aislador polimerico vida util

8/2/2019 Aislador Polimerico Vida Util

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EXPERIENCIA EN LA EVALUACIN DE AISLADORES POLIMRICOSPARA LA RED DE 23,9 kV DE ENELVEN, A TRAVS

DE UN LABORATORIO NATURAL

Augusto AbreuC.A. Energa Elctrica de Venezuela ENELVEN

RESUMEN

Con el fin de determinar deficiencias a nivel de diseo y fabricacin, los aisladores polimricos sonsometidos a diferentes pruebas a nivel de laboratorio establecidas en las normas ANSI C29.13-2000 [1] yIEC 61109-1995 [2]. Una de stas son las ambientales, las cuales se realizan a travs de simulacionesdentro de los laboratorios; sin embargo, estas nunca llegan a ser tan severas y exigentes como lascondiciones reales de operacin en campo. Por tal motivo, se evaluaron diferentes diseos de aisladorespolimricos (goma silicn) del tipo suspensin, con herrajes de acero galvanizado, de aluminio yrecubierto con polmero. Para esto, se dispuso de una zona especfica donde las condiciones ambientalesson las ms severas de la costa Occidental del Estado Zulia, ubicada a las afueras de la poblacin deParaguaipoa en el Municipio Pez en el sector Cao Sagua, establecindolo como un Laboratorio

Natural. En este sitio de prueba se unen tres factores, alto nivel de corrosin, fuertes vientos con arena(sand blasting) y un nivel de contaminacin mayor que el nivel IV (muy alta) establecida en la norma IEC-60815, la cual fue medida a travs del mtodo DESD (Densidad Equivalente de Sal Depositada). Estainvestigacin se realiz entre los aos 2002 y 2007, donde los aisladores fueron analizados mediante unamatriz de evaluacin cualitativa en funcin de inspeccin visual tanto del material polimrico como de losherrajes metlicos. Esto con el fin de obtener resultados acelerados y adaptados a las condiciones reales deoperacin. El objetivo de esta investigacin comprende exponer la metodologa utilizada y anlisis de lostipos de fallas presentados. Como resultado se establecieron recomendaciones para las caractersticas delos aisladores polimricos a ser utilizados en la red de Distribucin en la regin Zuliana, con el fin deobtener la mayor confiabilidad a travs de la vida til.

PALABRAS CLAVE

Aisladores Polimricos, Laboratorio Natural, Falla de Material, Condiciones Ambientales.

Comit Nacional Venezolano

II CONGRESO VENEZOLANO DE REDE S Y ENER GAELCTRICA

J u n io 2 0 0 9

C6-3

[email protected]


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1 INTRODUCCIN

La funcin principal de los aislamientos externos empleados en lneas areas es separar elctricamente losconductores de las estructuras de soporte (herrajes, crucetas y postes). Estos elementos estn sometidos acondiciones de intemperie y por ende, estn expuestos a las condiciones ambientales. Esta situacin afectalas caractersticas de cada aislamiento, mediante la acumulacin de impurezas y humedad sobre la

superficie de los mismos, lo que puede provocar desde pequeos flameos hasta arcos completos entre laslneas y las estructuras de soporte. La empresa C.A. ENERGIA ELECTRICA DE VENEZUELA(ENELVEN) ubicada en el occidente del estado Zulia posee una red de distribucin en 23,9 kV,conformada en su mayoria por instalaciones areas la cual est expuesta principalmente a los vientosprovenientes del Nor-Este, con alto contenido de sal proveniente del Golfo de Venezuela y del MarCaribe, donde la severidad de la contaminacin va aumentando desde el sur al norte del Zulia, siendo mssevero en los municipios Mara, Pez y Padilla. Adicionalmente, la combinacin de la contaminacinsalina y la humedad generada por el Lago de Maracaibo y el Golfo de Venezuela causa el aceleramientode procesos de corrosin en elementosmetlicos. Otro fenmeno natural que sepresenta en la regin consiste en fuertesvientos con arena produciendo el efecto de

