recomendados por la norma IEC 38, son los que se indican en la siguiente tabla:

Tensión nominal del sistema en KV

.415 11 33 66 132 275 380

Máxima tensión del sistema en KV

.475 12 36 72.5 145 300 420

TABLA 3.2 TENSIONES NOMINALES RECOMENDADAS POR LA IEC 38

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3.1.1 IMPULSO DE RAYO NORMALIZADO Es un impulso en forma de onda completa que tiene un tiempo de frente de onda con un valor de 1.2 microsegundos (μs) y un tiempo de cola de 50 μs, que se presenta cuando la onda adquiere un valor equivalente la 50% de la cresta, por lo general la terminología técnica describe esto como un impulso de: s502.1 .

3.1.2 TENSIÓN PERMISIBLE AL IMPULSO

Se denomina así al valor de la cresta del impulso que puede ser aplicado al aislamiento bajo prueba sin que se produzca falla o descarga disruptiva.

3.1.3 NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO AL IMPULSO Es un valor de referencia para la resistencia del aislamiento al impulso, expresado en términos de valor de cresta de la tensión permisible al impulso de rayo normalizado. En la tabla siguiente, se dan los valores de niveles de aislamiento al impulso de rayo normalizado para líneas de transmisión en la Republica Mexicana. NIVELES DE AISLAMIENTO AL IMPULSO DE RAYO NORMALIZADO PARA ALGUNAS TENSIONES NOMINALES EN LINEAS DE TRANSMISION.

TABLA 3.3 Niveles de aislamiento al impulso para algunas tensiones normalizadas

Tensión nominal en KV

Tensión máxima en KV

Nivel básico al impulso de rayo normalizado

( NBI ) KV

69 115 230 400

72.5 123 245 420

350 550 750 850 900 1050 1300 1425

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3.1.4 CONEXIÓN A TIERRA DEL NEUTRO El factor de conexión a tierra o “factor de aterrizaje” de un sistema, es la relación de la mayor tensión r.m.s. de la línea a tierra en una fase no fallada, durante una falla de línea a tierra a la tensión r.m.s. de línea a línea que se tendría cuando la falla a tierra sea eliminada. Se dice que un sistema esta efectivamente aterrizado, si está relación no excede el 80%, y no efectivamente aterrizado, si excede este valor. La condición de efectivamente aterrizado se obtiene en forma aproximada, cuando la relación de la

reactancia de secuencia cero a la reactancia de secuencia positiva )(1

0

X

X, es menor

que tres. Nivel de aislamiento y nivel de protección Hasta el momento el nivel de aislamiento de una parte de un equipo se define como la relación de su impulso y tensión permisible. La tensión permisible de impulso o “nivel de aislamiento al impulso” se verifica por pruebas de sobretensión de impulso y son frecuentemente referidas como, “nivel básico de aislamiento al impulso “o “prueba de BIL (NBI) “. El nivel de aislamiento al impulso esta relacionado con la máxima tensión del sistema, por las tablas dadas en la norma de la Comisión Internacional de Electrotecnia (IEC71). En la Republica Mexicana para los niveles de subtransmisión y transmisión, se recomiendan los valores dados en la tabla anterior. El nivel de protección al impulso de un dispositivo de protección es la mas alta tensión (valor cresta) que aparece en sus terminales cuando una tensión de impulso de forma de onda estándar se aplica bajo condiciones especificas, este nivel de tensión se denomina frecuentemente “nivel de protección” del sistema al cual el dispositivo protección esta conectado.

60

3.2 COORDINACION DEL AISLAMIENTO La definición más acertada se encuentra contenida en la publicación del SEV (Asociación de Ingenieros Electricistas Suizos) del año de 1947, cuya traducción puede formularse en los siguientes términos: “se entiende por coordinación del aislamiento, a todas aquellas medidas que tienen como finalidad evitar fallas en el sistema como consecuencia de las sobretensiones que se generan el mismo, al igual que la propagación de estas sobretensiones en aquellos sitios del sistema donde causen el menor daño, siempre y cuando sea económicamente viable y tratando en lo posible de que el suministro de energía no se vea interrumpido”. La definición citada anteriormente, ilustra a manera de ejemplo, que es preferible una falla en una de las líneas de transmisión y no en una de las subestaciones, donde los daños serian mayores, pues allí se encuentran concentrados los equipos de mayor costo. 3.2.1 REQUERIMIENTOS BÁSICOS DE LA COORDINACIÓN DEL AISLAMIENTO Para prevenir fallas por aislamiento, el nivel de aislamiento de los diferentes elementos conectados al sistema debe ser mayor que la magnitud de las sobrecorrientes transitorias que aparecen en el sistema. La magnitud de las sobrecorrientes transitorias esta usualmente limitada a un nivel de protección por medio de dispositivos de protección y entonces el nivel de aislamiento tiene que estar por arriba del nivel de protección para un mejor margen de seguridad. Normalmente el nivel de aislamiento al impulso se ha establecido en un valor del orden de 20 al 25 % arriba del nivel de protección, verificando este valor con pruebas de sobretensión al impulso (con una onda de 1.2 /50 μs). Desafortunadamente, tanto la coordinación del aislamiento como el nivel de protección dependen de un número de condiciones que no pueden ser expresadas precisamente como simples números. El nivel de protecciones de las distintas partes de una instalación, depende entre otras cosas de la magnitud y repetición, así como de la polaridad de la sobretensión aplicada.

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3.3 SOBRETENSIONES EN LAS REDES ELECTRICAS La elección del nivel de aislamiento de los sistemas eléctricos, el diseño de los aisladores de las líneas de transmisión, y de las subestaciones, está condicionada por la magnitud y forma de los sobrevoltajes que se puedan producirse. Estos sobrevoltajes podemos clasificarlos en tres grupos:

1. Sobrevoltajes permanentes de baja frecuencia debido a desequilibrios en las redes.

2. Sobrevoltajes transitorios de alta frecuencia debidos a la operación de interruptores.

3. Sobrevoltajes transitorios debidos a descargas atmosféricas (rayos). Los dos primeros grupos de sobrevoltajes son conocidos como de origen interno, debido a que son causados por fenómenos que tienen su origen en el sistema mismo. El tercer grupo de sobre voltajes tiene su origen en fenómenos externos al sistema eléctrico y pueden llamarse sobrevoltajes de origen externo. A continuación daremos una breve descripción de estos tipos de sobrevoltajes. 3.3.1 Sobrevoltajes permanentes de baja frecuencia debido a desequilibrios en las redes.

Estos sobrevoltajes se producen a la frecuencia nominal del sistema, debido a fallas monofásicas o bifásicas a tierra o por la apertura de una o dos fases. Este tipo de sobrevoltajes persistirán mientras no se haga desaparecer las condiciones de desequilibrio que los produjeron. 3.3.2 Sobrevoltajes transitorios de alta frecuencia debidos a la operación de interruptores. Se caracterizan por presentar oscilaciones de alta frecuencia (de 400 a 300 ciclos por segundo) que se amortiguan en un tiempo del orden de mil microsegundos, la amplitud de la oscilación de frente de onda de estos sobrevoltajes, depende entre otros factores, del voltaje de operación del sistema, pero principalmente depende de la conexión del punto neutro del sistema y también de la distribución de las inductancias y capacitancias. En los casos más desfavorables, por ejemplo la desconexión de líneas de transmisión largas, la amplitud de la oscilación transitoria puede alcanzar valores del orden de dos o hasta tres veces la tensión normal de operación si no se toman medidas preventivas para limitarlas.

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3.3.3 Sobrevoltajes transitorios debidos a descargas atmosféricas (rayos). Las descargas eléctricas atmosféricas son las producidas por golpes directos de rayos sobre las líneas de transmisión o sobre los hilos de guarda. Estas sobretensiones son las más peligrosas por ser mucho más altas en magnitud que las de origen interno teniendo valores que comprenden varios cientos de miles de voltios, se incluyen en este grupo, las sobretensiones que tienen una procedencia exterior a la instalación y en los que por tanto sus amplitudes no están en relación directa con la tensión de servicio de la instalación afectada. La siguiente figura muestra la forma típica de una onda de corriente debida a un rayo, el tiempo en que alcanza el valor de cresta es del orden de uno a diez microsegundos (1- 10 μs) y decae en un valor de la mitad del valor de cresta en unos diez a cien microsegundos (1-100 μs), el valor pico de la cresta puede ser del orden de unos 100,000 amperes (100 KA).

Fig. 3.1 Forma típica de una onda producida por rayo. Los aisladores de una línea de transmisión no pueden soportar tales sobretensiones en consecuencia se producen descargas y se forman arcos sobre los aisladores que perduran a un cuando la sobretensión desaparece, siendo la tensión de servicio de las líneas de alta y media tensión suficiente para mantenerlos en el canal del aire ionizado.

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La interrupción de sistemas con punto neutro directamente conectado a tierra se efectúa mediante los interruptores, ya que el arco produce un corto circuito monofásico. Las descargas directas de rayos sobre las líneas producen sobrevoltajes mucho más elevados que los inducidos y son una de las principales causas de interrupción en las líneas. Los sobrevoltajes producidos por las descargas de rayos son impulsos unidireccionales de muy corta duración (decenas de microsegundos), con un frente escarpado y la cola de disminución muy lenta, se estima que el 70% o mas de las descargas atmosféricas tienen una magnitud de cresta igual a, o mayor que 2000 KV, registrándose un valor máximo de 20,000 KV. Para reproducir las ondas de voltaje producidas por rayos en los laboratorios y poder normalizar las pruebas de aislamiento al impulso, se ha definido una forma de onda como la mostrada en la Fig. 3.2, que se considera típica de las producidas por rayos. Como se ve en dicha figura, el tiempo que para alcanzar el valor de cresta es de 1.5 μs y el tiempo en que la onda decrece a la mitad del valor de cresta es del orden de 40 μs.

