fiabilidad del suministro de energía y mantenimiento de aisladores

8/16/2019 Fiabilidad Del Suministro de Energía y Mantenimiento de Aisladores

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(*): SEDIVER: 79 avenue François Arago, 92017 Nanterre, France03-200 JMG/RP/MRG

March 2003

FIABILIDAD DEL SUMINISTRO DE ENERGÍA Y

MANTENIMIENTO DE AISLADORES

J-M. GEORGE and R. PARRAUD J-C. KEULLER and L-F. FERREIRA

SEDIVER * ELECTROVIDRO

(France) (Brazil)

Resumen

El costo de los aisladores en la construcción de una

línea de transmisión de energía normalmente

representa menos de 5% del costo general del

proyecto. La continuidad del servicio en estas líneas

es hoy muy importante, y la confiabilidad del

suministro de energía depende principalmente del

comportamiento de los aisladores, pero también dela capacidad para detectar unidades con falla o

dañadas para restaurar rápidamente la energía.

Este reporte está destinado a revisar los fundamentos

de cada tipo de aisladores (vidrio templado,

porcelana, polimérico) con relación a los aspectostécnicos de facilidad de detección y mantenimiento, y

la influencia de los aspectos económicos de la

operación de la línea, que son los más críticos para

los usuarios finales.

Serán discutidos los aspectos siguientes:1. Comportamiento de los aisladores durante

el transporte y manejo.

2. Modos de falla de aisladores encontrados

en servicio y sus consecuencias en el

suministro de energía.

3. Detección de un aislador con falla ymétodos de diagnóstico en líneas

energizadas y no energizadas.

4. Consideraciones generales de

mantenimiento (en líneas energizadas o no

energizadas).5. Mantenimiento de aisladores bajo

condiciones de contaminación severa

(lavado de línea en caliente...).

6. Recomendaciones para selección de

aisladores para minimizar las operaciones

de mantenimiento.

Con base a esta revisión, serán presentadas diversas

recomendaciones para definir las seleccionesóptimas de aisladores, considerando las exigencias

de mantenimiento, costo y facilidad de

mantenimiento, continuidad del servicio y seguridadde los trabajadores.

Introducción

Los aisladores de líneas de suspensión

pueden ser clasificados en dos categorías

principales: cerámica (estos divididos en

aisladores de vidrio y porcelana), o

materiales orgánicos (los aisladores de

vidrio y porcelana son definidos como “

aisladores convencionales de cerámica”).

El atributo principal de las unidades

orgánicas es el menor peso, y obviamente su

“no-fragilidad” con relación a las

definiciones clásicas de materiales. Con

base a estas características, el uso mundial

de estos productos está dividido,

dependiendo no sólo de la práctica local,

costumbres y modismos, pero también de

las ventajas específicas de una u otra

tecnología.

A pesar del bajo impacto del costo de los

aisladores en el costo total de una línea,

estos mismos puntos diferenciales pueden

ser críticos para las personas en el campo,

responsables por la construcción, y

posteriormente en la operación y

mantenimiento.


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Abreviadamente, sin describir proyectos

específicos o tipos de producto, debemos

considerar los siguientes puntos principales:

La porcelana está compuesta porcristales minerales (Fig. 1) de diversos

materiales ligados después de cocidos

en un horno, cubiertos con una fina

camada de glaze para evitar el contacto

directo de los elementos agresivos

externos con el esbozo de porcelana.

La cohesión microscópica de este

material es limitada a la capacidad de

la estuctura para soportar micro-fisuras

inherentes a la estructura no

homogénea de la porcelana.

Fig. 1 : Micro-estructura de la porcelana

aislante

El Vidrio templado es hecho de vidrio

fundido, material amorfo sin estructura

cristalográfica, y por tanto

completamente homogéneo. La

resistencia del vidrio es suplida por el

endurecimiento, que induce tensionesinternas de extensión balanceadas por

una tensión de compresión muy

elevada en la superficie del esbozo de

vidrio (Fig. 2). Como resultado, las

micro-fisuras no son posibles por que

el dieléctrico de vidrio inmediatamente

se rompería en millones de pequeños

trozos.

Fig. 2 : El endurecimiento del dieléctrico de

vidrio induce tensiones internas de

extensiones balanceadas por tensiones de

compresión superficial que evitan el

desarrollo de fisuras.

