AISLADORES

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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. 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. 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. 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. AISLADORES Piezas o estructuras de material aislante. Funciones  

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Sirven fundamentalmente para sujetar a los conductores, de manera que estos no se muevan en sentido longitudinal o transversal. Deben evitar la derivación de la corriente de la línea hacia tierra, ya que un aislamiento defectuoso acarrea pérdidas de energía y en consecuencia un aumento del gasto de explotación comercial del sistema. Sujetan mecánicamente los conductores a las estructuras que los soportan, asegurando el aislamiento eléctrico entre estos dos elementos.

 Características 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

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aislador al poste se realiza por medio de herrajes. Pero además, un aislador debe tener las características mecánicas necesarias para soportar los esfuerzos a los que está sometido. Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, las cualidades específicas que deben cumplir los aisladores son: 

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Rigidez dieléctrica (Entendemos por rigidez dieléctrica o rigidez electrostática el valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad aislante y pasa a ser conductor. Se mide en voltios por metro V/m (en el SI)). suficiente para que la tensión de perforación sea lo más elevada posible. Esta rigidez depende de la calidad del vidrio, de la porcelana o del material compuesto que lo conforman y del grueso del aislador. La tensión de perforación es la tensión a la cual se ceba el arco a través de la masa del aislador. Disposición adecuada, de forma que la tensión de contorneamiento presente valores elevados y por consiguiente no se produzcan descargas de contorno entre los conductores y el apoyo a través de los aisladores. La tensión de contorneamiento es la tensión a la que se ceba un arco a través del aire siguiendo la mínima distancia entre fase y tierra, es decir, el contorno del aislador. Esta distancia se llama línea de fuga. Resistencia mecánica adecuada para soportar los esfuerzos demandados por el conductor, por lo que la carga de rotura de un aislador debe ser cuanto menos igual a la del conductor que tenga que soportar. Resistencia a las variaciones de temperatura.

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Ausencia de envejecimiento.

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El envejecimiento se refiere al proceso que causa la falla del aislador para poder cumplir con su función.

Características eléctricas y mecánicas de los aisladores. Eléctricas. • •

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Descarga disruptiva o de contorneo, se produce en la superficie del aislador a través del aire. Tensión de perforación, es el valor de la tensión capaz de producir la ruptura del aislador en un determinado punto como consecuencia de una descarga a través de su masa. Tensión crítica, es la tensión para la cual comienzan a formarse arcos superficiales entre el conductor y el soporte del aislador. Tensión nominal de servicio, es la constituida por la tensión de la red.

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Mecánicas. • Carga crítica, es la carga mecánica del conductor capaz de producir en el aislador averías que ocasionan descargas eléctricas. • Carga máxima de servicio, está constituida por la carga que soporta el aislador en condiciones normales de funcionamiento de la línea. • Carga de rotura total, es el esfuerzo mecánico que provoca la separación de las partes por rotura del aislador (en el caso de la cadena sería la rotura de un elemento).

Los aisladores son, de todos los elementos de la línea, aquellos en los que se pondrá el máximo cuidado, tanto en su elección, como en su control de recepción, colocación y vigilancia en explotación. En efecto, frágiles por naturaleza, se ven sometidos a esfuerzos combinados, mecánicos, eléctricos y térmicos, colaborando todos ellos a su deterioro. Todo nuevo tipo de aislador necesita ser confirmado por un uso muy prolongado, dada la imperfección de nuestro conocimiento en esta materia.

MATERIALES EMPLEADOS EN LOS AISLADORES Aisladores de porcelana Su estructura debe ser homogénea y, para dificultar las adherencias de la humedad y polvo, la superficie exterior está recubierta por una capa de esmalte. Están fabricados con caolín y cuarzo de primera calidad. La temperatura de cocción en el horno es de 1400º C. En alta tensión, los aisladores son de dos, tres o más piezas unidas con yeso. Esto se debe a que solamente se consigue una cocción buena cuando su espesor no excede de 3 cm. Aisladores de vidrio Están fabricados por una mezcla de arena silícea y de arena calcárea, fundida con una sal de sodio a una temperatura de 1300 ºC, obteniéndose por moldeo. Su color es verde oscuro. El material es más barato que la porcelana, pero tienen un

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coeficiente de dilatación muy alto, que limita su aplicación en lugares con cambios grandes de temperatura; la resistencia al choque es menor que en la porcelana. Sin embargo, debido a que el coste es más reducido y su transparencia facilita el control visual, hacen que sustituyan en muchos casos a los de porcelana. Los aisladores de suspensión de vidrio, luego de su fabricación, requieren de un templado especial a mayor temperatura, a efectos de limitar las tensiones internas del vidrio y dotarlos así de una mayor resistencia a los golpes. Este tipo de aislador presenta dos grandes ventajas respecto al de porcelana, una es que resulta fácil visualizar cuando falla, ya que el vidrio revienta y por lo tanto se nota a simple vista la falta de la campana aislante en una línea de transmisión, otra es que no se cae el conductor, debido al incremento del volumen del vidrio que se encuentra entre el badajo y la caperuza, cosa que sí puede suceder con el aislador de porcelana. Otra característica importante, es que los aisladores presentan mayor resistencia a la tracción que los de porcelana.