Fig. 3.2 Forma típica de onda normalizada para representar un impulso de voltaje debido aun rayo.

I

st

KA100

s2.1 s50

KA50

64

3.4 GENERADOR DE IMPULSOS DE MARX Para reproducir los impulsos de voltaje debidos a rayos, en los laboratorios, se emplea el generador de Marx, que consiste esencialmente una serie de condensadores, separados por explosores, que se cargan en paralelo a través de resistencias alimentadas por la fuente de corriente continua, cuando la carga de cada condensador alcanza un valor suficientemente alto, la diferencia de potencial entre los explosores hace saltar un arco entre estos quedando conectados los condensadores en serie, lo que produce un alto voltaje en forma de un impulso positivo o negativo (dependiendo de cómo se haya conectado el circuito de carga). Este impulso de voltaje se aplica al aislamiento que se desea probar. La forma de la onda de voltaje producida por el generador de impulsos queda determinada por los valores de las resistencias, inductancias y capacitancias del circuito de carga; en la figura se muestra esquemáticamente el diagrama del generador de impulsos de Marx.

Fig. 3.3 Generador de impulsos de Marx

65

3.5 Características de aislamiento de los aisladores Para poder seleccionar los aisladores para una aplicación determinada, es necesario conocer su comportamiento al aplicable los tres tipos de sobrevoltajes que pueden presentarse en un sistema eléctrico de potencia. 3.5.1 Nivel de aislamiento a baja frecuencia Los aisladores están sometidos normalmente a una diferencia de potencial de baja frecuencia (60 hz), resultante del voltaje de operación del sistema en que están instalados, podrán también estar sometidos a sobrevoltajes de baja frecuencia en casos de fallas monofásicas o bifásicas a tierra, cuya magnitud depende de las características del sistema. Además, si los aisladores están colocados a la intemperie, que es el caso mas frecuente en las instalaciones en alta tensión, habrá que considerar su comportamiento en condiciones de atmósfera seca y húmeda. El parámetro dominante en el comportamiento de los aisladores sometidos a voltajes de baja frecuencia es la longitud del contorno del aislador o línea de fuga superficial, que determina la resistencia que ofrece el aislador al paso de la corriente por su superficie; en condiciones atmosféricas normales se considera adecuada una longitud de 25 cm. de línea de escape superficial por cada mil volts de fase a tierra; en atmósferas contaminadas es necesario aumentar la longitud de esta línea, utilizando aisladores de diseño especial. Los aisladores se diseñan de manera que el valor del voltaje necesario para perforar el aislamiento sea mayor (por lo menos del orden de un 30%) que el voltaje necesario para flamear exteriormente al aislador. El nivel de aislamiento de los aisladores para sobrevoltajes de baja frecuencia, en atmósfera seca, esta determinado por la longitud de la línea de flameo en seco, en atmósfera húmeda, el nivel de aislamiento para sobrevoltajes de baja frecuencia esta determinado por la longitud de la línea de flameo en húmedo, que en aislador mostrado en la figura es la suma de los segmentos de la recta d + e + c, que son normales a la superficie del aislador.

66

FIG. 3.4 Dimensiones características de un aislador La figura anterior muestra los principales parámetros de un aislador, el segmento de líneas punteadas es la longitud de escape superficial, también llamada distancia de fuga, la suma de los segmentos de recta a+ b+ c, es conocida como línea de flameo en seco y la suma de los segmentos de recta d + e + c, es conocida como línea de flameo en húmedo. 3.5.2 Nivel de aislamiento al impulso El comportamiento de un aislador sometido a impulsos de voltajes similares a los producidos por rayos depende principalmente de su longitud y en grado menor de la geometría del aislador, el valor al que se flamea un aislador sometido a impulsos de voltaje depende tanto de la magnitud de los impulsos como del tiempo que estén aplicados. Si se somete un aislador a una serie de impulsos de voltaje de forma de onda normalizada (1.5 x 40 μs) y de diversos valores de cresta y se traza la gráfica determinada por el valor de cresta de cada onda y el tiempo que tarda en producirse el flameo del aislador se obtiene la curva mostrada en la figura 3.5, que se llama curva voltaje – tiempo del aislador.

67

FIG. 3.5 Curva voltaje tiempo que caracteriza el comportamiento de un aislamiento

sometido a impulsos eléctricos. El voltaje de flameo al impulso crítico Vc de un aislador se define como el valor de cresta de la onda que causa flameo del aislador en la cola de la onda el 50% de la veces que se aplica una onda normalizada de dicha magnitud; el nivel de aislamiento al impulso Vi (BIL) de un aislador es el valor de cresta de la onda de mayor magnitud que soporta el aislador sin flamearse.

68

3.5.3 Nivel de aislamiento para sobrevoltajes de alta frecuencia En las líneas de transmisión y de subestaciones de voltaje muy elevado, el nivel de aislamiento esta determinado principalmente, por los sobrevoltajes producidos por la apertura o cierre de interruptores. A diferencia de los sobrevoltajes producidos por rayos, que son impulsos unidireccionales de gran magnitud y corta duración, los sobrevoltajes debidos a la operación de interruptores son voltajes oscilantes de alta frecuencia (de 400 a 300 hz) que alcanzan su valor de cresta en cientos de microsegundos y que decaen en tiempos del orden de mil microsegundos. Las pruebas de laboratorio han demostrado que al aumentar la magnitud de este tipo de sobrevoltajes, la distancia a través del aire para tener un nivel de aislamiento suficiente para que no se produzca un arco a tierra, no aumenta proporcionalmente a la magnitud de voltaje, si no como se indica en la figura, donde se observa que la distancia crece más rápidamente que el voltaje. FIG. 3.6 Voltaje de flameo en aire para sobrevoltajes de alta frecuencia en función de la longitud del aislador

d

V

69

3.6 Efecto de las condiciones atmosféricas sobre los aislamientos externos Las características de los aislamientos externos dependen de la temperatura ambiente, la presión atmosférica y la humedad, las características de aislamiento normalizadas de los aisladores se refieren a una presión atmosférica de 76 cm. de mercurio, a una temperatura ambiente de 25 ºC y a una humedad absoluta de 15.45 cm. de mercurio. El voltaje de flameo de los aisladores en el aire varia en proporción directa del factor de densidad del aire, que esta dado por la siguiente expresión:

t

b

273

92.3

Donde: Factor de densidad del aire

b = presión barométrica en cm. de columna de mercurio t = temperatura ambiente en ºC. Este factor es igual a la unidad para una presión barométrica de 76 cm. de columna de mercurio y a un temperatura ambiente de 25 ºC. Para tomar en cuenta la corrección por humedad atmosférica, pueden aumentarse los valores de voltaje de flameo en un 1% por cada milímetro de mercurio, en defecto de 15.45 y disminuirse en 1% por cada milímetro de mercurio en exceso de 15.45. Al aumentar la altitud sobre el nivel del mar, lo que implica una disminución de la presión atmosférica, disminuye el nivel de aislamiento de los aisladores en el aire y es necesario aumentar el aislamiento externo de las instalaciones con respecto al que sería necesario al nivel del mar, para tener un nivel de aislamiento adecuado. Por ejemplo, al nivel del mar una cadena de aisladores formada por 12 unidades estándar de tipo suspensión (25.4 cm. de diámetro por 146cm. de paso), tiene un nivel básico de aislamiento al impulso de 1050 KV, a una altitud de 2300 m.s.n.m, a la que corresponde una presión barométrica de 56cm. de columna de mercurio y a una temperatura ambiente de 25 ºC, el factor de densidad del aire tiene el siguiente valor: Sustituyendo valores se tiene:

74.025273

5692.3

Por lo que el nivel básico de aislamiento al impulso se reduce a:

77774.01050 KV.

t

b

273

92.3

70

Tabla 3.3 Valores recomendados para diseño de líneas aéreas

Tensión nominal en KV

Nivel básico de impulso NBI (KV)

Longitud máx. de la línea en KM

Longitud promedio del claro en mts.