Los aisladores poliméricos son hechos de

diversos materiales orgánicos,

principalmente un núcleo de fibra de

vidrio, no apropiado para soportar los

elementos externos, y por lo tanto,

protegido por una cobertura, normalmentehecha de goma con buenas propiedades

dieléctricas y de envejecimiento. A pesar

de una buena selección de los materiales,

la calidad y el diseño de las interfaces

serán críticos. Técnicas no destructivas

han sido desarrolladas por los fabricantes

para controlar estas interfaces [2], [13]. El

revestimiento de goma hace con que estos

productos se presenten muy resistentes,

pero no indestructibles.


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1. Comportamiento de los aisladoresdurante el transporte y manejo

El transporte y manejo de los aisladores

es conocido como el tiempo de su vidaen el cual están más sujetos a

aplicaciones de tensiones no esperadas y

choques mecánicos. A pesar de los

esfuerzos de los fabricantes para

proteger estos aislantes del transporte y

manejo brutos (embalajes fuertes,

instrucciones de manejo...), estas

unidades pueden sufrir algún daño.

La Tabla 1 presenta un resumen de lostipos más frecuentes de eventos quellevan a la potencial degradación o daños

de los aislantes. Más específicamente, la

Tabla 2 presenta un resumen de las posibles consecuencias de los daños

inducidos por manejo incorrecto. Más

precisamente, la directriz principal es:

a) Porcelana: fisuras inducidas en la porcelana se propagan con el

tiempo, llegando después de algún

período al punto donde estas

fisuras se tornan críticas para el

desempeño eléctrico, o llegan al

punto de fugas eléctricas. La

evolución de estas fisuras

permanece oculta en la mayor parte

del tiempo, y como consecuencia

no son fáciles de detectar. En

adición a las consecuencias

eléctricas, efectos mecánicos de

largo plazo deben ser esperados.[9], [10].

b) Vidrio templado: en el peor de loscasos, los esbozos de vidrio

templado pueden romperse,

llevando a un estado final donde no

se espera evolución, sin

alteraciones significativas en eldesempeño mecánico. La detección

es siempre fácil y obvia (Fig. 3).

Una simple mirada a la cadena

desde el suelo es suficiente para

hacer una evaluación completa de

la situación. [9], [10].

Fig. 3: Ausencia del esbozo de vidrio : el daño

en el aislador de vidrio es de fácil detección con

una mirada a la línea.

c) Aisladores compuestos: puedensufrir los daños más severos en el

núcleo de fibra de vidrio, de difícil

detección, excepto cuando críticos.

Más consecuencias a largo plazo

deben ser esperadas. Los daños en

el revestimiento y / o interfaces,muy frecuentes en este punto, no

siempre son vistos, y son amenazas

potenciales para la vida del

aislador. [7], [8], [9].


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Tabla 1

PROBLEMAS TíPICOS DE MANIPULEO QUE OCURREN CON LOS

DURANTE TRANSPORTE MANIPULACIÓN E INSTALAC

DAÑOS SIGNIFICANTES A LOS AISLADOTIPOS DE ACCIÓN

VIDRIO TEMPLADO PORCELANA

SUAVE

GOLPESFUERTE

Decapado en la superficie deldielctrico

Posible explosión del dieléctrico

Decapado en el superficie conremoción del vidriado

Decapado o fisura inducida en elcuerpo de la porcelana

Encafib

Porev

Raspadura en la superficie delvidrio

Daño en el vidriado con remociónpartial con exposición de laporcelana

Daño localizado de la galvanización de los

ARRASTRANDO POR EL

SUELO…

Posible daño o iniciación de la fisura en los herrajes terminales como resultadeform

Vástago curvadoPosiblevidrio

IZAMIENTO INAPROPIADO

DE LA CADENA


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TABLA 2

CONSECUENCIAS DE DAÑOS TIPICAMENTE ENCONTRAD

DURANTE ALMACENAJE TRANSPORTE EMBARQUE Y

CONSECUENCIAS DE DAÑO EN EL

TIPOS DE DAÑOSVIDRIO TEMPLADO PORCELANA

DecapadoIntegridades mecánica y eléctricadel aislador son mantenidas

Posible evolución de la fisura hala perforación del dieléctrico

Fisura del DieléctricoNo hay propagación de fisurasuperficial en la zona compresivadel vidrio templado

Posible evolución de la fisura hala perforación del dieléctrico

Posibles fisuras desarrolladas enmaterial dieléctrico hasta perforaciónVástago curvado

Mal acoplamiento o tensión anormal en las partes metálicas

Deformación de aletas

Corte de la Goma

Fractura del Núcleo

Degradación del Galvanizado


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2. Tipos de fallas encontradas enservicio y sus consecuencias en elsuministro de energía ycontinuidad del servicio.

