aisladores - comparación rev 1
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Aisladores–Tiposycomparación
1 ANTECEDENTES
Como parte del proceso de preservación del conocimiento adquirido por la empresa, los grupos de conocimiento adelantan procesos de revisión y unificación de los criterios, procedimientos y normas aplicadas en los procesos de diseño.
El grupo de conocimiento de coordinación de aislamiento consideró necesario realizar una revisión de los conceptos y diferencias existentes entre los aisladores tipo cerámicos (porcelana), de vidrio y compuestos, con el fin de tener criterios claros para especificar y seleccionas los aisladores, principalmente para subestaciones.
En este documento se trata tanto el caso de los aisladores de suspensión, terminales y de retención utilizados en líneas de transmisión y subestación y los aislamientos de los aparatos de alta tensión.
2 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES AISLANTES
2.1 PROPIEDADES MECÁNICAS
2.1.1 Esfuerzos mecánicos
Este conjunto de propiedades establece la capacidad estructural de los aisladores construidos con los materiales aislantes.
2.1.1.1 Resistencia a la tracción
Es la capacidad de soportar una fuerza aplicada divergente en la dirección axial del aislador.
2.1.2 Resistencia a la compresión
Es la capacidad de soportar una fuerza aplicada convergente en la dirección axial del aislador.
2.1.3 Resistencia cortante
Es la capacidad de soportar una fuerza aplicada normal a la dirección axial del aislador.
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Figura Nº 1 – Fuerza de tracción Figura Nº 2 – Fuerza de compresión
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2.1.4 Cuarteado por esfuerzos mecánicos
Figura Nº 3 – Cuarteado de una superficie
El cuarteado es el desarrollo de pequeñas grietas superficiales, las cuales son generalmente de poca profundidad y no comprometen en si mismas la integridad estructural. En piezas estructurales, tienden a aparecer en los sitios de concentración de esfuerzos mecánicos. En el caso de los aisladores cerámicos, estas gritas superficiales pueden ser muy perjudiciales, puesto que permiten el ingreso de humedad al interior del aislador, acumula agua superficial, ypermite la fijación de contaminantes minerales y biológicos.
2.1.5 Arborescencia (Tracking)
Figura Nº 4 – Arborescencia en un trozo de plástico
Las arborescencias son un fenómeno que se produce en los materiales aislantes sometidos a campos eléctricos.
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Figura Nº 5 – Arborescencia en una placa aislante
2.2 PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS AISLADORES
Las propiedades eléctricas requeridas por los aisladores están definidas, por un lado por la soportabilidad ante los voltajes operativos, y por otro lado, la soportabilidad a las sobretensiones por maniobras o descargas atmosféricas a las que estén expuestos.
2.2.1 Distancias críticas
Existen dos clases de distancias críticas:
• Distancia de arco en seco: Es la distancia más corta, medida a través del medio circundante entre los herrajes terminales, o la suma de las distancias considerando herrajes intermedios si los hay, cualquiera que sea la más corta, con el aislador montado para la prueba de flameo en seco. Se supone que esta es la distancia recorrería un arco eléctrico externo al aislador, entre los extremos conductivos del aislador.
• Distancia de fuga: Es la distancia que recorrería un arco eléctrico que se desplazara por la superficie del aislador, entre los extremos conductores del mismo.
2.2.2 Valores eléctricos
Los valores eléctricos1 típicos de un aislador son:
• Voltaje típico de aplicación: Es el voltaje de operación típico al cual se utiliza el aislador específico. Es un valor de referencia porque, dependiendo de las condiciones de instalación y de la zona en la cual se instalan, las tensiones de aislamiento requeridas para garantizar la
1 Las definiciones de los valores eléctricos mostradas en negrita azul están tomados de la norma ANSI 29.1 de 1988
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soportabilidad ante transitorios por descargas atmosféricas o por maniobras pueden exigir aisladores de más o menos aislamiento.
• Voltaje de flameo de baja frecuencia: Es el voltaje rms de baja frecuencia (cualquier frecuencia entre 15 y 100 Hz) que, bajo condiciones específicas, producirá una descarga disruptiva sostenida (flameo) a través del medio circundante del aislador, La superficie puede estar seca o húmeda y se habla entonces de voltajes de flameo en seco o en húmedo.
• Voltaje soportable en baja frecuencia: Es el voltaje rms de baja frecuencia que, bajo condiciones específicas, puede ser aplicado sin causar flameo o perforación. Pueden especificarse voltajes soportables, en seco, en húmedo y de rocío.