erosin Sand Blasting en los materiales. Lared area de ENELVEN en 23,9 kVactualmente utiliza aisladores de materialcermicos con distancias de fuga desde 21,07mm/kV hasta 32,90 mm/kV, en bsqueda deminimizar las fallas por contaminacin,acompaado de los planes de lavado en lapoca de sequa, los cuales son costosos por elequipamiento y recurso humano. Los aisladores cermicos poseen la propiedad hidroflica, que produceuna capa de agua sobre la superficie del aislamiento, mas los contaminantes forman capas conductivasdonde se presenta la circulacin de corriente de fuga (Ver figura 1.a). Mientras que existen aisladoresfabricados con material polimricos, los cuales poseen la propiedad hidrofbica esta produce la

repelencia de la humedad y agua, lo que evita la formacin de una capa conductiva (Ver figura 1.b),imposibilitando la circulacin de corriente de fuga, evitando con ello que el aislador falle porcontaminacin. El presente trabajo tiene la finalidad de evaluar la situacin actual del aislamiento externoutilizado en ENELVEN y analizar los resultados obtenidos de las pruebas realizadas en campo a losaisladores durante un perodo de cinco (5) aos en condiciones naturales aceleradas (contaminacin,corrosin y sand blasting) con el objetivo de recomendar las caractersticas tcnicas de stos para serutilizados en la regin Zuliana.

2 IMPACTO DE LA CONTAMINACIN EN ENELVEN

La cantidad de fallas en los circuitos de distribucina causa de la contaminacin atmosfrica en

ENELVEN ha variado en los ltimos 6 aos (Verfigura 2). Estas fallas son significativas ya quegeneran costos adicionales por concepto demantenimiento preventivo (lavado), correctivo(reemplazo de los aisladores) y en la energa noservida. La diferencia en la cantidad de fallasanuales estn dadas por dos aspectos; el primero deellos por las variaciones del clima global y el otroaspecto est influenciado por la calidad y cantidad

a) b)

Fig. 1. a) Superficie Hidroflica. b) SuperficieHidrofbica.

Figura. 2. Comportamiento de las FallasPromedio por Mes 2002 - 2008.


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Tabla 1. Tipos de Aisladores Normalizados para ENELVEN en Distribucin

del mantenimiento preventivo orientado a los aisladores cermicos y de vidrio instalados actualmente. Enel estado Zulia existen bsicamente dos perodos de sequa, el primero es el de mayor duracin el cualinicia en el mes de diciembre y termina a mediados del mes de marzo; mientras que el segundo perodo esde menor duracin y est presente en los meses de junio y julio tal como se evidencia en la Figura 2. Unfactor clave en la resistencia ante flameo de un aislador frente a la contaminacin es la distancia de fuga.Con esta se controla la corriente de fuga que circula a travs de la superficie del aislante. Y la distancia de

arco seco es la lnea recta que cubre el material aislante. Con esta ltima distancia se controla el valor detensin de impulso crtico positivo y negativo, factor clave en las sobretensiones de origen atmosfrico.

3 EVALUACIN TCNICA

A continuacin se analizan los niveles de contaminacin, las distancias de fuga y arco seco adems de lascaractersticas principales de los aislamientos polimricos.

3.1 Caractersticas de los Aisladores de Lneas para la Red de 23,9 kV

En la Tabla 1, se muestra los parmetros: dimensin, elctricos y mecnicos establecidos en lasespecificaciones tcnicas para cada uno de los aisladores utilizados en la red de distribucin de

ENELVEN. A nivel de aisladores de lnea las distancias de fuga varan desde 21 a 34 plg para una red de23,9 kV. El aislador tipo espiga ANSI 56-3 con una distancia de fuga de 21 plg, es utilizado en zonas debaja contaminacin, en nuestro caso en los municipios ubicados en el sur del lago.

Parmetros Especificados para Aislamiento de la Red en 23,9 kV

Tipo de Aislamiento ExternoDist. Fuga Mnima Dist. de Arco

Seco (mm)Dimetro

(mm)Tipo de Material

(mm) (plg)

Campana (2 cadenas) 863,60 34 NE 254,00 Cermica

Aislador Pedestal ANSI 57-3 736,60 29 311,15 165,00 Cermica

Terminacin Cond. 1/0, 350, 750 MCM. 711,20 28 444,50 NEPolimrico

(Goma Silicona)

Desc. de Sobre Tensin 18 y 21 kV 558,80 22 NE 102,00 Polimrico(Goma Silicona)

Aislador Espiga ANSI 56-3 533,00 21 241,00 266,70 Cermica

NE: No Especificado.NA: No Aplica.

