Aislamiento en Lineas de Transmision Aereas

8/10/2019 Aislamiento en Lineas de Transmision Aereas

1/15

AISLAMIENTO EN LINEAS DE TRANSMISION AEREAS

I. INTRODUCCIN.

Los sistemas de aislamiento en lneas de transmisin comprenden principalmente dos elementos: el aire y loselementos aisladores. Al ubicarse las lneas de transmisin al aire libre y cubrir, en muchos casos, cientos dekilmetros se hace necesario considerar diversos factores para un buen desempeo del aislamiento. Estosfactores deben tomar en cuenta los espaciamientos mnimos lnea-estructura, lnea-tierra y entre fases, elgrado de contaminacin del entorno, la cantidad de elementos aisladores a considerar y la correcta seleccinde estos.

Los aisladores cumplen la funcin de sujetar mecnicamente el conductor mantenindolo aislado de tierra yde otros conductores. Deben soportar la carga mecnica que el conductor transmite a la torre a travs deellos. Deben aislar elctricamente el conductor de la torre, soportando la tensin en condiciones normales yanormales, y sobretensiones hasta las mximas previstas (que los estudios de coordinacin del aislamientodefinen con cierta probabilidad de ocurrencia).

La tensin debe ser soportada tanto por el material aislante propiamente dicho, como por su superficie y elaire que rodea al aislador. La falla elctrica del aire se llama contorneo, y el aislador se proyecta para que estafalla sea mucho ms probable que la perforacin del aislante slido.

Surge la importancia del diseo, de la geometra para que en particular no se presenten en el cuerpo delaislador campos intensos que inicien una crisis del slido aislante.

MATERIALES DE LOS AISLADORES

Histricamente se han utilizado distintos materiales, porcelana, vidrio, y actualmente materiales compuestos, yla evolucin ha ocurrido en la bsqueda de mejores caractersticas y reduccin de costos.

PORCELANA. Es una pasta de arcilla, caoln, cuarzo o almina se le da forma, y por horneado se obtiene una

cermica de uso elctrico. Este material es particularmente resistente a compresin por lo que se handesarrollado especialmente diseos que tienden a solicitarlo de esa manera.

VIDRIO. Cristal templado que cumple la misma funcin de la porcelana, se trabaja por moldeado colndolo,debiendo ser en general de menos costo.

Se puede afirmar que en general la calidad de la porcelana puede ser ms controlada que la del vidrio, estasituacin es evidenciada por una menor dispersin de los resultados de los ensayos de rotura.

MATERIALES COMPUESTOS: Fibras de vidrio y resina en el ncleo, y distintas "gomas" en la parte externa,con formas adecuadas, han introducido en los aos ms recientes la tecnologa del aislador compuesto.

Estas modernas soluciones con ciertas formas y usos ponen en evidencia sus ventajas sobre porcelana yvidrio.

FORMA DE LOS AISLADORES

La forma de los aisladores est en parte bastante ligada al material, y se puede hacer la siguienteclasificacin:

AISLADORES DE CAMPANA, (tambin llamados de disco) generalmente varios forman una cadena, sehacen de vidrio o porcelana con insertos metlicos que los articulan con un grado de libertad (horquilla) o dos(caperuza y badajo, cap and pin). Las normas fijan con detalle geometra, tamaos, resistenciaelectromecnica, ensayos.

AISLADORES DE BARRA, los hay de porcelana, permiten realizar cadenas de menor cantidad de elementos(ms cortas), la porcelana trabaja a traccin y existen pocos fabricantes que ofrecen esta solucin,especialmente si se requieren elevadas prestaciones, ya que no es una solucin natural para este material, en


2/15

cambio es la solucin natural de los aisladores de suspensin compuestos.

Mientras que para la porcelana se limita la longitud de la barra y en consecuencia para tensiones elevadas seforma una cadena de algunos elementos, para el aislador compuesto siempre se realiza un nico elemento

capaz de soportar la tensin total.

AISLADORES RIGIDOS, en tensiones bajas y medias tienen forma de campana, montados sobre un perno(pin type) y se realizan de porcelana o vidrio. A medida que la tensin crece, tamao y esfuerzos tambin, yse transforman en aisladores de columna aptos para soportar esfuerzos de compresin y de flexin (post type)y pueden asumir la funcin de cruceta en lneas de diseo compacto.

En estos casos pueden ser de porcelana y modernamente de materiales compuestos, cuando el esfuerzovertical a que se somete la "viga" aislante es muy elevado se agrega un tensor del mismo material (inclinado45 grados generalmente) dando origen a una forma de V horizontal.

Los aisladores se completan, como ya indicado, con insertos metlicos de formas estudiadas para la funcin,y que tienden a conferir movilidad (en las cadenas) o adecuada rigidez (en las columnas).