Resistencia al pie de torre máx. (ohms)

Nivel isoceraunico

69

115

138

161

230

230

345

400

400

350

550

650

750

900

1050

1175

1350

1425

70

115

140

160

100

230

345

100

400

190

250

320

280

300

450

480

500

500

10

10

10

10

10

10

20

20

20

30

30

30

30

30

30

30

30

30

71

3.7 PRUEBAS DE AISLADORES Uno de los aspectos que frecuentemente es descuidado por los ingenieros de diseño de líneas de transmisión, es el conocimiento conceptual de las pruebas a las que se someten los aisladores, y a la interpretación de sus resultados, con el objeto de especificar correctamente sus características de diseño. Antes de mencionar y describir brevemente las pruebas más representativas en aisladores, es conveniente aclarar los conceptos que se mencionan, para lo cual se darán algunas definiciones dadas en la norma del COMITÉ CONSULTIVO NACIONAL DE NORMALIZACION DE LA INDUSTRIA ELECTRICA (CCONNIE) publicación 8-3-1, sobre métodos de prueba en aisladores de porcelana para energía eléctrica. 3.7.1 Tensión sostenida a baja frecuencia Es el valor eficaz (r.m.s) de la tensión que se puede aplicar a un aislador en condiciones especificadas, sin causarle flameo o perforación sostenida en húmedo y tensión sostenida en roció. Tensión de perforación a baja frecuencia Es el valor eficaz (r.m.s) de la tensión aplicada a un aislador, bajo condiciones específicas que originan descarga disruptiva a través de cualquier parte del aislador. 3.7.2 Tensión de flameo al impulso La tensión de flameo al impulso de un aislador es el valor de cresta de la onda de impulso, que bajo condiciones especificas produce flameo a través del medio circundante. 3.7.3 Tensión critica de flameo al impulso Es el valor de cresta de la onda de impulso, que bajo condiciones especificas produce flameo a través del medio circundante en el 50% de las aplicaciones. En esta definición conviene aclarar que se deben aplicar ondas positivas y negativas en el aire para el caso de tensiones inferiores de 230 KV, siendo las ondas positivas las criticas. 3.7.4 Tensión al impulso (no disruptiva) La tensión al impulso es el valor de cresta, de la onda de impulso que bajo condiciones especificas debe resistir un aislador, sin que en este se produzca flameo o perforación en el mismo.

72

3.7.5 Distancia de fuga La distancia de fuga de un aislador, es la suma de las distancias más cortas medidas a lo largo de las superficies aislantes entre las partes conductoras (longitud del contorno del aislador). 3.7.6 Distancia de flameo en seco La distancia de flameo en seco, de 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 suma de las distancias parciales medidas según se indica en la definición de distancia de fuga. Las pruebas más comúnmente realizadas a aisladores pueden agruparse en tres categorías: pruebas prototipo, pruebas de flameo y pruebas de rutina. Las pruebas prototipo por lo general se hacen para probar la calidad del producto de los fabricantes, las pruebas de flameo normalmente se hacen para hacer correcciones al diseño y las pruebas de rutina se hacen a todos los aisladores cuyos prototipos han sido aceptados.

3.8 Pruebas prototipo Dentro de estas pruebas se pueden mencionar como más importantes las siguientes: 3.8.1 Prueba de ciclo térmico (shock térmico) En esta prueba el aislador se sujeta tres veces a un ciclo de temperatura, como sigue; inmersión por un tiempo T minutos en un baño de agua a una temperatura no menor de 70 ºC sobre la temperatura del agua, se seca y se vuelve a sumergir de manera inmediata en agua a la temperatura ambiente. Se seca por T minutos y se vuelve a repetir el proceso hasta terminar el ciclo. El tiempo T se calcula de acuerdo con la expresión:

)36.1

15(W

T

Donde W = peso de aislador en kg. El aislador pasa la prueba si al completar el ciclo no se daña la porcelana o el recubrimiento externo.

73

3.8.2 Prueba mecánica Se trata de una prueba de flexión en la cual para los aisladores tipo suspensión se aplica una carga de dos veces la máxima carga de ruptura especificada por los fabricantes durante un minuto, no se deben presentar daños en el aislador, la deflexión permanente debe ser menor del 1%. 3.8.3 Prueba electromecánica Esta prueba solo se aplica a aisladores de tipo suspensión o tensión únicamente. Consiste en someter al aislador a un esfuerzo mecánico de 2.5 veces la máxima carga de trabajo especificada por los fabricantes, durante un minuto y aplicando simultáneamente el 75 % de la tensión de flameo. El aislador pasa la prueba si al terminarla no presenta flameos (manchas en su superficie) y desgaste en su superficie exterior. 3.8.4 Prueba de perforación Esta prueba en el caso de aisladores tipo suspensión, se aplica una tensión entre la lámina y entre las uniones metálicas que sostienen el aislador. En esta prueba el aislador debe estar completamente sumergido en aceite aislante en un cuarto que tenga la temperatura controlada, elevando la temperatura rápidamente como lo indica la norma correspondiente, el aislador no debe sufrir daños y/o perforación para aprobar la prueba. Como una alternativa se puede aplicar una prueba de sobretensión de impulso y en este caso el aislador se arregla como para una prueba de flameo en aire y se aplica una onda de 1.2/50 μs negativa con un valor de dos veces la onda de impulso de flameo del 50% de la tensión de flameo, se deben de aplicar veinte de estos impulsos al aislador en cuestión; el procedimiento se debe de repetir para tensiones prospectivas de 2.5, 3 y 3.5 la tensión de flameo del 50% y continuar hasta que el aislador se perfore o se llegue al limite de capacidad del generador de impulsos, el aislador pasa la prueba si no se perfora.

74

3.9 PRUEBAS DE FLAMEO Entre las pruebas de flameo más importantes se pueden mencionar las siguientes: 3.9.1 Prueba de flameo al 50 % de la tensión de impulso Esta prueba se debe hacer sobre un aislador limpio montado en forma normal como lo indica la norma y el generador de impulsos debe aplicar una onda normalizada de 1.2/50 μs de una amplitud tal que el 50% de los impulsos aplicados causen flameos, se invierte la polaridad de las ondas aplicadas y se repite la prueba. Se deben aplicar por lo menos una serie de veinte ondas de impulso en cada impulso y el aislador no debe presentar daño alguno para pasar dicha prueba. 3.9.2 Prueba de tensión permisible al impulso (prueba de Bil) Pruebas de aislamiento, existen dos tipos de pruebas: la prueba de baja frecuencia y la de BIL. La prueba de BIL, está basada en un impulso de sobrevoltaje de gran magnitud en un pequeño intervalo de tiempo, siendo el máximo valor de aislamiento que debe existir sin que se flamee o se perfore el aislamiento, la onda de impulso de BIL, es una onda normalizada de una duración de 1.5 x 40 μs. La prueba de baja frecuencia se basa en, aplicar una sobretensión al sistema seleccionado, con la característica de que dicha sobretensión se encuentre a la misma frecuencia que la nominal. La norma NEMA establece, aplicar el 100 % del voltaje nominal más 2000 volts durante un periodo de 5 minutos. La norma IEC establece, aplicar un sobrevoltaje del 75 % del nominal más 1000 volts, durante un 1 minuto. 3.9.3 Prueba de flameo en seco por un minuto Esta prueba consiste en aplicar a un aislador limpio montado en la forma normal una tensión a la frecuencia nominal del sistema (60Hz en nuestro país), la tensión se aumenta en forma gradual hasta los valores que especifica la norma y se mantiene durante un minuto hasta que el flameo ocurra. El aislador se hace flamear por lo menos otras cuatro veces incrementando en cada caso la tensión de flameo hasta que llegue al valor de prueba aproximadamente en 10 segundos y la media de las 5 aplicaciones consecutivas no debe ser menor que el valor que se establezca en la norma.

75

3.9.4 Prueba de flameo en húmedo y prueba de lluvia por un minuto En estas pruebas el aislador montado normalmente se moja con agua inyectada en forma de roció con características tales que tenga una resistencia entre 900 y 1100 ohms/mm con una temperatura del orden de 10 ºC de la temperatura ambiente en la vecindad del aislador durante la prueba. El agua se aplica con un ángulo de 45º teniendo un volumen equivalente a una precipitación media del orden de 3.00 mm/min. El aislador con una tensión aplicada del 50% de la prueba de un minuto se le rocía con el agua durante 2 minutos y entonces se eleva la tensión al valor de la prueba durante un minuto, en un tiempo de 10 segundos aproximadamente y se mantiene en ese valor durante un minuto. A partir de este valor se aumenta la tensión hasta que ocurre el flameo, el procedimiento se repite tomando un tiempo entre pruebas de unos 10 segundos hasta que el aislador flamee por lo menos otras cuatro veces, la tensión de flameo no debe ser menor que las que se especifiquen en las normas según sea el tipo de aislador.

3.10 PRUEBAS DE RUTINA Entre este tipo de pruebas podemos mencionar como más importantes las siguientes: 3.10.1 Pruebas eléctricas de rutina Esta prueba se efectúa poniendo los aisladores en posición invertida a su montaje normal y se sumergen en agua hasta una profundidad suficiente para cubrir el cuello del aislador, el agujero donde se introduce el alfiler también se llena con agua. La prueba se inicia con bajas tensiones que se van incrementando hasta que ocurra el flameo en intervalos de varios segundos, la tensión debe mantenerse a este valor por lo menos durante 5 minutos o hasta que ocurra la falla, por lo general la falla ocurre hasta 5 minutos después que la ultima pieza ha sido removida. Al llegar a esta situación la tensión se reduce hasta un tercio de la tensión de prueba antes de desconectarse. 3.10.2 Pruebas mecánicas de rutina Esta prueba se realiza después de haber montado una cadena de aisladores ya sea en forma suspendida en posición vertical u horizontal, aplicándosele una carga de tensión mecánica con un 20% de exceso del valor especificado por el fabricante como máxima tensión de resistencia mecánica, durante el tiempo de un minuto.