3.2 Evaluacin de la Distancia de Fuga.

En el medio ambiente existen diferentes tipos de contaminacin tales como: Marina, Excremento de Aves,Petroqumica, Minera, Cementera, Fertilizantes entre otros. En funcin del nivel conductivo y severidad

de la contaminacin, la norma [3] los clasifica en cuatro niveles los cuales son: Ligera, Media, Alta y MuyAlta. As mismo esta norma recomienda la distancia de fuga mnima que debe tener el aislamiento de usoexterno en cermica o vidrio. Partiendo del nivel de tensin de diseo para una red de 23,9 kV se procedia calcular la distancia de fuga para los cuatro niveles de contaminacin recomendados por la norma [3].(Ver Ecuacin 1) Lf : Distancia de fuga nominal (mm).

: Longitud de fuga especfica, segn nivel de contaminacin (mm/kV).V- : Tensin mxima entre fases del sistema (kV).Fs: Factor de seguridad. (recomendado: 1,05).Kd: Factor de correccin dependiente del dimetro del aislador.Kd = 1 si el Dimetro promedio es 300mm.

)1(Ecuacins

F*d

K*V*f

L


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Como puede observarse en lafigura 3, de los cinco tipos deaislamiento tres presentan unfactor de mm/kV para un nivel decontaminacin alto o mayorsegn la norma IEC 60815. Los

dos aislamientos que presentanvalores de 20 mm/kV son los queutilizan los descargadores desobre tensin y los aisladoresANSI 56-3. Para el caso de losdescargadores de sobre tensin,su aislamiento es polimrico(goma silicn) y desde hace siete(7) aos se han utilizado enENELVEN en condiciones demuy alta contaminacin, sin que

hasta la fecha se haya detectadoalguna situacin de falla por contaminacin ni degradacin del aislamiento. Para el caso del aislador ANSI5-3 el cual es de cermica, en la regin Zuliana solo es utilizado en el sur del Lago de Maracaibo dondelos niveles de contaminacin son bajos, ya que utilizar este diseo de aisladores en niveles decontaminacin superiores, significara un incremento en la frecuencia del plan de mantenimiento de lavadode dichos aisladores si se desea evitar que aumente la probabilidad de falla por contaminacin. Es dedestacar que la norma IEC 60185 [3] es una referencia ya que la misma establece el factor de mm/kV solopara aislamientos en cermica y vidrio, no especificando valores para aislamiento polimrico.

3.3 Aisladores Tipo Suspensin y Amarre Polimricos.

En la Figura 4, se muestran tres tipos de aisladores tipo suspensin

o amarre. El modelo (A) se asemeja a lo que especfica la norma[1], pero los fabricantes han desarrollado otros modelos especialesindicados como B y C. Por lo general, los herrajes de losaisladores bien sea cermicos o polimricos son fabricados enacero galvanizado o en casos especiales pueden ser fabricados conherrajes recubiertos de polmero (B) o de herrajes de aluminio (C)para ambientes muy corrosivos. Los aisladores tipo suspensinestn generalmente, constituidos de una sola pieza que se conformacon una barra de epoxi-fibra de vidrio recubierta exteriormente conun material compuesto, y se le adicionan en sus extremos lasterminaciones metlicas con las cuales se une por medio deherrajes al conductor y a la cruceta del poste.

3.4 Problemas Tpicos.

Dentro de los problemas tpicos de los aisladores polimricos se encuentran: Tracking (caminosconductivos), Craking (grietas mayores a 1 mm), Erosin (es una prdida de material polimrico por unefecto no conductivo) y Degradacin por rayos ultra violeta UV (agrietamiento masivo de la superficie).La mayora de estos problemas han sido superados con los nuevos diseos y compuestos; no obstantecuando ocurren son por: deficiencias del material con que es fabricado el aislador, poca experiencia deluso en campo, o por que las condiciones ambientales donde se utiliza, ha superado los parmetros de

Fig. 4. Diseos de Aisladores TipoSuspensin y Amarre.

A B C

Figura 3. Comparacin del Factor mm/kVpara los Aislamientos Utilizados por ENELVEN.