Al especificar los aisladores se resaltan dos tipos de caractersticas, que deben combinar por su funcin, lasmecnicas, y las elctricas.

CARACTERISTICAS MECANICAS

Los aisladores de cadena deben soportar solo cierta traccin 7000, 16000 o ms kg. Deben soportar ciertacompresin, y/o cierta flexin.

Al estar sometidos a las inclemencias del tiempo una caracterstica muy importante es la resistencia al choquetrmico (que simula el pasar del pleno sol a la lluvia).

Tambin por los sitios donde se instalan, los aisladores son sometidos a actos vandlicos (tiros con armas,proyectiles ptreos o metlicos arrojados), es entonces importante cierta resistencia al impacto.

Frente a estas necesidades, el comportamiento de los tres tipos de materiales es totalmente distinto, el vidriopuede estallar, siendo una caracterstica muy importante que la cadena no se corte por este motivo. Laporcelana se rompe perdiendo algn trozo pero generalmente mantiene la integridad de su cuerpo,mecnicamente no pierde caractersticas, solo son afectadas sus caractersticas elctricas. Con los aisladorescompuestos por su menor tamao es menos probable que la agresin acierte el blanco, los materialesflexibles no se rompen por los impactos y las caractersticas del aislador no son afectadas.

CARACTERISTICAS ELECTRICAS

Los aisladores deben soportar tensin de frecuencia industrial e impulso (de maniobra y/o atmosfricos), tantoen seco como bajo lluvia. Influyen en la tensin resistida la forma de los electrodos extremos del aislador.

Una caracterstica importante es la radio-interferencia, ligada a la forma del aislador, a su terminacinsuperficial, y a los electrodos (morsetera).

En las cadenas de aisladores, especialmente cuando el nmero de elementos es elevado la reparticin de latensin debe ser controlada con electrodos adecuados, o al menos cuidadosamente estudiada a fin deverificar que en el extremo crtico las necesidades que se presentan sean correctamente soportadas.

La geometra del perfil de los aisladores tiene mucha importancia en su buen comportamiento en condicionesnormales, bajo lluvia, y en condiciones de contaminacin salina que se presentan en las aplicaciones realescerca del mar o desiertos, o contaminacin de polvos cerca de zonas industriales. La contaminacin puedeser lavada por la lluvia, pero en ciertos lugares no llueve suficiente para que se produzca este efectobeneficioso, o la contaminacin es muy elevada, no hay duda de que la terminacin superficial del aislante esmuy importante para que la adherencia del contaminante sea menor, y reducir el efecto (aumentar laduracin).

Una caracterstica interesante de los materiales compuestos siliconados es un cierto rechazo a la adherencia


3/15

de los contaminantes, y/o al agua.

La resistencia a la contaminacin exige aumentar la lnea de fuga superficial del aislador, esta se mide enmm/kv (fase tierra), y se recomiendan valores que pasan de 20, 30 a 60, 70 mm/kv segn la clasificacin de la

posible contaminacin ambiente.

En este artculo se hace una revisin de las caractersticas dielctricas del aire, tipos de aisladores y losensayos a los que deben someterse estos.

II. EL AIRE EN EL AISLAMIENTO DE LNEAS.

El aire es sin lugar a dudas el ms usado de los aislantes para lneas de transmisin de energa. Los factoresque pueden influir a la rigidez dielctrica del aire son:

Densidad del aire. Altura sobre el nivel del mar. Humedad y presencia de partculas contaminantes.

Este ltimo factor adquiere gran importancia en el diseo y manutencin de los elementos aisladores.

III. AISLADORES DE LNEA.

En las lneas de transmisin se distinguen bsicamente tres tipos de aisladores:

Suspensin. Barra larga. Poste

Los aisladores de suspensin o disco, son los ms empleados en laslneas de transmisin, se fabrican de vidrio o porcelana unindose varioselementos para conformar cadenas de aisladores de acuerdo al nivel detensin de la lnea y el grado de contaminacin del entorno.

AISLADOR DE SUSPENSION DEPORCELANA 10" 25,000 LBS

En esta figura se aprecian los principales tipos de aisladores de suspensin:


4/15


5/15

AISLADOR TIPO POSTE 230 KV

PARA POSTE DE MADERA

Los aisladores de porcelana vidriada por lo general contienen un 50% de caoln,25% de feldespatos y 25% de cuarzo, la porcelana debe ser moldeada por losprocedimientos en hmedo. Debe ser homognea, compacta sin porosidad ytoda la superficie despus de armado debe ser verificada.

IV. DETERIORO

Las propiedades elctricas y el comportamiento de los aisladores no cermicos dependen principalmente desus propiedades superficiales (como la hidrofobicidad) y de los cambios de estas propiedades debidos a laexposicin a la intemperie (envejecimiento).