• Voltaje de perforación en baja frecuencia: Es el voltaje rms de baja frecuencia que, bajo condiciones específicas, causa descarga disruptiva a través de cualquier punto del aislador.
• Voltaje soportable de impulso: Es el valor cresta de un voltaje tipo impulso aplicado que, bajo condiciones específicas, no causa flameo, perforación o descarga disruptiva.
• Flameo crítico al impulso positivo: Es el voltaje tipo impulso de polaridad positiva que podría producir flameo en el aislador.
• Nivel básico de aislamiento, NBA: Es el voltaje máximo tipo impulso que se utilizará como referencia de diseño, ara la coordinación de aislamiento.
3 TIPOS DE AISLADORES
Los aislamientos exteriores utilizados hoy día utilizan tres materiales: la porcelana, el vidrio y polímeros.
3.1 AISLADORES DE PORCELANA
Figura Nº 6 – Aisladores de porcelana o cerámicos
Los aisladores de porcelana fueron los más comunes durante muchos años y aún hoy día son muy populares. Sus ventajas principales son el costo, debido a la madurez tecnológica del material (el hombre a lidiado con la cerámica desde tiempos prehistóricos), disponibilidad de materias primas en todo el mundo (hierro y arcilla), rigidez dieléctrica, y modularidad (una misma pieza básica permite crear sujeciones aislantes para diferentes voltajes).
Las desventajas principales de los aisladores cerámicos son su peso, su fragilidad y al ser un material no homogéneo (el material cerámico esta recubierto con una capa glaseada, que brinda algunas de las características eléctricas más importantes), los desportillados afectan significativamente su desempeño.
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Una característica importante de los aisladores modulares (tanto cerámicos como de vidrio) es el efecto capacitivo entre módulos, el cual permite la gradualidad del voltaje aplicado, con lo cual solamente se requieren accesorios anti-corona a voltajes muy altos.
3.2 AISLADORES DE VIDRIO
Figura Nº 7 – Aisladores de vidrio
Los aisladores de vidrio se utilizan casi exclusivamente en líneas de transmisión eléctrica y en algunos casos, en subestaciones exteriores. Originalmente fueron utilizados en líneas telegráficas y telefónicas de hilos a la vista.
La utilización de los aisladores de vidrio presenta dos ventajas:
• Estéticamente son más “invisibles”
• Siendo un material homogéneo, pequeños desportillados no afectan de manera significativa el desempeño eléctrico del aislador, al contrario de los aisladores cerámicos.
• Tienen las mismas ventajas de los aisladores cerámicos (madurez tecnológica, disponibilidad de materias primas, buena rigidez dieléctrica y modularidad).
Las desventajas son similares a las de los aisladores cerámicos, exceptuando los problemas de desportillado de los aisladores cerámicos.
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3.3 AISLADORES COMPUESTOS
3.3.1 General
Figura Nº 8 – Aislador compuesto. En la parte infer ior se muestra un corte interno
Los aisladores compuestos se denominan de esta forma porque están construidos con materiales diversos: fibra de vidrio, resinas epóxica y cubiertas poliméricas de caucho siliconado o caucho EPR.
Figura Nº 9 – Herrajes terminales más comunes de lo s aisladores compuestos
Las ventajas de este tipo de aisladores son:
• Peso muy inferior al de un aislador equivalente cerámico o de vidrio;
• Más hidrofobicidad superficial, lo que asegura un mejor desempeño eléctrico en condiciones de
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alta contaminación.
La principal desventaja de los aisladores compuestos frente a los aisladores cerámicos y de vidrio es su falta de modularidad; se requiere un aislador diferente para cada nivel de voltaje.
3.3.2 Herrajes terminales
Las formas de los herrajes terminales más populares de los aisladores compuestos son las mostradas en la Figura Nº 9.
3.4 AISLADORES HUECOS2
3.4.1 General
Hay disponibles aisladores huecos tanto cerámicos como compuestos.
Los aisladores huecos cerámicos son un cilindro de material cerámico homogéneo, recubierto en el interior y el exterior con un glaseado.
Los aisladores huecos compuestos están constituidos por un tubo de fibra de vidrio fabricado con fibras de vidrio de grado eléctrico y resina epóxica, empotrado en herrajes de aleación de aluminio de alta resistencia; este ensamble está cubierto faldones de caucho siliconado.