Las fallas en servicio pueden serclasificadas en tres categorías:

como resultado de un defecto de

fabricación no eliminado en la línea

de producción

como resultado de degradación

inducida por la instalación / manejo

no eliminada por el personal de

construcción en las inspecciones

visuales

como resultado de una condición

anormal de la línea.

La Tabla 3 presenta un resumen de loscasos más comúnmente identificados

para cada tipo de aislador. Algunos

comentarios particulares deben ser

presentados a este punto:

a) en todos los casos, el riesgo de fallasde fabricación es reducido para los

fabricantes de alta calidad, pues

tienen mejor control y conocimiento.

Para la porcelana, buena calidad

reduce el riesgo de fisuras, pero la

evaluación, desde el punto de vista de la

calidad es muy difícil de realizarse, una

vez que no existe una indicación visual

en el exterior de que no hay grietasocultas.

El riesgo de haber una falla debido a

un defecto de fabricación es casi nulo

con el vidrio templado, dado a que no

existen defectos ocultos, deteniendo

este la ventaja de la transparencia y la

condición binaria del proceso de temple.

Para los aisladores poliméricos, siendoel principal riesgo la calidad de lainterfaz entre la fibra de vidrio y elrevestimiento (Fig. 4), y como no hay unmétodo normalizado para evaluar este punto, sólo técnicas sofisticadas deultrasonido (no utilizadas como teste derutina) están disponibles actualmente(además, pocos son los fabricantes

realmente capacitados para utilizar este

método), los defectos relacionados a lacompresión de los herrajes terminalesdeben ser controlados visto que la producción utiliza métodos acústicos quedetectan la degradación del núcleodurante este proceso.

Fig. 4: fisuras internas llevando a fallas

eléctricas debido a la interfaz con

problemas.

b) Manejo incorrecto es un asunto norelacionado con las normas de calidadde los fabricantes. La consideración principal aquí es proveer a lostrabajadores en campo métodos defácil detección de las fisuras,

evitándose los riesgos de instalaciónde unidades dañadas, que, con eltiempo, pueden provocar falla dealgunas unidades.

Inclusive la porcelana de buenacalidad no demuestra la inducción defisuras, y, por lo tanto, consecuenciasseveras pueden ser esperadas enservicio, por falla o porenvejecimiento


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TABLA 3

FALLAS TÍPICAS ENCONTRADAS EN SERVICIO

TIPO DE FALLA CONSECUENCIA

ORIGEN DE LA FALLA VidrioTemplado

Porcelana Polimérico Vidrio Templado

DEFECTOS DE FABRICACIÓN

Defectos soneliminados en lalínea deproducción

Cocimientoinadecuado en elhorno

micro-fisurasinternas en elmaterial

Defecto deinterfaz

Efis

MANIPULACIÓN INADECUADADieléctrico devidrio explota

Fisura de la pieza

- Corte de lagoma- Fisuras en elnúcleo

No evolución : El

conjunto vástago-caperuza esretirado durantemantenimientofuturo

Efis

Arco depotencia

Dieléctrico devidrio explota

Ruptura de lapieza posibleperforacióninterna

C

VandalismoDieléctrico devidrio explota

Ruptura de lapieza

CAUSAS EXTERNASEN SERVICIO

CorrosiónReducción del diámetro del

vástagoReducción de la re

ENVEJECIMIENTO

Desarrollo demicro-fisuras

perforación

Rdd


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El vidrio templado, una vez más,

ofrece la ventaja del estado

binario. El esbozo está intacto y

tenemos cero chances de daños

en el dieléctrico, o el vidrio está

roto, que es una prueba obvia deque este aislador no se podrá

instalar.