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diseo, pueden aparecer estos problemas. Por esto cobra importancia probar en campo los diferentesdiseos, mediante un laboratorio natural donde se presentan las condiciones ms severas de la regindonde sern implementados los aisladores polimricos.

4 METODOLOGA DE EVALUACIN

4.1 Laboratorio Natural

La zona geogrfica seleccionada Cao Sagua seencuentra en las cercanas del pueblo Paraguaipoa en elnorte de la Guajira Venezolana, ubicada en el MunicipioPez del Estado Zulia. Su escogencia obedece a suscondiciones ambientales (dada a su cercana con elGolfo de Venezuela). Para esto se ubic una derivacin(ramal) de un circuito en 23,9 kV con una baja densidadde carga, lo que permiti sacarlo de servicio paraestudiar las muestras bajo estudio. En esta zona, lascondiciones ambientales son extremas (vientos fuertes,

contaminacin salina, corrosin y sand blasting) por loque se pueden encontrar resultados acelerados en cortotiempo comportndose como un laboratorio natural.Con el fin de obtener resultados del comportamiento deaisladores de diferentes diseos, se instalaron muestras alo largo de todo el ramal. En la Tabla 2, se muestra unresumen de las condiciones ambientales de estelaboratorio natural. Para el monitoreo del nivel decontaminacin se dispuso de una estructura al lado delcircuito donde se ubicaron aisladores polimricos deprueba, adems una cadena de seis (6) aisladores cermicos para realizar medicin de contaminacin atravs del mtodo del DESD (Densidad Equivalente de Sal Depositada). Durante la medicin realizada

solo se utilizaron los cuatro (4) aisladores intermedios de la cadena tal como se describe en [4]. Con estemtodo se mide la cantidad de Cloruro de Sodio (NaCl) necesaria para producir conductividad medida enuna cantidad conocida de agua pura dividida por el rea de la superficie lavada del aislador.

4.2 Inspeccin Visual del Material Polimrico y Herrajes

Dentro de la metodologa de evaluacin de los aisladores de prueba montados en campo, la inspeccinvisual consiste en detectar fallas en el asilamiento polimrico, as como de las partes metlicas (herrajes).Para esto se estableci una matriz de evaluacin cualitativa. En la Tabla 3 se establece el patrn deevaluacin del material aislante y metlico del aislador polimrico.

Tabla 3. Estado del Elemento Aislante y Metlico del Aislador Polimrico.

ParmetroLab. Natural

Cao Sagua

Clima rido

Rango de Temperatura C 27 32 C

Nivel de Precipitacin 400 a 800 mm

Humedad 75 a 80%

Velocidad del Viento 4 a 6 m/seg

Presencia de Sand Blasting Si

Mximo Nivel Medido de DESD

(mg/cm)0,4406

Nivel de Contaminacin segn la IEC60815

Por Arriba deMuy Alto

(0,3000 mg/cm )

Nivel de Tensin Nominal (f-f) 23,9 kV

Mximo Nivel de Tensin (f-f) 25 kV

Inicio del Laboratorio Julio del 2002

Elemento Aislante Elemento MetlicoBueno No presenta rastros visuales de decoloracin,endurecimiento, fragilidad, prdida de brillo. Los herrajes estn en condiciones ptimas. No presentancorrosin.

RegularSe observa degradacin debido al proceso de degradacincomo cambios de decoloracin y perdida de brillo.

Los herrajes presentan prdida de galvanizado o perdida dematerial, con manchas de oxidacin hasta el surgimiento de

burbujas.

MaloPresenta degradacin, prdida de hidrofobicidad, descargaslocalizadas, fragilidad, endurecimiento, erosin y pequeasgrietas.

Hay presencia de corrosin. En los herrajes de la cadenacomienza la aparicin de escama y la expansin de laseccin.

CrticoDao en el aislamiento, descargas superficiales, efectos deerosin, grietas profundas y ruptura del aislante.

Hay presencia de corrosin. El herraje presenta una prdidade espesor, hasta la prdida casi completa del elemento.

Tabla 2. Caractersticas de Laboratorio Natural.