Se construyen aisladores con faldones de perfil sencillo y doble y con distancias de fuga desde 16mm/kV hasta >45 mm/kV.
El perfil del faldón puede ser cónico, en espiral o combinado.
Los tubos pueden fabricarse desde 0,3 hasta 6,1 m de longitud.
3.4.2 Normas aplicables
Los aisladores huecos compuestos están sometidos a las siguientes normas:
• IEC 61109 – Aisladores compuestos
• IEC 61462 – Núcleos huecos compuestos
• IEEE 693 – Sísmica
• NEMA SG4 – Ciclo de temperatura y presión – Prueba de fatiga
• ANSI C29.9
• IEC 60168
• IEC 60815
3.4.3 Aplicaciones
Los aisladores compuestos huecos han sido empleados en:
• Transformadores de medida
• Terminales de cable
• Aisladores para equipos ópticos de medida
• Interruptores de tanque vivo
2 La información técnica de rangos de capacidad para los aisladores huecos está tomada del panfleto promocional de
MacLean Power Systems. Otros fabricantes pueden tener diferentes rangos de capacidad.
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• Interruptores de tanque muerto
• Aisladores tipo poste
• Bujes pasamuros
3.4.4 Ventajas, beneficios y desventajas
Los aisladores compuestos huecos remplazan los aisladores de porcelana en equipos para subestaciones, presentando las siguientes ventajas:
• Resistencia sísmica
• Peso inferior
• Desempeño ante la contaminación mejor
• Seguridad mayor contra una falla catastrófica
3.4.4.1 Ventajas
3.4.4.1.1 Resistencia mecánica
La resistencia mecánica puede ser controlada de manera muy precisa variando el grosor de las paredes y el ángulo de la trama de fibra para optimizar el desempeño ante la presión alta y la resistencia al movimiento de doblado
Presenta la mayor relación resistencia/peso en el mercado
3.4.4.1.2 Resistencia térmica
Los materiales utilizados en la cubierta, el tubo y la interfaz permiten temperaturas de trabajo permanentes altas ene le quipo con un comportamiento estable en condiciones climáticas desde -50ºC a 110ºc.
3.4.4.1.3 Resistencia dieléctrica
El caucho siliconado igual al que se utiliza en los aisladores de líneas ofrece la mejor resistencia al tracking y la erosión.
La hidrofobicidad del caucho siliconado asegura los valores de flameo más altos en ambientes altamente contaminados.
Se pueden fabricar perfiles de varios tipos para satisfacer las diferentes categorías de resistencia dieléctrica IEC.
3.4.4.2 Beneficios
3.4.4.2.1 Seguridad incrementada
Los aisladores compuestos huecos tienen un riesgo reducido de ruptura durante el ensamble y la instalación.
El modo de falla más común es la delaminación del cuerpo sin lanzar fragmentos destructivos.
El riego de vandalismo es mínimo.
Riego de falla catastrófica reducida inducida por vandalismo
La seguridad es mayor en subestaciones contenidas o áreas densamente pobladas.
3.4.4.2.2 Economía ampliada
Menos peso significa manejo más fácil, con equipo más liviano y menor esfuerzo laboral en el sitio de instalación.
Costos de transporte e instalación menores.
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Componentes estructurales más livianos
Los equipos pueden ser despachados totalmente ensamblados (incluidos los llenos con SF6), ahorrando tiempo de instalación.
Tiempos de entrega menores, especialmente para casos no normalizados o equipos de EAV.
Costo en el ciclo de vida reducido, debido a un mantenimiento reducido, no se requiere lavado o recubrimientos (lo cual significa que no se requieren salidas de servicio por mantenimiento)
Los aisladores cónicos reducen el volumen requerid de SF6 en bujes de interruptores en 40%, comparado con los diseños cilíndricos.
Pérdidas eléctricas reducidas en áreas contaminadas.
3.4.4.2.3 Mayor confiabilidad
Desempeño ante la contaminación mejor debido a la caucho siliconado.
El caucho siliconado puede ser adaptado para cualquier zona de contaminación sin la necesidad de lavado o recubrimiento.
Al contrario de los aislamientos cerámicos los daños menores en los faldones pueden ser reparados en sitio.
3.4.4.2.4 Resistencia a los choques sísmicos
Los aisladores pueden soportar esfuerzos sísmicos de más de 1 g sin daño.
No se requieren amortiguadores de choque o diseños especiales de alta resistencia.