76

3.11 CONCEPTO DE RELACIÓN DE IMPULSO

De la descripción que se ha realizado para las pruebas más características de los aisladores, por lo general se aplicaron dos tipos de tensión en dichas pruebas, la tensión de impulso y la tensión de impulsos a la frecuencia nominal y de estas las tensiones de impulso son mucho mayores en magnitud que las anteriores. La razón se debe a que en un impulso, el tiempo que transcurre entre la aplicación y el valor de cresta pico de la onda, es excesivamente corto ( de 1 a 2 μs), y no hay tiempo para preparaciones en la trayectoria de la tensión ruptura del medio circundante. Con las tensiones a la frecuencia nominal del sistema, por tratarse de una caída de tensión alterna hay tiempo suficiente para que se presente el proceso de colisión que resulta de la ionización, este fenómeno tiene un efecto sensiblemente menor en la tensión de ruptura. La relación entre las dos tensiones de flameo que se presentan en un aislador se conoce con el nombre de relación de impulso y se expresa de la siguiente manera: Tensión de flameo al impulso RELACIÓN DE IMPULSO = Tensión de flameo a la frecuencia nominal Esta relación tiene valores del orden de 1.4 para aisladores tipo alfiler y de 1.3 para los de tipo suspensión.

77

3.12 IMPEDANCIA CARACTERISTICA DE LA TORRE Este valor se determina por lo general de modelos a escala de la torre, debido a su complejidad geométrica el cálculo analítico es demasiado complejo. Sin embargo, con base en medidas de este tipo y análisis teóricos, se han elaborado fórmulas que tienen buena coincidencia con los datos medidos, en el caso de tratarse de torres cuya geometría permite idealizarlas como un cono de altura h y con un radio r en la base, la fórmula más utilizada es la siguiente:

ohmsr

hZT ...).........1ln(30

2

2

…………………..3.1

En el caso de tratarse de torres que se pueden representar como cilíndricas se emplea la formula siguiente:

ohmsh

r

r

hZT ....60)(90)ln(60 …………………3.2

Donde h y r son la altura y el radio equivalente de la torre (periferia media dividida entre 2π). La impedancia de las torres usadas en líneas de 230 KV de un valor entre 50 y 250 ohms, siendo mayor mientras mas esbelta sea la torre. Fig. 3.7 Representación cónica y cilíndrica de torres de transmisión para determinar su impedancia característica.

78

3.13 Resistencia de pie de torre Un parámetro determinante en el diseño de las líneas de transmisión, es la resistencia de la trayectoria que sigue la corriente del rayo para entrar a tierra. La resistencia de puesta a tierra esta directamente relacionada con la composición natural del suelo, es decir, que el suelo con composición arcillosa tendrá una resistencia baja cuando sea altamente húmedo (del orden de los 100 ohms-metro) y con alto contenido de minerales conductores; caso contrario se tendrá una resistencia alta, cuando el suelo sea de composición seca y altamente rocoso(del orden de los 1000 ohms-metro), lo que indica que la resistencia del pie de torre puede variar con la época del año. Cuando una línea de transmisión tiene constantes salidas, debidas a flameos por alta resistencia de pie de torre, se debe buscar mejorar (reducir) dicha resistencia, lo cual se logra mediante una red de tierras en la base de la torre, la cual consiste en un arreglo de varillas enterradas en la tierra conectadas mediante un electrodo o con el uso de un conductor enterrado (llamado toma de tierra equilibrada), que corre paralelo a la línea. 3.13.1 Esfuerzos de tensión en el aislamiento de las torres Para una descarga en una torre, la impedancia característica Terminal, es el resultado de la impedancia característica de la torre ZT, en paralelo con la mitad de la impedancia del hilo de guarda ZG. Cuando se tienen dos hilos de guarda se debe tomar la impedancia equivalente promedio. El potencial en la parte superior de la torre se obtiene a partir de la impedancia equivalente:

GT

GT

ZZ

ZZZ

2/1

2/1

…………………………. 3.3

79

3.13.2 Sombra Eléctrica Se considera que la zona de influencia de una línea de transmisión, llamada su sombra eléctrica, o ancho de banda de atracción, depende de la altura del punto más alto de la línea sobre el terreno, que es el cable de guarda y de la distancia horizontal entre cables de guarda, si existe más de uno. De forma matemática podemos expresar lo anterior de la siguiente manera:

bhA 4 …………………….. 3.4

Donde: A = Ancho de la sombra eléctrica b = Distancia horizontal entre cables de guarda h = Altura efectiva sobre el terreno del cable de guarda La altura efectiva tiene en cuenta que la altura del cable varía desde hg la torre, hasta hgv en la mitad del vano. Si el vano es claro:

3

2)( gvgg hhhh …………….. 3.5

Se debe tener en cuenta que no esta cuantificada la influencia del paso de la línea por un terreno boscoso, el cual disminuye la altura efectiva, ni tampoco que la línea pueda estar en el borde de una montaña muy alta, lo que aumenta la posibilidad de la intercepción de los rayos.

FIG. 3.8 Sombra eléctrica de una línea de transmisión

80

3.13.3 Numero de descargas directas en una línea Es el producto de la densidad a la zona por la línea de influencia de ésta, si queremos determinar el número de descargas a la línea por cada 100 Km. de longitud, NL, tendremos entonces:

100)1000

( ANNL ………………………………… 3.6

Donde: NL = Numero de descargas sobre la línea por 100 Km. Por año N = Descargas por Km2 – año A = Sombra eléctrica en metros

3.13.4 Cable de Guarda Los hilos de guarda se ubican arriba de los conductores de fase para proteger a estos últimos de descargas atmosféricas, suelen ser de acero de alta o extra alta resistencia mecánica Alumoweld o ACSR con sección transversal mucho menor que la de los conductores de fase. El diseño del cable de guarda consiste básicamente en la determinación de su ubicación en la estructura, las características mecánicas se deben considerar de tal forma que resista la carga mecánica y no vaya a tener una flecha excesiva, las características eléctricas, deben garantizar bajas pérdidas por inducción y bajos voltajes de peso y de contacto. La ubicación del cable de guarda debe ser tal, que sea escasa la probabilidad de que caiga un rayo, con una corriente capaz de provocar flameos; básicamente se pueden dividir las metodologías de diseño de la ubicación del cable de guarda en dos grandes grupos: las que encuentran una posición efectiva del cable, tal que permitan una buena protección o apantallamiento, y las que asignan a una posición determinada del cable de guarda, una cierta probabilidad de falla de apantallamiento.

FIG. 3.9 Combinación de la altura del cable de guarda con el ángulo de apantallamiento para líneas de transmisión operando en alta tensión.

81

3.13.5 Distribución en torres y vanos Si se ha hecho un cálculo adecuado del ángulo de apantallamiento del cable de guarda, prácticamente las descargas que alcanzan la línea, ninguna golpeara al conductor, sino a la torre o al cable de guarda. Es importante entonces, saber que porcentajes de las descargas totales golpea al cable de guarda lejos de la torre y cuantas descargas caen sobre la torre o el cable de guarda, o en cercanías de estas. 3.13.6 Salidas por falla de apantallamiento Estas salidas se deben a la caída directa de un rayo, sobre el conductor de fase, por falla del cable de guarda, encargado de la protección de la línea. Un rayo de 100 KA (que es muy probable que ocurra) produce en una línea con impedancia característica de 400 Ω, ondas de voltaje de lado y lado del punto del impacto de 6000 KV, que exceden por amplio margen el BIL de una línea de 230 KV (aproximadamente de 1050 KV), por esta razón la probabilidad de falla por flameo entre conductores y la posterior salida de la línea, es muy cercan al 100%, si falla el apantallamiento.

82

3.14 DISEÑO POR SOBRTENSIONES DE ORIGEN ATMOSFERICO

Para poder diseñar el aislamiento de una línea de transmisión con un comportamiento aceptable durante su periodo de operación se debe de disponer de métodos confiables para predecir el flameo y las salidas de operación de la línea. Actualmente los métodos disponibles son aquellos que emplean curvas generalizadas como las que aparecen en el, EHV TRANSMISSION LINES del Edison Institute y aquellas técnicas basadas en la aplicación del método de Monte - Carlo, que permiten el uso de aspectos probabilísticos para el análisis detallado de una línea especifica y parámetros establecidos en la descarga y que dan resultados bastante aproximados. En realidad se puede decir que cualquiera de los métodos de cálculo en el diseño del aislamiento, carece de una base sólida de conocimientos teóricos, ya que tiene que ser complementados por la experiencia adquirida en campo, de esto se observa que en algunos casos los resultados obtenidos coinciden con las experiencias vividas en campo, pero en otros casos no es así, y es necesario realizar modificaciones de acuerdo a las necesidades que se presenten, estos procedimientos no limitan la posibilidad de hacer modificaciones y compensar errores que puedan mejorar los cálculos. La mayoría de los métodos de cálculo de aislamiento, se enfocan a la determinación del índice de flameos que provocara fallas en el aislamiento debido a descargas por rayo, este método planteado esta dirigido hacia la determinación de la frecuencia con la que habrá descargas en la línea ( por 100 Km. al año ) a la que llamaremos (FD), a la proporción de las descargas que causaran flameos en el aislamiento (P0) y a la proporción de los flameos que producirán fallas en el suministro de potencia (P1). En base a la información anterior tenemos lo siguiente: INDICE DE FLAMEO (IF) = FD x P0 FLAMEOS/ 100 Km. AL AÑO………3.7 INDICE DE SALIDAS (IS) = IF x P1 SALIDAS/100 Km. AL AÑO………….3.8 Como se dijo anteriormente este método trata de predecir el índice de las descargas que producen flameos en los aislamientos de las líneas de transmisión, considerando dos casos distintos: índice de flameos en líneas no acorazadas e índice de flameo en líneas acorazadas (con cable de guarda).