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4.3 Diseccin de los Aisladores

El objetivo de esta diseccin es evaluar el resultado delproceso de fabricacin y validar si existe una simetra entre elncleo de fibra de vidrio y la cubierta polimrica.Adicionalmente, se evala el espesor de la cubierta polimrica

donde lo recomendable es que esta deba tener como mnimo 2mm de espesor sobre el ncleo de fibra de vidrio, paraaisladores de hasta 34,5 kV. (Ver Fig. 5)

4.4 Unin Polmero Fibra de Vidrio Herraje.

Este es uno de los puntos ms crticos de los aisladores polimricos, ya que en este convergen tresmateriales generndose una interfaz. Dicha unin se inspecciona visualmente y se valida si hubo algunadeformacin o penetracin de humedad.

4.5 Anlisis de las Distancias de Fuga y de Arco Seco.

Se realiza una inspeccin visual con el fin de detectar huellas de Traking o Craking generados porcorrientes de fuga externos al material polimrico y que pudiesen ser causados por contaminacin.Adicionalmente, se pueden observar posibles huellas de flameo en el material polimrico o en herrajes,tpicos de una descarga elctrica

5 RESULTADOS

A continuacin se muestra las condiciones encontradas en las muestras sometidas a las condicionesambientales del laboratorio natural.

5.1 Aislador con Herrajes de Acero Galvanizado (Modelo A).

Los aisladores utilizados fueron modelo DS-28establecidos en la norma [1], con distancias defuga desde 550 mm hasta 660 mm y con herrajesde acero galvanizado con un mnimo de 95micras de espesor. Para el caso de aisladores conexposiciones por 4 aos se encontraron losherrajes en avanzado estado de deterioro,presentando corrosin y desprendimiento de lacapa galvanizada tal como se establece en laTabla 3 (ver Figura 6. a y b). Con respecto a loselementos metlicos para aisladores expuestoscon un tiempo de un ao y medio, se encontraronen estado regular (ver Figura 6. c, d, y e). Conrespecto al material polimrico el mismo nopresent ningn tipo de degradacinencontrndose en buen estado. En lneasgenerales, con los resultados obtenidos con estemodelo de aislador, se puede concluir que en la Zona Norte del Zulia este aislador tendra una vida tilaproximada de unos 5 aos por degradacin de los herrajes a causa de la corrosin. De experiencias decampo, la degradacin encontrada en los herrajes se llega a alcanzar en Maracaibo y en el resto del Zulia

Figura. 6. a) y b) Aislador Expuesto por 4 aos,c), d) y e) Aislador Expuesto por 1 ao y medio.

Falda delAislador

Figura 5. Diseccin de un Aislador.

CubiertaPolimrica

Ncleo de Fibra deVidrio CentradaSimtricamente


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con un tiempo de exposicin de ms de 30 aos. Por lo cual, se recomienda su utilizacin para todo elZulia excepto en la zona norte.

5.2 Aislador con Herrajes Cubiertos por Polmero (Modelo B).

El diseo de estos aisladores presentan los

extremos recubiertos de polmero y los bujes deamarre (herraje) con la lnea, en acerogalvanizados. El material de aislamientoutilizado es de goma silicona. Se probaronaisladores con distancias de fuga desde 670 mmhasta 840 mm. Estos aisladores fueron instaladosen Agosto del 2002. Luego de 18 mesesinstalados, mediante una inspeccion visual seencontro una serie de grietas profundas, roturas ydesgastes del material polimrico. Una vezidentificadas dichas anomalas se procedi aexaminar los aisladores fallados. Se detect que

las roturas del material polimrico fue causadopor el roce de una de las terminaciones delaislador con el herraje de la cruceta. La falla porerosin fue motivada al roce con el materialarenoso en combinacin con fuertes vientos(Sand Blasting). La tercera falla son las grietasprofundas (craking) (fig. 7-E). las cuales seinician en el extremo donde el aislador seencuentra con el conductor y en el herraje. De loscortes realizados se detect que la corriente defuga circula entre la barra de fibra de vidrio y lacubierta polimrica (fig. 7-B, C y F). En funcin