de

vidrio

Aislador polimérico Un aislador polimérico es un tipo de aislador empleado tanto en líneas eléctricas de transmisión y distribución, como en subestaciones, y que se caracterizan por estar constituidos por un núcleo central de material sólido, usualmente fibra de

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vidrio, y una cubierta exterior aislante de material polimérico, que además se caracteriza por ser flexible. Esto los diferencia de otro tipo de aisladores empleados más tradicionalmente en líneas y subestaciones eléctricas, que son de porcelana o vidrio. Las principales ventajas de este tipo de aislador son su resistencia mecánica frente a golpes derivada de su flexibilidad y mejor comportamiento ante la contaminación derivada de las características del material polimérico. Por ello han ido progresivamente reemplazando a los aisladores de cerámica o porcelana. En este tipo de aplicaciones, una cadena de aisladores de disco es ahora reemplazada por un único aislador polimérico, lo que además simplifica su instalación o reemplazo.

Aisladores fijos. Están unidos al soporte por un herraje fijo y no pueden, por consiguiente, cambiar normalmente de posición después de su montaje.

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Aisladores de espiga:

Los aisladores de espiga están formados por uno o varios cuerpos de porcelana o vidrio permanentemente conectados entre

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sí, provisto de una cavidad u orificio para la fijación de una espiga de montaje no integrante, por medio de la cual el aislador se fija rápidamente a una estructura soporte. La espiga (también conocida como espárrago o vástago) es un accesorio para fijar el aislador a una estructura soporte. El uso de estos aisladores se limita hasta sistemas de medianas tensiones. Los aisladores formados por varias piezas unidas por cemento, presentan la ventaja de que la rotura ocasionada en una pieza no se transmite a la otra debido a la presencia del cemento intermedio, evitando así un posible contacto entre línea y tierra. Estas piezas generalmente tienen una forma de campana. La campana superior es la de mayor importancia debido a su efecto protector y por consiguiente es la de mayor diámetro. La finalidad de darles forma de campana es obtener mayores distancias de fuga tanto más, cuando mayor sea la tensión de servicio. El aislador fijo más simple es el de las líneas telefónicas, o el de las líneas de baja tensión (Modelo ARVI-12). Cuando la tensión es más alta, se acostumbra a prolongar la línea de fuga dando a la campana ondulaciones profundas e inclinadas hacia abajo; cuando el tamaño del aislador es grande o la campana es complicada, no puede fabricarse de una sola pieza, por lo que debe estar constituida por la unión de 2, 3 ó 4 campanas superpuestas, unidas por yeso o cemento (modelo ARVI-32). Los mayores aisladores fijos corresponden a una tensión de servicio de 63 kV. Pueden ser de porcelana o vidrio.

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Aisladores con base:

A diferencia del aislador de espiga, este tipo de aislador está dotado de una base que consiste de una pieza metálica sellada al dieléctrico, que le permite fijarse a la estructura soportante. Así se tiene, por ejemplo, el aislador con base para líneas (line post), también conocido como tipo poste. Este aislador posee una base para colocarlo directamente sobre el poste de una línea de transmisión, sin necesidad de cruceta

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Aisladores en cadena o suspendidos. Están constituidos por un número variable de elementos según la tensión de servicio; estas cadenas son móviles alrededor de su punto de unión al soporte, y además, las articulaciones entre elementos deben tener bastante libertad para que los esfuerzos de flexión queden amortiguados; estas articulaciones suelen ser de rótula. Este tipo de aislador es el más empleado en media y en alta tensión, ya que presenta las siguientes ventajas: Permite elevar la tensión de funcionamiento con sólo aumentar la longitud de la cadena, es decir, colocando más elementos. No se interrumpe el servicio por rotura de un aislador, ya que la cadena sigue sustentando al conductor. Presenta una gran economía en la reparación de las cadenas, pues solamente es necesario cambiar el elemento averiado. Existen diversos tipos de aisladores de cadena, que describimos a continuación: Caperuza-vástago (caperuza – espiga): Este aislador se compone de una campana de porcelana o vidrio, en forma de disco y que lleva en su parte inferior algunas ondulaciones. En la parte superior de la campana está empotrada una caperuza de fundición o acero, y en su parte inferior en un hueco bastante reducido, lleva un vástago sellado al aislador. Vástago y caperuza se adaptan uno y otro por una articulación de rótula, formando de esta forma una cadena tan larga como se quiera. Se fabrican en