83

3.14.1 Índice de flameo en línea no acorazadas (sin cable de guarda)

Las ondas de descargas en las líneas de transmisión se pueden presentar por diversos mecanismos, los mas dañinos son los causados por las tensiones inducidas de las descargas a tierra en las cercanías de la línea, la descarga entre conductores de fase producen las más altas sobretensiones para una corriente de descarga dada, un valor aproximado en el conductor en el punto de descarga, se puede calcular con relativa facilidad la corriente de descarga ( I ) producida en la vecindad de la torre, de la siguiente forma:

2

OZIV

……………. 3.9

Donde: ZO = Impedancia característica de la línea Una de las preguntas de mayor importancia en el diseño, de líneas de transmisión es la de, ¿Cuántas descargas pueden ocurrir en una línea de transmisión durante un año? su respuesta, no es del todo precisa, ya que se trata de una cuestión probabilística, y por lo tanto no puede ser dada de forma absoluta. Estudios realizados en los Estados Unidos, relacionan el número de descargas al año directamente con el nivel isoceraunico, sobre una base adquirida por experiencias de campo, estos estudios llevaron al desarrollo de una fórmula que relaciona a estos parámetros, en líneas de transmisión que tiene torres con una altura promedio de 30 metros y considerando que no tiene cable de guarda. Esta fórmula se expresa de la siguiente forma:

FD = 30/62 DT DESCARGAS / 100 Km. AL AÑO. ………………..3.10

DT = NIVEL ISOCERAUNICO O DIAS CON TORMENTA AL AÑO. Otra fórmula obtenida en base a experiencias de campo, fue desarrollada en la Unión Soviética (hoy en día Rusia) la cual permite calcular los mismos parámetros que la anterior y se aplica a torres con una altura promedio de 25 a 30 metros, y considera la altura promedio del hilo de guarda (h), la cual se expresa de la siguiente forma:

FD = 30/7.2 DTh DESCARGAS/ 100 Km. AL AÑO. ……………3.11

84

3.14.2 INDICE DE FLAMEOS EN LINEAS ACORAZADAS (CON CABLE DE GUARDA)

Las fallas sobre líneas acorazadas pueden ser causadas por flameos, debido a fallas en el acorazado de la línea. Por muchos años se ha considerado que la protección efectiva, mediante cables de guarda en líneas de transmisión, requiere de una ubicación de dicho cable con respecto a la posición de los conductores, esto requiere que el cable de guarda con los conductores forme un ángulo relativamente pequeño, para brindar una zona de protección adecuada a la línea con torres de una altura no mayor a los 30 metros, y por lo general dependiendo del tipo de estructura, se requieren de dos cables de guarda para cumplir dicho propósito. Con el incremento de las tensiones de transmisión, lo cual origino el uso de torres de transmisión de mayor altura (de 45 metros o más) y de dos o más conductores por fase, origino consigo que el número de salidas de estas líneas se incrementara en gran número que las anteriores, debido a que la protección usada no era la adecuada. Puede decirse que existen diferentes métodos para analizar el comportamiento de la protección contra sobretensiones de origen atmosférico que pueden resumirse en dos grupos: los empíricos y los analíticos.

Fig. 3.10 Posición del cable de guarda con respecto al conductor exterior

85

3.14.3 MÉTODO DE BURGSDORF KOSTENKO Este método ha sido usado con buenos resultados, el cual se considera como un método empírico y fue desarrollado por ingenieros rusos, en el cual se desarrollo una fórmula empírica para calcular la probabilidad (Pθ) de fallas por blindaje que expresa el número de descargas que pasan de los hilos de guarda a los hilos de fase como un porcentaje del número total de descarga en la línea. Esta fórmula supone que Pθ es una función del ángulo de protección, pero Kostenko (autor de este método) re- examino los datos obtenidos en las investigaciones de campo, y propuso una ecuación que da a conocer la influencia de la altura (h) de los cables de guarda a la torre. Mediante estas observaciones Kostenko llego al desarrollo de la siguiente fórmula:

SP 10log90

h0.2 …………………..3.12

Donde: h = altura del cable de guarda

S Angulo de protección en grados

Para encontrar el número de fallas por acorazado, se multiplica 100/P por el número (FD) de descargas sobre la línea por 100 Km. /año, la corriente crítica por rayo que causa flameo es:

OZ

VFCI

2 …… ……………………3.13

Donde: VFC = Tensión critica de flameo ZO = Impedancia característica de los conductores de fase Este método también de una fórmula empírica para la probabilidad (P %) de que una descarga pueda exceder un valor ( I en KA)

600.2log

IP ……………………. 3.14

El índice de flameos con acorazado es entonces:

210 PFDIF Flameos por 100 Km. /año..................3.15 La protección contra flameo esta dada por la expresión:

410 IFPFDPF Flameos por 100 Km. /año..........3.16

86

3.14.4 Grado de aislamiento de las líneas Se llama grado de aislamiento a la relación entre la longitud de la línea de fuga de un aislador (o la total de la cadena) y la tensión entre fases de la línea. Como tensión entre fases de la línea, se tomara el valor de la “tensión más elevada” (tabla 3.1). El grado de aislamiento viene dado por la expresión:

E

LFnGA

................................. 2.18

En donde: GA = grado de aislamiento (cm/kV al neutro) LF = línea de fuga (cm.). E = tensión más elevada (KV) tabla 3.1 n = número de aisladores de la cadena. Los grados de aislamiento recomendados, según las zonas que atraviesan las líneas, son los siguientes:

ZONA DE CONTAMINACION

DISTANCIA DE FUGA (CM/KV DE LINEA A TIERRA)

KV PROMEDIO POR CENTIMETRO DE LONGITUD AXIAL

EF

Mayores de 6.0

0.39

F

4.45

0.47

M

3.35

0.63

L

2.65

0.78

TABLA. 3.4 Distancia de fuga (de fase a tierra) recomendada para cada zona de contaminación en particular (tabla dada por el INSTUTUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS, CFE 1975).

87

3.14.5 CALCULO DE LA CADENA DE AISLADORES La longitud de la cadena de aisladores, y por ende el número de elementos que la conforman, no puede ser arbitrario, como se demostró anteriormente la distribución de tensión a lo largo de la cadena comienza a empeorar a partir de un número determinado de elementos; si se aumenta la longitud de la cadena, por ejemplo la tensión critica de flameo, se incrementa, pero llega un momento en que su longitud es igual a la distancia disruptiva (espaciamiento entre las partes energizadas y las conectadas a tierra, es decir, entre el conductor y la estructura metálica de la torre). La descarga es muy factible que ocurra entonces a lo largo de la cadena, y por tanto, es muy importante, mantener una relación adecuada entre la longitud de la cadena y la distancia disruptiva a tierra. La longitud de la línea de fuga de un aislador se mide sobre la superficie del mismo, la de una cadena de aisladores, es la de un solo aislador multiplicada por el número de los que la componen. La longitud de la cadena de aisladores, puede ser determinada de acuerdo a la siguiente expresión:

aisladorasladores DfNLf /º .................................. 3.17

Por lo tanto el número de aisladores, en una cadena se puede obtener de acuerdo a la siguiente relación:

Nº de AisladoresaisladorD

L

f

f

/ ....................... 3.18

Otra expresión que da el mismo el resultado, en el cálculo de la cadena de aisladores, pero considerando el voltaje de operación de la línea, es la siguiente expresión:

Longitud de la cadena = KV

cmKVNEUTRO ....................3.19

88

4.1 La contaminación en aislamientos externos La contaminación es causada por un gran variedad de agentes como: polvos obtenidos de la combustión de carbón, petróleo, polvos de cemento, lluvia salina, irrigación con plaguicidas, fertilizantes, etc., estos cuando se mezclan por efecto de la lluvia o niebla, pueden reducir la tensión de flameo a la frecuencia nominal en aisladores de porcelana hasta la mitad y en ocasiones hasta una cuarta parte dependiendo del tipo y densidad de contaminantes, así como de la frecuencia de las lluvias de lavado. Los aisladores que se encuentran bajo condiciones de intemperie, están sometidos a las condiciones del medio en que se encuentran situados, las cuales varían ampliamente de lugar a otro, dependiendo de las características de la zona en que se encuentre la parte de la instalación en cuestión, estas características hacen posible que el nivel de aislamiento requerido, pueda variar a lo largo de una misma línea, pues las condiciones de contaminación son diferentes a lo largo de la traza. De manera general puede decirse que los aisladores ubicados en las líneas eléctricas aéreas están siempre expuestos a la contaminación, pues aun cuando se toman medidas con respecto a limitar o reducir las emisiones contaminantes por las fuentes industriales, la contaminación del tipo natural es prácticamente imposible de evitar, por lo que se ha dirigido principalmente los trabajos de investigación al diseño y selección de aislamientos adecuados, a si como de establecer medidas y procedimientos para su explotación, bajo diferentes condiciones meteorológicas y de contaminación que se pueda presentar. 4.2 Proceso de la contaminación en aislamientos eléctricos. El proceso de contaminación en aisladores se origina cuando se depositan partículas de contaminante sobre la superficie aislante, estas se adhieren por la acción de diversos factores involucrados en dicho proceso, además al interactuar con la humedad se vuelven conductoras, originando sobre la superficie del aislador la aparición de corrientes de fuga, descargas parciales y finalmente flameo, con la subsiguiente salida de operación de las líneas de transmisión, distribución y subestaciones eléctricas. México cuenta con una gran variedad de climas y suelos, los cuales favorecen el proceso de contaminación en los sistemas externos. La contaminación ambiental es una de las causas mas frecuentes de falla en líneas tanto de transmisión, distribución, y subestaciones de energía eléctrica; de acuerdo con estudios realizados se sabe que la severidad del nivel de contaminación que afecta a los aisladores, esta directamente asociado tanto con la climatología como con el tipo de contaminante que predomine en la región.