de las evidencias recabadas la mejor hiptesisplanteada para esta grieta es que debido a losesfuerzos mecnicos se rompe el sello presenteentre el ojal de acero galvanizado y la cubierta polimrica,causando la entrada de la humedad. Es de resaltar que estasfallas fueron repetitivas en todos los aisladores probados coneste tipo de diseo. Adicionalmente al seccionar el aisladorse encontr una asimetra en la inyeccin de la cubiertapolimrica (fig. 7-D). Como resultado, se obtuvo que elelemento aislante presenta un estado crtico y los elementosmetlicos presentan unas condiciones crticas. Este anlisiscorrobora lo desarrollado en una investigacion preliminar [5]

sobre el comportamiento de este diseo de estos aisladores.A raz de las fallas de los aisladores con herrajes cubiertospor polmero y buje de acero galvanizado, en el ao 2005 seinstalaron aisladores similares pero con herrajes de aceroinoxidable. A mediados del ao 2007, se examinaron encampo encontrndose las mismas fallas que se presentaron con los aisladores con los herrajes en acerogalvanizado. Como se observa en la figura 8, en ambos aisladores se presentan las grietas profundas, apesar que se utiliz un herraje de acero inoxidable. Como resultado se obtuvo que el elemento aislante

Figura. 7. Aislador Examinado.

Figura. 8. a) Herraje de Acero Galvanizadob) Herraje de Acero Inoxidable.


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present un estado crtico por tal motivo se concluye que estos modelos de aisladores no pueden serutilizados en la regin Zuliana.

5.3 Aislador con Herrajes de Aleacin de Aluminio (Modelo C).

El tiempo de exposicin de este aislador fue de 4 aos. Se utiliz un

aislador modelo DS-46 con una distancia de fuga de 950 mm. Laintencin de probar este diseo, fue la de someter los herrajes dealeacin de aluminio a las condiciones reales de la zona. Como seobserva en la figura 9 los elementos metlicos se encuentran en buenestado, presentando una coloracin de corrosin por efectos del rocecon el herraje de acero galvanizado corrodo. Con respecto almaterial polimrico el mismo no present ningn tipo de degradacinencontrndose en buen estado. Por tal motivo se recomienda el uso deherrajes de aleacin de aluminio para la zona norte del Zulia.

6 CONCLUSIONES

En funcin del aprendizaje obtenido a travs de las pruebas de campo en aisladores tipo suspensin oamarre se encontr un buen comportamiento con respecto al material polimrico con goma silicn, y conlas caractersticas establecidas en los aisladores DS-28 establecidos en la norma ANSI C29.13-2000.

El uso de materiales aislantes con las propiedades hidrofbicas permite reducir las distancias de fugas,mejorar la coordinacin de aislamiento y reducen los costos del mantenimiento por lavado ya que norequiere lavado artificial.

Se recomienda el uso de los aisladores con herrajes en acero galvanizado (modelo A) para todo el estadoZulia excepto para regin norte del Estado Zulia (Municipios Mara Paez y Padilla) siendo elrecomendado para esta regin, aisladores polimtricos con herrajes en aleacin de aluminio (modelo C)por los altos niveles de corrosin.

Queda descartada para la regin Zuliana la utilizacin de aisladores con sus terminaciones (herrajes)cubiertos por polmero tanto con buje de acero galvanizado y en acero inoxidable (aislador modelo B).

Las pruebas controladas en campo, de nuevos diseos de aisladores polimricos en ambientes reales deoperacin permiten detectar fallas y puntos de mejora antes de una implementacin masiva.

BIBLIOGRAFA

[1]ANSI C29.13-2000, American Nacional Standard for Insulator Composite Distribution DeadendType.

[2] IEC 61109-1995, Composite insulators for A.C. overhead lines with a nominal voltage greater than

1000 V, Definitions, Test Methods and Acceptance Criteria.[3] IEC 60815-1986, Guide for the selection of insulators in respect of polluted conditions.[4]Contreras E. Elizabeth G. y Rangel F. Juan D. Propuesta para Minimizar las Fallas por

Contaminacin de Aisladores en los Circuitos de Distribucin en 23.9 kV de ENELDIS, Ubicados enlos Municipios Mara y Pez del Estado Zulia. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniera. Escuelade Ingeniera Elctrica. 2004.

[5]C. Blanco, C. Vsquez, M. Carrillo, G. Gonzalez, C. Alfonso, Caracterizacin de Fallas en laInterfase de Materiales en Aisladores no Cermicos, ALTAE 2005.

Figura. 9. Aislador con herrajesde aleacin de aluminio.

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