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porcelana o en vidrio templado. Existen numerosos modelos con diversas características eléctricas y mecánicas. Motor: Este elemento está constituido por un núcleo cilíndrico de porcelana de diámetro comprendido entre 60 y 85 mm, y provisto de dos faldas anchas; en los dos extremos están empotrados dos caperuzas análogas a las de los aisladores caperuza-vástago. La unión de los aisladores Motor entre sí se hace con un pequeño vástago cilíndrico terminado en dos rótulas. La diferencia esencial entre el aislador Motor y el elemento caperuzavástago reside en el hecho de que el primero es rigurosamente imperforable en servicio, mientras que el segundo puede, en ciertas circunstancias, perforarse antes de ser contorneado, especialmente por la acción simultánea de esfuerzos mecánicos y acciones eléctricas. Langstab: Este modelo es una ampliación del aislador Motor y se denomina Langstab (larga línea de fuga). Está constituido por un largo cilindro de porcelana de 80 a 100 cm., con ondulaciones bastante profundas y terminado en dos caperuzas. FALLAS EN LOS AISLADORES Dependiendo de los materiales utilizados en los aisladores, de su diseño y de las condiciones ambientales, se pueden generar diferentes mecanismos de degradación que pueden provocar la falla del aislador. Algunos de estos mecanismos son: 1. Diversas formas de falla mecánica de la barra de fibra de vidrio (brittle fracture). 2. Formación de caminos conductores sobre la superficie del material aislante (trackíng). 3. Aparición de partículas del relleno en la superficie aislante (chalking). 4. Cambios en el color base del material aislante (colour changes).

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5. Rompimiento del material no cerámico como resultado de la exposición a altos niveles de energía UV asociada con la presencia de corona (corona cutting). 6. Corrosión de las partes metálicas debido a la reacción química con el ambiente. 7. Microfracturas superficiales con profundidades entre 0.01 y 0.1 mm (crazing). 8. Rompimiento del material adhesivo usado para unir químicamente dos materiales del aislador (debonding). 9. Pérdida significante del material aislante, irreversible y no conductora (erosión). 10. Exposición de la barra de fibra de vidrio al ambiente (exposure of the core). 11. Fracturas superficiales con profundidad mayor a 0.1 mm (aligatoring). 12. Fuga de grasa de las interfaces aleta-cubierta o cubierta-núcleo hacia la superficie (grease leakage). 13. Penetración de agua en forma líquida o vapor, causando el ablandamiento de cubierta o aletas (hydrolisis). 14. Pérdida de hidrofobicidad. 15. Pérdida de adhesión del sello de los herrajes (peeling). 16. Daños por arco de potencia (power arc damage). 17. Daños por perforación (puncture). 18. Separación o apertura del material aislante (splitting).

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Aislador con descarga

Aislador con contorneado

Aislador comido de pájaros

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Aislador

Envejecimiento de los aisladores.

Perforado

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Se ha observado a través del tiempo que los aisladores después de un lapso de años sin presentar averías se comienzan a deteriorar en un lapso breve de tiempo. Además se ha llegado a la conclusión de que el tipo de deterioro es el resultado de fenómenos de carácter mecánico y térmico. Los resquebrajamientos se producen frecuentemente por las dilataciones del material que vincula las campanas entre sí o a estas con el soporte. Por lo cual puede atribuirse al comportamiento defectuoso de los cementos utilizados y también a la dilatación o contracción de la campana exterior por la acción de las variaciones de temperatura. Para el caso de aisladores en depósitos, el deterioro es semejante a los que se encuentran en servicio siempre que las condiciones climáticas sean iguales. Bajo la acción de las lluvias el agua puede penetrar en fisuras existentes produciendo la rotura final de los aisladores. Para evitar los inconvenientes mencionados, es importante que los aisladores sean correctamente fabricados y fundamentalmente no someterlos a esfuerzos mecánicos exagerados. Las principales causas de deterioro de los aisladores son las siguientes: a. Defectos de fabricación que introducen tensiones internas b. Porosidad del material (se ioniza el aire existente en los poros facilitando consecuentemente la perforación del aislador). c. Defectuosa distribución del campo eléctrico d. Pequeña resistencia mecánica.

CADENA DE AISLADORES. Es importante destacar que cuando se emplean aisladores de suspensión para tensiones reducidas y para las cuales sería necesario un sólo aislador, no se conforma la cadena con un sólo elemento dado que con la avería de éste la línea queda fuera de servicio. Por ello se conforman las cadenas con 2 elementos como mínimo, permitiendo ello que aun cuando uno de los elementos se hubiere deteriorado la línea permanece en servicio hasta su reemplazo. 