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4.3 Composición de la materia contaminante Generalmente las partículas que se depositan en la superficie de los aisladores forman una capa contaminante, la cual tiene la capacidad de absorber humedad presente en le medio ambiente provocando la aparición de corrientes de fuga sobre la superficie. 4.3.1 Materia insoluble en suspensión permanente Comprende todos los materiales inorgánico insolubles, condensables, de tamaño microscópico, los cuales tienen un índice de disolución en agua muy bajo, estos se mantienen en suspensión mediante fuerzas cinéticas debidas al movimiento molecular de los gases en la atmósfera, pero se precipitan por medio de fuerzas eléctricas. Generalmente la materia insoluble no contribuye en la conductividad eléctrica, pero si influye en el voltaje de flameo debido a su capacidad de retener humedad, un ejemplo claro de material insoluble es el caolín, material que es utilizado en los laboratorios para contaminar artificialmente a los aisladores. 4.3.2 Materia soluble en suspensión Comprende todos los materiales orgánicos pesados (sales, polvos, gases, humos, polen, etc.), los cuales se depositan en la superficie de los aisladores, fundamentalmente por gravedad, dentro de este mismo grupo también se encuentran las materias orgánicas en descomposición y partículas de vapor de agua (niebla, llovizna, sereno,) que se condensan o dispersan de acuerdo a las condiciones meteorológicas del viento y la temperatura ambiente. Desde el punto de vista eléctrico, la materia soluble, es la que permite la conducción eléctrica de fase a tierra a través de la superficie del aislador.

4.4 Tipos de contaminación Existen dos tipos fundamentales de contaminación: marina, industrial y rural, pudiéndose incluir un cuarto tipo en los casos de las zonas industriales cercanas la mar. La contaminación marina, puede ubicarse no solo en las inmediaciones de la costa, sino también a considerables distancias de las mismas por la acción de los vientos; su nivel de contaminación se ubica entre los niveles medio y alto, siendo en algunos casos considerado como critico; esta contaminación contiene un alto contenido de sal con un grado de humedad elevado, esto debido a que generalmente se tiene una dirección de mar a tierra, además es muy inestable, ya que en un año puede alcanzarse tanto el nivel mínimo como el máximo de contaminación.

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La contaminación industrial, tiene su aparición con el desarrollo de las industrias y los efectos de las mismas al medio pueden ser de diversos tipos, en dependencia de la fuente que la origina: química, petroquímica, metalúrgica, etc., este tipo de contaminación es considerada del tipo artificial, los desechos que arrojan las industrias sobre las líneas de transmisión y subestaciones eléctricas ocasionan altos niveles de contaminación en periodos cortos de tiempo, en algunos lugares los desechos se adhieren fuertemente a la superficie del aislador, provocando el deterioro y deficiencia en su desempeño eléctrico, trayendo como consecuencia el flameo de los aisladores. En su forma general, los contaminantes constan de dos partes fundamentales: una parte eléctricamente inerte que al humedecerse no se disocia en iones, y que por lo tanto no es conductora y cuya función es darle a la capa sus características adhesivas y absorbentes, y una parte eléctricamente activa que al humedecerse se disocia y presenta por tanto características conductoras.

Tabla 4.1 Características de las zonas expuestas a la contaminación

ZONA DE CONTAMINACION CARACTERISTICAS NOTABLES

EXTRA FUERTE (EF)

Polvos de carbón, petróleo, productos químicos, grandes cantidades de partículas salinas en suspensión. Zonas desérticas con grandes periodos sin lluvia.

FUERTE (F)

Lluvia marina, polvos de carbón, petróleo, zonas con lluvia ligera y niebla. Áreas expuestas a los vientos del mar o muy cercanas a la costa.

MEDIA (M)

Lluvia marina ligera, irrigación con plaguicidas y fertilizantes, niebla ligera y pocas lluvias áreas expuestas a los vientos del mar pero no muy cercanas a la costa.

LIGERA (L)

Niebla, fertilizantes, plaguicidas, lluvias intensas, zonas rurales sin quema de pastizales. Áreas sin industrias, zonas agrícolas.

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4.5 Flameo en aisladores contaminados.

Arqueo (flashover) en los aisladores debido a la contaminación La contaminación puede reducir significativamente, el voltaje al cual se produce el arqueo que saca de servicio a la línea (medido como voltaje de potencia a la frecuencia nominal) conduciendo a cortes de energía no planeados y disminuyendo la confiabilidad del sistema, el proceso de arqueo (siendo el que descarga la línea) es un proceso complicado que ocurre a través de diferentes fases a saber, la formación de la capa contaminante, el incremento de la corriente de fuga, la formación de la banda seca, generación de los arcos parciales y si las condiciones son favorables, el arqueo y la salida de servicio de la línea de transmisión. El flameo en aisladores debido a la contaminación, es un fenómeno dinámico que se presenta en varias etapas, estas pueden resumirse en los siguientes pasos:

Formación de la capa contaminante

Humedecimiento de la capa contaminante

Secado de la capa contaminante

Formación de las bandas secas

Descarga a través de las bandas secas

Descarga parcial (arco)

Flameo del aislador

4.5.1 Formación de la capa contaminante Los problemas de contaminación en aisladores ocurren cuando el medio que las rodea lleva diversas sustancias, especialmente salinas e industriales, estas sustancias se depositan sobre los aisladores creando una capa que en condiciones secas no causan mayor problema. el deposito de contaminante es gobernado por la interacción de varias fuerzas que actúan simultáneamente ( gravitacional, eléctrica, viento), el componente conductor de los contaminantes influye en el voltaje de arqueo (flashover) del aislador proveyendo en condiciones húmedas, una cubierta conductiva en la superficie del aislador, el componente inerte por otro lado, es la porción de materia sólida que no se disuelve; la humedad es entregada por la naturaleza a través de los mecanismos de condensación y roció, la condensación representa un proceso lento de humedad durante el cual los contaminantes conductivos se pueden disolver completamente, este proceso a menudo se produce bajo condiciones de niebla o roció en las horas de la mañana, la bruma y llovizna pueden causar el mismo efecto.

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La superficie del aislador suele ser un factor muy importante, debido a que se ha encontrado que la cantidad de partículas contaminantes depositadas sobre los aislamientos varia en forma lineal con la rugosidad de la superficie del aislador, es decir, mientras más lisa sea la superficie de un aislador menor será la cantidad de partículas que se depositen, por el contrario, la rugosidad de la superficie permite la formación de esta capa. El campo eléctrico debido a su acción provoca la atracción de las partículas, haciendo con esto más denso el depósito del contaminante en regiones de mayor intensidad, es decir, en el lado de la línea, por esto la capa formada sobre la superficie del aislamiento no es homogénea. 4.5.2 Humedecimiento de la capa contaminante Esta se presenta por migración de humedad (la cual puede ser niebla, roció, o lluvia ligera) en la capa contaminante, cuando esta capa se humecta, su comportamiento es el de un electrolito, disminuyéndose su resistencia e incrementándose la corriente de filtración a través de ella. Con el aumento de la corriente se incrementa el calor generado y a su vez la temperatura de la capa contaminante lo que hace que disminuya a un más su resistencia debido al coeficiente térmico de los electrolitos. Cuando un aislador contaminado esta seco, la distribución de voltaje es esencialmente la misma que para un aislador limpio, pero a medida que el proceso de humectación progresa la resistencia superficial se ve afectada, debido a que la parte soluble del contaminante se convierte en electrolito iniciándose así un flujo de iones conocidos como corrientes de fuga. 4.5.3 Secado de la capa contaminante Cuando la resistencia de la capa empieza lentamente a aumentar, hasta que la pérdida de humedad sea tal que la capa empieza a secarse, momento en el cual alcanza valores altos de resistencia, este fenómeno es mas acentuado en las partes estrechas del aislador donde la densidad de corriente es mayor, es en este instante que la capa empieza a secarse y la conductividad de estas zonas bajan rápidamente hasta que alcanzan el cero, formándose así zonas perfectamente secas detectables a simple vista, las cuales son conocidas con el nombre de bandas secas. El incremento en la resistencia producido por la banda seca, hace que la corriente disminuya pero su formación implica que la mayor parte de la tensión aplicada al aislador aparezca a través de ella, por estar a un mojado o húmedo el resto de la capa contaminante depositada sobre el aislador y por tanto posee baja resistencia.