Los aisladores poliméricos puedenengañarnos, a pesar de su aparente “robustez ” y capacidad para aceptarlos abusos debido al revestimientode goma. Estos productos son másvulnerables y definitivamente másdifíciles de evaluar cuando estándamnificados. Los aisladores poliméricos pueden serdamnificados en todas las posibilidades de manejo, (fig. 5) yactualmente exigen una mayoratención del personal de instalación,después de instruidos sobre los posibles riesgos. Las fallas debido a problemas inducidos por el manejoson normalmente graves, desdesimples cortes en las aletas a dañosen los núcleos de fibra de vidrio.

Fig. 5: núcleo de fibra de vidrio quebrado

debido a problemas de manejo durante la

instalación.

c) Causas externas

Los incidentes relacionados con causas

externas son más directamente los rayos,

llevando a la caída de las líneas de

porcelana cuando la cabeza se rompe.En este caso, la energía pasando por la

cabeza debe generar el llamado

“decapado” del dieléctrico (Fig. 6, 7 y

8). Este riesgo es definitivamente más

elevado con los materiales que

contengan posibles fisuras internas, o

simplemente hechos con material como

la porcelana donde, inherentemente, la

estructura del material contiene fisuras.

Fig. 6: aisladorde porcelana

perforado y

decapado

resultante de la

sobre-tensión de

energía llevando

a la caída de la

línea.

Fig. 7: descarga

externa de una

cadena con

aisladores de

vidrio “sin falda”

> el arco queda

fuera de la unidad

dañada sin

riesgo.

Fig. 8: Descarga

de una cadena de

porcelana con

una unidad rota

> vía interna

dañada dentro de

la pieza de

porcelana

riesgo deseparación.


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Quiebras de dieléctricos de vidriogeneradas por causas externas pueden serobservadas, pero la cadena permanecesegura desde el punto de vista mecánico(Fig.7 ). El riesgo de una falla esinsignificante porque la unidaddamnificada no compromete la integridadde la cadena.

Para los aisladores poliméricos, un rayodirecto puede no llegar a tener losmismos efectos debido a la longitud de lacadena. Sin embargo, siempre hay una posibilidad de que las unidades que noestán protegidas reciban la corriente deforma que caliente los herrajes, a tal punto que el estrés producido por lacompresión sea liberado haciendo que sedeslice el núcleo de fibra de vidrio. Yaque son orgánicos, estos arcos puedentambién causar grietas en la cubierta,haciendo con que la barra sea expuesta alambiente exterior.

3. Métodos de detección y control

La preocupación en asegurar un controladecuado de la línea de energía constituyeactualmente uno de los aspectos más discutidosde la operación. Existe una gran cantidad dedocumentos escritos sobre este tópico. Sin

embargo, por motivos prácticos, las siguientesmedidas deben ser tomadas en consideración:

Debido a la gran cantidad de aisladores de unalínea cualquiera, las técnicas de inspección ycontrol a ser utilizadas deben ser las máseconómicas posibles, de rápida aplicación y porsupuesto ofrecer un nivel de confianza que sealo más próximo al 100% de garantía.

La Tabla 4 resume las opciones para el personal de inspección, en lo que respecta a las

líneas de evaluación.

En caso de inspecciones de los aisladores de porcelana, el control es difícil porque losdefectos son ocultos. Las únicas técnicas quenos pueden suministrar alguna información(que no llega al nivel del 100% de seguridad )suponen el uso de herramientas costosas, deutilización necesaria en cada cadena individual,una vez más, con resultados no muy seguros

[3], [5], [6],[16].

Partiendo de un punto de vista

completamente diferente, la inspección

de los aisladores de vidrio es económica

e inmediata.La condición de los

aisladores de vidrio es binaria ( por

ejemplo: puedo ver el dieléctrico de

vidrio o no puedo verlo porque está

roto) y esto nos ofrece un nivel de

confianza del 100% sin ningún riesgo de

una interpretación errada [6], [12] .

Los aisladores poliméricos, debido a lanaturaleza compleja de sus materiales y de susinterfaces, no ofrecen medios sencillos deinspección. Es muy probable que el defecto delas interfaces permanezca oculto hasta que yasea demasiado tarde. Como consecuencia deesto, diversas empresas públicas en el mundo

han experimentado largos periodos de

tiempo con suministros de energía

interrumpidos hasta conseguir localizar launidad fallada en la línea. Herramientas

sofisticadas, como las utilizadas para los

aisladores de porcelana, son requeridas y

aún así proporcionan resultados, algunas

veces, de cuestionables niveles de

confianza [1], [6], [12], [15], [17], [21].