Asimismo, dicho comportamiento depende tambin de un diseoadecuado al reducir el nmero de interfaces donde se pueden presentararqueos y donde puede ocurrir una degradacin acelerada del material.

El proceso de seleccin de un aislador no cermico para una aplicacinparticular debe incluir un anlisis de los materiales disponibles, de la

experiencia operativa, del dimensionamiento de su longitud y distanciade fuga, de los resultados de pruebas de envejecimiento acelerado y delas condiciones bajo las cuales va a operar.

Los aisladores no cermicos estn sujetos a diferentes condiciones ambientales y de contaminacin, por loque el material de los faldones y de la cubierta debe ser capaz de soportar los efectos de las descargassuperficiales (erosin o tracking) y diversos mecanismos de falla que pueden presentarse en campo.

Mecanismos de degradacin asociados con la exposicin a la intemperie.

Los aisladores no cermicos pueden envejecerse y presentar cambios debido a los mltiples esfuerzosencontrados en servicio, ya que tienen uniones ms dbiles que los materiales cermicos.

El envejecimiento y la vida esperada de los aisladores no cermicos dependen de varios factores, muchos delos cuales estn asociados con la exposicin a la intemperie, mientras que otros estn relacionados con lascondiciones de operacin. Aunque el exponerse a los elementos naturales ha demostrado que envejece losmateriales, existe una gran experiencia que sugiere que la vida del aislador est ms relacionada con diseosde pobre desempeo y un mal control de calidad durante el proceso de fabricacin.

El envejecimiento se refiere al proceso que causa la falla del aislador para poder cumplir con su funcin.Dependiendo de los materiales utilizados en los aisladores, de su diseo y de las condiciones ambientales, sepueden generar diferentes mecanismos de degradacin que pueden provocar la falla del aislador. Algunos deestos mecanismos son:


6/15

Diversas formas de falla mecnica de la barra de fibra de vidrio. Formacin de caminos conductores sobre la superficie del material aislante. Aparicin de partculas del relleno en la superficie aislante.

Cambios en el color base del material aislante. Rompimiento del material no cermico como resultado de la exposicin a altos niveles de energa UV

asociada con la presencia de corona. Corrosin de las partes metlicas debido a la reaccin qumica con el ambiente. Microfracturas superficiales con profundidades entre 0.01 y 0.1 mm. Rompimiento del material adhesivo usado para unir qumicamente dos materiales del aislador. Prdida significante del material aislante, irreversible y no conductora (erosin). Exposicin de la barra de fibra de vidrio al ambiente. Fracturas superficiales con profundidad mayor a 0.1 mm. Fuga de grasa de las interfaces faldn-cubierta o faldn-ncleo hacia la superficie. Penetracin de agua en forma lquida o vapor, causando el ablandamiento de cubierta o faldones

(hidrlisis). Prdida de hidrofobicidad.

Prdida de adhesin del sello de los herrajes. Daos por arco de potencia. Daos por perforacin. Separacin o apertura del material aislante. Daos por vandalismo

V. PRUEBAS

Pueden clasificarse de la siguiente manera:

Pruebas elctricas de fabricacin Pruebas de aisladores simulando condiciones ambientales y de polucin

Pruebas de campo. Pruebas mecnicas. Pruebas elctricas de fabricacin

Estos ensayos incluyen las pruebas para determinar las tensiones disruptivas en aisladores a frecuenciaindustrial y ante impulso. Estas pruebas se describen con detalle en la norma ANSIC 29.1-1982.

Otro ensayo realizado en el proceso de fabricacin de aisladores es la deteccin de descargas parciales, seanestas descargas externas e internas. Para la primera se emplea el mtodo de deteccin visual de corona ypara las descargas internas se aplica la tcnica de la radio interferencia.

b) Pruebas de aisladores simulando condiciones ambientales y de polucin.

Estos ensayos se llevan a cabo en cmaras especiales y simulan las distintas condiciones a las que se vera

sometido un aislador a la intemperie. Los ensayos ms empleados son:

Prueba de la lluvia artificial. Mtodo de la neblina normal. Mtodo de la neblina salada.

ltimamente han surgido nuevos ensayos desarrollados por la STRI (Swedish Transmission ResearchInstitute) y que pretenden simular de manera ms fidedigna las condiciones de polucin a las que sesometeran el aislador en la realidad. Entre estos mtodos destacan:

Mtodo de la capa de sal seca.Mtodo del ciclo de polvo.


7/15

El primer mtodo constituye un ensayo que permite simular, de manera ms real que la tcnica de la neblinasalada, el aire marino propio de las zonas costeras. Por su parte, el mtodo del ciclo de polvo fue desarrolladocon el fin de habilitar una tcnica que simule distintas condiciones ambientales de contaminacin paraaisladores cermicos y sintticos por medio de un solo mtodo.

c) Pruebas de campo.