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4.5.4 Descarga a través de las bandas El ancho de la banda seca varia en dependencia de varios factores: características de absorción de la capa, régimen de humectación, lugar donde se forma la banda seca, etc., dicha banda se sigue formando a través de un proceso cíclico hasta un punto en que la tensión aplicada a la misma es ligeramente inferior al valor requerido para iniciar la descarga por el aire, por lo que cualquier disminución en el ancho de la banda, distorsión del campo eléctrico o el desarrollo de algún proceso de ionización provocara la descarga, el arco crecerá hasta un límite en el que dependiendo las características del sistema este se extingue o produce un corto circuito en el aislador. 4.5.5 Descarga parcial Cuando una banda seca completa es establecida, la mayor parte del voltaje aplicado en el aislador es entonces impuesto entonces en ella debido a su alta resistencia, la corriente es interrumpida por la ruptura del aire como puente entre esta banda seca y mantendrá la corriente, el arco lleva la corriente en un canal concentrado liberando el calor en una forma muy concentrada más que distribuirlo sobre la superficie, esto conduce a preferir la elongación de la amplitud de la banda seca en la ubicación del punto final de arco, donde la densidad de corriente es más alta, el arco puede extenderse longitudinalmente y se llega a cubrir una parte critica del camino a lo largo de la fuga, el arqueo (flashover) definitivo será prácticamente inevitable. 4.5.6 Flameo En condiciones de humedad, la circulación de la corriente de fuga genera la disipación de energía por efecto joule (I2 R) ocasionando la evaporación de la humedad contenida en la capa contaminante. El incremento de esta corriente en las regiones conductivas, permite la falla por flameo, debido a que se reduce la resistencia superficial y se incrementa la corriente de fuga, logrando que las descargas lleguen a encadenarse y se presente la falla a tierra causando la salida de operación de la línea. 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 del aislador), o por daño parcial, en caso de no llegar a la ruptura mecánica o algún daño parcial después del arco de potencia, el aislador seguirá trabajando hasta que nuevamente la actividad de las bandas secas ocasione otro arco de potencia.

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La siguiente figura muestra, en forma gráfica cada una de las etapas del flameo mencionadas anteriormente.

Fig. 4.1 Etapas del flameo en aisladores

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4.6 Efectos de los depósitos contaminantes sobre el aislamiento Entre los principales efectos que provoca la contaminación sobre los aislamientos externos encontramos los siguientes: A. Excesiva corriente de fuga A medida que se humedece la superficie del aislador, disminuye su resistencia superficial, y se presenta una corriente de fuga apreciable de carácter intermitente sobre la superficie del aislador, lo cual provoca la disipación de energía en forma calorífica, aumentando la temperatura y esta a su ves disminuyendo la resistencia dieléctrica del aislador, ocasionándole pérdidas de su capacidad aislante del material. B. Flameos continuos El riesgo de flameo por contaminación puede presentarse en tres casos especiales:

1. Cuando el aislador se expone a la lluvia, después de haber sido energizado al voltaje nominal de trabajo durante un largo periodo de tiempo.

2. Cuando un aislador contaminado y húmedo se energiza a su voltaje nominal de trabajo.

3. Cuando un aislador contaminado y húmedo se somete a un voltaje transitorio.

C. Perforación El excesivo calentamiento local y el calentamiento diferencial ocasionados por la excesiva corriente de fuga, disminuyen rápidamente la resistencia dieléctrica del material, lo cual se traduce en una mayor disipación de energía calorífica, hasta producir la ruptura y perforación del aislador. D. Corrosión Se produce una acelerada corrosión de las partes metálicas en las instalaciones que operan en zonas de alta contaminación, las principales causas de dicha corrosión son:

1. Efectos electrolíticos debidos a la corriente de fuga. 2. Pérdida de la capa de zinc (galvanizado), quedando el metal expuesto a la

acción corrosiva del medio. 3. Generación de ácido nítrico a partir del ozono producido por el efecto

corona y el calentamiento.

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4.7 SOLUCIONES AL PROBLEMA DE LA CONTAMINACIÓN La severidad del problema de la contaminación en una instalación especifica esta gobernada generalmente por lo siguiente:

Densidad de la capa del deposito contaminante

Frecuencia e intensidad de las lluvias y del viento.

Naturaleza del contaminante, su conductividad y su facilidad de adherirse a la superficie del aislador

Desde hace varias décadas se han realizado grandes esfuerzos a nivel internacional con vistas a encontrar métodos eficaces que permitan combatir de manera satisfactoria el efecto de la contaminación en los aislamientos externos y, por tanto, encaminados a lograr el comportamiento confiable del aislamiento de los sistemas eléctricos. Con el fin de reducir el efecto de la contaminación superficial, los métodos mas utilizados actualmente son los siguientes:

Sobreaislamiento

Aisladores de diseño especial (anti- niebla)

Limpieza manual periódica

Lavado de aisladores

Recubrimientos superficiales 4.7.1 Sobreaislamiento Una forma efectiva de prevenir problemas de flameo en zonas contaminadas, consiste en aumentar la distancia de fuga sobre la superficie del aislador, una manera efectiva de aumentar las distancias de fuga consiste, en utilizar aisladores sobredimensionados, por ejemplo usar aisladores de 34.5 kv en circuitos de 13.2KV, ó aumentar el número de aisladores cuando se trata de una cadena de aisladores tipo suspensión. El sobreaislamiento es una medida muy empleada durante muchos años para disminuir las pérdidas que se asocian a las fallas por la acción de la contaminación, aunque la misma no trabaja sobre la inhibición del proceso, si no que va a la búsqueda de incrementar la longitud de fuga del aislamiento de forma que aun, en presencia de bandas secas, no sea posible que ocurra la descarga parcial que inicie el proceso de falla, esta medida tiene la necesidad de realizar un estudio inicial de coordinación de aislamiento, ya que al sobre aislar el aislamiento exterior, puede llegarse a sobre pasar los niveles de aislamiento diseñados para la línea y equipos, lo que provocaría en determinadas condiciones que fallaran por esfuerzos dieléctricos.

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4.7.2 Aisladores de diseño especial Los depósitos contaminantes se concentran principalmente en los puntos de mayor intensidad de campo eléctrico y tienen la tendencia de a concentrarse en los lugares en los cuales se produce una modificación de la velocidad del viento, es decir, en los lugares más internos y protegidos del aislador; o sea que la concentración de los depósitos esta influenciada, por el campo eléctrico y la forma de los aisladores. Los fabricantes de aisladores tratando de solucionar este problema, han desarrollado diferentes diseños de aisladores incrementando la distancia de fuga en gran proporción, modificando los perfiles, logrando así formas geométricas aerodinámicas con una mayor distancia de fuga. Algunos tipos de estos diseños son los aisladores tipo niebla, los cuales están diseñados con una distancia de fuga de 30% a 50% por encima del aislador normal, y con perfiles que facilitan la limpieza por la acción de las lluvias y el viento. Los aisladores aerodinámicos presentan perfiles sencillos, libres de salientes y cavidades para impedir la concentración de depósitos contaminantes, facilitan la acción de lo vientos para su auto limpieza y facilitar también la aplicación de recubrimientos protectores cuando se requiera. 4.7.3 Limpieza manual periódica La limpieza periódica de la superficie de los aisladores, es una de las soluciones utilizadas para reducir el problema de flameo causado por la contaminación, es posiblemente el método de limpieza más laborioso que existe, pues requiere de una gran inversión de tiempo y personal. La limpieza manual suele utilizarse cuando el caso de contaminación es muy crítico, es decir, cuando el contaminante depositado en la superficie del aislador se endurece en presencia de la humedad y forma capas muy adherentes muy difíciles de remover por cualquier proceso mecánico o de lavado a presión, cuando se presentas estas situaciones es más conveniente reemplazar los aisladores por unidades limpias, y después proceder a limpiar las unidades contaminadas.

Fig. 4.2. Limpieza manual a los aisladores

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4.7.4 LAVADO DE AISLADORES Con el fin de evitar cortes frecuentes en el suministro de la energía eléctrica, se prefiere utilizar el sistema de lavado en caliente, al lavado de aisladores desenergizados. Este método es efectivo cuando los depósitos contaminantes son altamente solubles al agua, tal es el caso de sal marina, ciertos contaminantes químicos, o cuando dichos depósitos son insolubles pero presentan poca adherencia sobre la superficie del aislador. Se usan dos métodos principales de limpieza: lavados manuales desde instalaciones portátiles con surtidores de agua (jet washing) y lavado automático con bombas de alta presión que atomizan el agua directamente sobre los aisladores energizados (spray washing). Este método de lavado en caliente, es de gran uso a escala mundial, y fue utilizado por primera vez en Australia por el año de 1932 en líneas de 33 KV, debido a que el lavado natural no eliminaba el depósito contaminante en el aislamiento, posteriormente esta técnica fue utilizada países como Alemania, Rusia, Japón, Noruega ,Polonia, Estados Unidos, etc.,. Este método consiste en aplicar al aislamiento un chorro de agua a presión o elementos no conductores suaves (como la fibra de maíz) para que con esa acción eliminar el contaminante depositado sobre la superficie de los aisladores, estos métodos se consideran de gran efectividad para lograr eliminar los contaminantes, en el caso del lavado de agua a presión que puede decirse es el de mayor uso a escala mundial, el lavado puede ser ejecutado de forma manual o automática, el método automático es usado fundamentalmente en subestaciones, y en particular, en aquellas ubicadas en lugares donde el grado de acumulación del contaminante es intenso.

Fig. 4.3 Lavado manual de aisladores con la línea en caliente

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Para el lavado en caliente se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:

Los aisladores se deben lavar completamente y con la frecuencia necesaria entre un lavado y otro, de tal manera que se evite la formación de la capa conductora del contaminante.

El lavado no debe generar flameo sobre los aisladores, por lo general el lavado se inicia por la parte inferior progresando hacia arriba, evitando el flujo de agua contaminada y posibles flameos, un segundo lavado eliminara el agua residual.