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TABLA4

MANTENIMIENTO – DETECCIÓN

DIAGNÓSTICO EN SERVICIO: INSPECCIÓN DE

DETECCIÓN DE UNA UNIDAD CON FALLA EN SE


EN LÍNEAENERGIZADA

Una inspección visual essuficiente

Inspecció

Óp

ElO

EN LÍNEA NOENERGIZADA

Una inspección visual essuficiente

Óhmetro Vibración Medición de Resist Inspección Visual

INSPECCIÓN DE LALÍNEA

CONDICIONESMETEOROLÓGICASSECASNECESARIAS

NO SI

COSTO COMPARATIVO(Por ejemplo para una línea de 300 kV) 10 $/Km 152 $/Km

CIG

CEPSI informeDOCUMENTACIÓN DE REFERENCIA


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4. Mantenimiento de líneasenergizadas y no energizadas

Es obvio que los procedimientos de

mantenimiento, seguridad y la

facilidad para su aplicación estánrelacionados con la facilidad y el nivel

de confianza de la inspección de las

cadenas [14].

Las evaluaciones preeliminares

serán efectuadas con costos

relativamente elevados y no

constituyen un medio 100% válido

de comprobar los riesgos en caso

de aisladores poliméricos y de

porcelana.

El contrario ocurre con el vidrio

templado, para el cual el

reconocimiento de una falla es

inmediato sin la necesidad de

ningún instrumento diferente de la

observación visual del operador de

la línea (Fig. 9).

Figura 9: Trabajo en cadena de vidrio en

línea energizada: la seguridad de los

trabajadores es preservada (SERECT).

En la tabla 5 resumimos las condiciones

de las operaciones de mantenimiento.

5. Operaciones de mantenimientobajo condiciones decontaminación

En los ambientes con contaminación

deberán cumplirse exigenciasespeciales que son únicas para estas

condiciones. La Tabla 6 muestra lasmedidas clave que deberán tomarse en

cuenta cuando se opera en un ambiente

con contaminación. Mientras podemos

afirmar que un buen desempeño de los

aisladores poliméricos en un ambiente

contaminado puede ser una ventaja, no

debemos olvidar que esto solamente

acontecerá cuando el material del

revestimiento evita que la humedad delambiente se introduzca dentro del

aislador. Los modelos con empalmes o

lacres no tuvieron resultados positivos,

(Fig. 10) ya que sin lugar a dudas van

a provocar riesgos operacionales,

especialmente durante las operaciones

de lavado con alta presión [11].

Fig. 10 : Fractura frágil del aislador

polimérico provocando la caída de la línea:

lacres damnificados y/o gastados permiten la

penetración de la humedad.


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TABLA5

O P E R A C I Ó N D E M A N T E N I M I E N T O D E S U S T I T U C I Ó N D

TÉCNICAS VIDRIO TEMPLADO PORCELANA

Operación de sustitución(trabajo en línea viva)

MUY SEGURO

El aislador sin “ falda” esfacilmente localizado en lacadena(por simple inspección visual)

PELIGRO si el aislador estdañadoNecesario localizar exactamlas unidades defectuosas

No necesita sustituir toda la cadena

SUSTITUCIÓNDE UNAISLADORDEFECTUOSO

Operación de sustitución enlínea sin energía

En áreas contaminadaslimpiar los aisladores

puede ser necesariorestantes


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TABLA6

C O N T A M I N A C I Ó N : O P E R A C I Ó N D E M A N T E N I M

y r e d u c c i ó n d e r u i d o a u d i b l e e n c o n d i c i o n e s c o n


LAVADOLavado delaislador vivo

Mejor eficiencia del perfil delaislante debido a la mayordistancia entre las estrías

Manual

LIMPIEZA Sistema delimpieza enseco

Más fácil debido a la mayordistancia entre las estrías.La eficiencia de es verificadamás fácilmente debido a latransparencia del vidrio.