El alto nivel de voltaje en el cual operan las líneas de transmisión, hace necesario la utilización de cadenas de aisladores, constituidas por n aisladores en serie.

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El nivel de aislamiento de la cadena es siempre menor que n veces el aislamiento de un aislador solo, y esto es más notorio cuando el número de aisladores es grande. El largo de la cadena depende del voltaje, mientras más grande aumenta el largo de la cadena, para cumplir con la distancia mínima, y se requiere una altura mayor en las torres.

En el sistema de transmisión de Venezuela, se han normalizado el número de aisladores, según el nivel de voltaje de operación de la línea resultando:

En las cadenas de aisladores se distinguen cuatro tipos principales: 

Suspensión Simple

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Suspensión Múltiple

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Amarre simple

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Amarre múltiple

Cadena de Suspensión Simple, empleada en la alineación y en los pequeños ángulos flexibles.

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Las diversas Cadenas de Suspensión Dobles, utilizadas en algunos cruces importantes y en los ángulos flexibles mayores. El sistema más simple está formado por dos cadenas elementales unidas por un balancín al estribo o a la horquilla de muñón fijado al brazo de habilitación, se suelen distinguir tres tipos de suspensión doble.

La Cadena de Anclaje Simple, empleada algunas veces en los anclajes de líneas y más frecuentemente en los empalmes en las subestaciones. Salvo en las líneas de 20, 63 y 90 kV, la cadena de anclaje simple es de un empleo muy limitado.

Cadena de Anclaje Doble. Se utiliza en la línea, en los ángulos importantes del trazado y en los amarres delante de las subestaciones. Esta cadena está sometida permanentemente a la tensión mecánica del conductor, que puede llegar a 1/3 de la carga de ruptura en servicio normal, y el 70% de la tensión de ruptura.

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DISTRIBUCIÓN DE LA TENSIÓN EN LOS AISLADORES DE UNA CADENA. Los aisladores de alta tensión están normalmente construidos de varias unidades de porcelana en serie, conectadas mediante herrajes. Si el voltaje aplicado fuera directo, todas las unidades del aislador se encontrarán sometidas a un mismo nivel de tensión, dado que una pequeña corriente fluiría a través de la cadena y el voltaje sería igual a esa corriente por la resistencia de cada unidad. Cuando el voltaje aplicado es alterno, la tensión a través de las diferentes unidades no tendría los mismos valores debido a que la corriente de carga no es la misma a través de toda la cadena ya que existen varias capacitancias y por lo tanto reactancias capacitivas que intervienen en el sistema. La tensión de contorneamiento en seco de un elemento caperuza-vástago normal de 254 mm de diámetro es de 78 kV. Cuando se forma una cadena de n elementos no se tiene una tensión de contorneamiento de n * 78 kV sino inferior. Por ejemplo: 5 elementos soportan 270 kV. (media de 54 kV.) 10 elementos soportan 475 kV. (media de 47,5 kV.) 15 elementos soportan 670 kV. (media de 44,6 kV.)

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Ello se debe a la desigual repartición del potencial a lo largo de la cadena. Desde el punto de vista de las capacidades, una cadena de aisladores es equivalente al conjunto de condensadores conectados como se muestra en la figura siguiente para el supuesto de tres elementos. 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:

Llamamos C a la capacidad que presenta cada aislador, Ct a la capacidad de cada uno respecto a tierra, Un al potencial del conductor de la línea con relación a tierra, Un-1 al potencial en la unión de los dos últimos elementos, etc. Y puesto que las corrientes de capacidad están en fase (adelantadas p/2 sobre las tensiones) tenemos:

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EJEMPLO Sea una cadena de suspensión de tres aisladores sometidos a una tensión de 75 kV; sabiendo que k = 0,2, hallar la tensión que soporta cada aislador. Aplicamos la fórmula general: Vn = (2 + k) Vn-1 - Vn-2 Vn-1 = (2 + k) Vn-2 - Vn-3 y como Vn-3 = 0, sustituyendo, queda: Vn-2 = 19,5 kV.(75/(2+k)(2+k)-1=3,84) Vn-1 = 42,9 kV.(2,2*19,5) El aislador más cercano al apoyo soporta una tensión de 19,5 kV, el siguiente aislador soporta: 42,9 kV - 19.5 kV = 23,4 kV y, el aislador más cercano al conductor 75 kV - 42,9 kV = 32,1 kV.

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INCLINACIÓN DE LA CADENA DE AISLADORES. En los apoyos con aislamiento suspendido, es conveniente comprobar las posibles desviaciones que sufren las cadenas por efecto del viento y del ángulo de desviación de a traza, que puede sobrepasar en algunos casos la situación límite de la distancia a masa reglamentaria y que debe verificarse con viento de presión para las cadenas de suspensión.