Se deben de tomar todas las medidas de seguridad para evitar que ocurran flameos hacia los surtidores o atomizadores, la manguera debe estar conectada solidamente a tierra y el operador deberá permanecer en una plataforma elevada igualmente a tierra.

El lavado deberá efectuarse al menos una vez al mes, dependiendo de las condiciones de contaminación, y es posible que se requiera el lavado de dos veces por semana en zonas de alta contaminación.

En la elección del método de lavado, y de su sistema de trabajo tiene una gran importancia elementos como las características de la instalación que se va a lavar y del equipo de lavado, el proceso de lavado y los principios de seguridad para el personal y la instalación, en la selección del equipamiento tiene que tenerse en cuenta aspectos tales como tipo y dimensión de las boquillas, presión y gasto de agua mientras que en lo relativo al proceso influye la periodicidad y duración del mismo. Uno de los problemas de seguridad que debe resolverse en la aplicación de esta técnica es el evitar la electrocución del operario en el momento de efectuar el lavado, siendo los elementos que determinan esa seguridad la corriente superficial sobre los aisladores y por el chorro de agua, el nivel de aterrizamiento, la distancia desde la boquilla al elemento aislante, la presión del chorro y la conductividad del agua, las características de la boquilla, la velocidad de lavado y la forma de lavado.

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FIG. 4.4 Aislador después de haber sido lavado

4.7.5 Recubrimientos superficiales Un recubrimiento repelente al agua aplicado sobre la superficie del aislador, impide la formación de una película continua de agua, debida a que esta permanece en gotas discretas que ruedan fácilmente por la superficie, además las partículas sólidas son encapsuladas previniendo el contacto con el agua y la formación de electrolitos a partir de contaminantes solubles, en esta forma el aislador sin perder sus características eléctricas puede operar normalmente bajo la acción de lluvia, roció o niebla, durante un periodo de tiempo.

Tabla 4.2 Recubrimientos a base de hidrocarburos

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CONCLUSIONES Se ha presentado en forma clara, los principales elementos que interviene en el diseño del aislamiento de las líneas de transmisión. Los aisladores son elementos de gran importancia y utilidad en los sistemas de distribución de energía eléctrica. Se debe asegurar siempre el correcto estado del mismo haciéndose el mantenimiento correspondiente. 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. Como estos elementos están expuestos a los agentes atmosféricos, las prescripciones indican la llamada tensión de flameo, la que provoca el salto de chispa bajo condiciones normalizadas de lluvia, humedad, presión o nieve, que se pueden reproducir en laboratorio. Otra conclusión que podemos establecer, es la de mencionar los principales factores que interviene en el diseño del aislamiento de líneas de transmisión los cuales son:

1. La longitud adecuada de la distancia de fuga total o longitud de la cadena, para evitar en lo posible flameos en los aisladores.

2. Una baja resistencia de impedancia a pie de torre, para una adecuada conducción de la corriente producida por un rayo a tierra.

3. Evitar en lo posible fallas por descargas atmosféricas, por lo que generalmente, se colocan cables de guarda en la parte superior de las estructuras.

4. Numero de aisladores tipo suspensión adecuado para soportar las sobretensiones que se originen en el sistema, así como para brindar un adecuado aislamiento entre las partes conductoras y metálicas de la torres de transmisión.

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BIBLIOGRAFIA

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A.E KNOWLTON EDITORIAL LABOR S.A BARCELONA – ESPAÑA

2. MANUAL DE INGENIERIA ELECTRICA

DONALD FINK / H. WAYNE BEATY 13 ERA EDICION EDITORIAL MC GRAW HILL

3. SISTEMAS DE TRANSMISION Y DISTRIBUCION DE POTENCIA ELECTRICA ENRIQUEZ HARPER GILBERTO

NORIEGA EDITORES ISBN 968 – 18 – 6715 – 7

4. TRANSMISION DE ENERGIA

ING. RAMON CHAZARO APARICIO EDITORIAL UNIVERSIDAD VERACRUZANA TEXTOS UNIVERSITARIOS

5. TECNICA DE LAS ALTAS TENSIONES TOMO I Y II ENRIQUEZ HARPER GILBERTO

NORIEGA EDITORES

6. FISICA PARA CIENCIAS E INGENIERIA TOMO II

SERWAY AND BEICHER QUINTA EDICION EDITORIAL MC GRAW HILL

7. ALTA TENSION Y SISTEMAS DE POTENCIA

CARL A. SIEGERT SEGUNDA EDICION 1983 EDI TORIAL LIMUSA

8. APUNTES DE SISTEMA DE POTENCIA I CATEDRATICO ING. RAMON CHAZARO APARICIO UNIVERSIDAD VERACRUZANA

9. APUNTES DE PROTECCIONES A SISTEMAS DE POTENCIA CATEDRATICO ING. JUSTINO BAUTISTA ESPINOSA UNIVERSIDAD VERACRUZANA

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ANEXOS TABLA A1. PRUEBAS RECOMENDADAS PARA LA EVALUACION DE LOS AISLADORES.

PRUEBAS ELECTRICAS

PRUEBA

NORMA

FLAMEO EN SECO (60HZ)

CONNIE 8.3-4 ANSI C29.1

FLAMEO EN HUMEDO (60 HZ)

CCONNIE 8.3.4 (200KV)

IMPULSO DE TENSIÓN

CCONNIE 8.3.4

POTENCIAL APLICADO

CCONNIE 8.3.4

ARCO DE POTENCIA

IEEE P1024/08

PERFORACION DIELECTRICA EN ACEITE

CCONNIE 8.3.4

PERFORACION DESPUES DE 50 HRS DE EBULLICION EN AGUA

CCONNIE 8.3.4

FLAMEO CRITICO AL IMPULSO

ANSI C29.1

IMPULSO RAPIDO

ANSI C29.1

PRUEBAS MECANICAS

TENSIÓN MECANICA

ANSI C29.1

COMPRESION

ANSI C29.1

CHOQUE TERMICO IEC 38

CANTILIVER

ANSI C29.1

TENSIÓN MECANICA SOSTENIDA ANSI C29.1

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TABLA A2. PRUEBAS RECOMENDADAS PARA EVALUAR LOS MATERIALES AISLANTES EMPLEADOS EN LA ELABORACION DE AISLADORES.

PRUEBAS ELECTRICAS

PRUEBA

NORMA

RIGIDEZ DIELECTRICA

ASTM D 149

RESISTIVIDAD SUPERFICIAL

ASTM D 157

RESISTIVIDAD VOLUMETRICA

ASTM D 257

FACTOR DE PERDIDAS

ASTM D 150

ARCO EN SECO

ASTM D 495

PRUEBAS MECANICAS

TENSIÓN

ASTM D 412 Y ASTM D 638

COMPRESION ASTM D 465

DUREZA ASTM D 789

FLEXION ASTM D 790

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TIPO DE PRUEBA

PROPIEDADES

SECCION DE LA NORMA ANSI C29.1

MECANICAS

ESFUERZO MECANICO

5.1

ESFUERZO MECANICO Y ELÉCTRICO COMBINADO

5.2

RESISTENCIA DE CARGA SOSTENIDA

5.3

POROSIDAD EN ACEITE

5.4

CHOQUE TERMICO

5.5

ELECTRICAS

VOLTAJE DE FLAMEO Y AGUANTE EN SECO A BAJA FRECUENCIA

4.4 Y 4.4

VOLTAJE DE FLAMEO Y AGUANTE EN HUMEDO A BAJA FRECUENCIA

4.3 Y 4.5

VOLTAJE DE AGUANTE EN ROCIO A BAJA FRECUENCIA

4.6

VOLTAJE DE FLAMEO Y AGUANTE AL IMPULSO

4.7 Y 4.8

VOLTAJE DE RADIO INTERFERENCIA

4.9

VOLTAJE DE EFECTO CORONA VISUAL

4.10

VOLTAJE DE PERFORACION

4.11

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NORMAS ANSI. ANSI C29.1 (1988; R 2002) Test Methods for Electrical Power Insulators ANSI C29.2 (1992; R 1999) Insulators – Wet-Process Porcelain and Toughened Glass – Suspension Type ANSI C29.3 (1986; R 2002) Wet Process Porcelain Insulators – Spool Type ANSI C29.4 (1989; R 2002) Wet-Process Porcelain Insulators – Strain Type ANSI C29.5 (1984; R 2002) Wet-Process Porcelain Insulators – Low- and Medium-Voltage Types ANSI C29.6 (1996; R 2002) Wet-Process Porcelain Insulators – High-Voltage Pin Type ANSI C29.8 (1985; R 2002) Apparatus, Cap and Pin Type Wet-Process Porcelain Insulators – ANSI C29.9 (1983; R 2002) Wet-Process Porcelain Insulators – Apparatus, Post-Type

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TABLA A3. Numero de aisladores estándar recomendado, para diferentes tensiones usadas en la Republica Mexicana.

TABLA A4. DIMENSIONES PARTICULARES DE DIFERENTES TIPO DE AISLADORES

TIPO DE AISLADOR

ALTURA

(mm)

DIAMETRO

(mm)

DISTANCIA DE FUGA

(mm)

SUSPENSION

STANDAR

146

254

305

TIPO STANDAR

170

280

370

TIPO NIEBLA

165

320

550

TIPO NIEBLA

ESPECIAL

195

400

690