Algunas formas con gran fuga estrías próximas y profundas npueden ser limpiadas a mano

RTV

Sedi-capaPuede ser aplicado ensuperficie altamentecontaminada

R E G E N E R A C I Ó N

P R E V E N

T I V A

D E L A I S L A D O R

TRATAMIENTOHIDRÓFOBO

Grasa desilicona

USOUn nuevo tipo de aislador consuperior desempeño en presenciade contaminación (eficiencia de para igual longitud)

Alta relación de distancia defuga / espaciamiento posibleSuperior desempeño pormetro de longitud de cadena

N U E V A

S O L U C I Ó N

USO DE AISLADOR CONSUPERIOR PROTECCIÓNCONTRA CORROSIÓN

GalvanizadoManguito de retardo deManguito de retardo de

(en condiciones de

reforzadola corrosión en el vástagola corrosión en la caperuza contaminación extrema)


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Las particularidades del proceso de la

porcelana producen formas con estrías

próximas unas de las otras para evitar la

pérdida de energía en las grandes distancias.

De esta manera la contaminación se

acumula en estas “armadillas” y tambiéndificultan la limpieza (fig. 11). Los

aisladores de vidrio pueden ser fabricados

con una mejor distribución de las estrías,

facilitando la limpieza. También es

importante notar que la transparencia del

vidrio permite una mejor evaluación de las

condiciones de la superficie, especialmente

después del lavado.

Fig. 11: – Diferencias del diseño del perfil ydesempeño enpresencia de contaminación.

6. Conclusión

Mientras el mercado de energía más y más

endereza su atención para el usuario final,

para el rechazo de las condiciones de

irregularidad en los suministros de energía,las concesionarias del mundo entero tratan

de mejorar las condiciones de sus redes de

suministro para garantizar la continuidad del

servicio.

Un aspecto esencial a ser contemplado es el

tiempo y el costo requeridos para

inspeccionar, controlar y detectarse los

aisladores con fallas en las líneas, así como

el comportamiento de los aisladores

damnificados.

Quedó establecido durante los últimos 50

años que, como muestra la Tabla 8, larespuesta más económica y rápida es la

utilización de aisladores de vidrio templado

de alta calidad.

Fuera los aspectos de la facilidad de

inspección y detección, el desempeño

intrínsico residual de los aisladores de vidrio

damnificados es de igual forma

extraordinario (t abla 7 ) .

Los aisladores de porcelana o poliméricos

damnificados muy probablemente van a

ocasionar fallas catastróficas en algún

momento. Un aislador de vidrio “ sin falda”

no, y no ocasionará, en ningún momento, la

falla de la cadena.

Por lo tanto, los aisladores de vidriotemplado no pueden ser considerados, desde

el punto de vista de seguridad, en la misma

categoría que los de porcelana o que los

aisladores poliméricos.


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TABLA7

COMPORTAMIENTO RESIDUAL DEL DIELÉCTRICO DAÑADO D


MECÁNICO RESIDUAL ARRIBA DEL80% DEL VALOR NOMINAL

PUEDE SER IGUAL OPRÓXIMO A 0% DEL VALOR

NOMINALPR

ELÉCTRICO

ARCO EXTERNO A LA

UNIDAD REMANESCIENTE

ARCO INTERNO CON RIESGO

DE EXPLOSIÓN

N

DED

RIESGO DE EVOLUCIÓNCRITICA

NINGÚNO ALTO

OPERACIÓN DEMANTENIMIENTO NO URGENTE URGENTE


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TABLA8

RECOMENDACIONES PREVENTIVAS PARA MINIMIZAR LA OPERACI

PARÁMETROS VIDRIO TEMPLADO PORC

ALMACENAJE

MANIPULACIÓN

MONTAJE

Índice de fallas en servicio con el tiempo

Detección de una unidad fallada

Posibilidad de trabajo en línea en caliente

Desempeño de Flashover

Eficiencia de perfil

Verificación de laeficiencia de limpieza

DESEMPEÑO ENCONTAMINACION

Protección de corrosión

Comportamiento del aislador en caso de daño

S

E L E C C I Ó N

D E A I S

L A D O R E S

Buen desempeño

Puede ser dificil/Recomendaciones deben ser aplic

Comportamiento puede ser crítico


17/17

7. Bibliography

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fiabilidad del suministro de energía y mantenimiento de aisladores

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