Estos ensayos se realizan en el mismo lugar donde se ubica el aislador o cadena de aisladores a probar, porlo general se llevan a cabo en lnea viva, vale decir sin necesidad de des-energizar la lnea de transmisin a lacual pertenecen estos elementos. Los ensayos de campo de aisladores incluyen a los siguientes:

Monitoreo de la corriente de fuga a travs de la superficie del aislador. Deteccin de fallas mediante mtodos acsticos. Deteccin de fallas mediante medicin y registro de campo elctrico.

El objetivo principal de estas pruebas es detectar aisladores defectuosos o daados en servicio y prevenireventuales fallas en estos mediante un control peridico.

d) Pruebas mecnicas.

Las pruebas mecnicas a las que se someten los aisladores tienen el objetivo de determinar si el elementotendr la suficiente resistencia mecnica en el sostenimiento del peso de la lnea de transmisin, viento, lluvia,nieve y acciones vandlicas.

VI. COORDINACIN DE AISLAMIENTO EN LAS LNEAS DE TRASMISIN

El procedimiento de coordinacin de aislamiento de una lnea debe efectuarse considerando los voltajes quepueden aparecer como son los transitorios en el sistema elctrico al que est conectada.El concepto coordinacin de aislamiento, es el balance entre los esfuerzos elctricos sobre el aislamiento, que

son el sobre-voltaje por descargas o maniobras as como otras sobretensiones temporales como induccioneso contactos accidentales con otras lneas y el propio voltaje que soporta el aislamiento por su diseo. Para lospropsitos de coordinacin de aislamiento la especificacin CFEL0000-06, clasifica las lneas de sub-transmisin por sus voltajes mximos de diseo en la categora B y de acuerdo a la experiencia propia deC.F.E., se define que las sobretensiones que ms afectan a stos voltajes son las de origen por descargasatmosfricas, despreciando los de maniobras.Derivado de su trazo, las lneas de sub-transmisin pueden cruzar zonas con topografa difcil o accidentada yregiones con altos ndices de densidad de rayos a tierra, stas son las lneas que por lo general presentanms fallas por descargas atmosfricas.Para reducir el nmero de salidas por esta causa, deben ser observados ciertos parmetros y muyparticularmente se tienen que controlar los siguientes:

La longitud de la cadena de aisladores El ngulo de blindaje, verificando el diseo de las estructuras. El sistema de conexin a tierra

Para entender la coordinacin de aislamiento, es necesario establecer el concepto de Tensin Crtica deFlameo (TCF), el cual se obtiene de la curva de probabilidades de flameo, la TCF se determina conpruebasde aplicacin de voltajes y corresponde a aquel voltaje con el cual el aislamiento soporta con un50 % deprobabilidad, el producir rompimiento de su dielctrico. A partir de este concepto se define elNivel Bsico de

Aislamiento al Impulso por Rayo (NBAI), como el voltaje en que se espera un 10% deprobabilidad deflameo, considerando una desviacin estndar del 3%, con lo que resulta la expresin:

NBAI = 0,961TCF

1. DETERMINACIN DEL AISLAMIENTO.


8/15

La longitud de una cadena de aisladores se debe disear para soportar los voltajes a los que es sometida,para ello es necesario observar dos conceptos: Distancia de Fuga de los aisladores en funcin de los nivelesy tipo de contaminacin, y la Longitud de la Cadena de Aisladores que est dada por el voltaje de arqueoen aire entre conductores y estructura.

LONGITUD DE LA CADENA DE AISLADORES

Esta longitud se calcula con base al voltaje de arqueo en aire entre el conductor y la estructura, el cualdepende de la geometra de las puntas en donde se presente dicho arqueo, de forma emprica se ha obtenidoel voltaje de arqueo en aire de algunos cuerpos geomtricos utilizados como electrodos de referencia.

Con este criterio, de la tensin crtica de flameo para impulsos por rayo, se tiene:

d = TCF/Kco

Donde:

TCF Es la tensin crtica de flameo a las condiciones del lugar donde se localiza la lnea.

Kco Es el factor de electrodo en aire kr corregido por la densidad de aire y humedad.

El factor Kr es un voltaje de arqueo entre conductores y estructura que depende de la geometra de loselectrodos o elementos que intervienen y su distancia en aire tomada de la especificacin CFE-L0000-06,Tabla 1. En ella, se proporciona el voltaje mximo de diseo, as como el NBAI para las lneas de sub-transmisin dependiendo de su voltaje de operacin, los cuales presentamos en la Tabla 2.Debido a las diferentes altitudes en las que operan las lneas de sub-transmisin se hace necesaria lacorreccin del Kr proporcionado en la tabla de la especificacin, ya que ste es calculado a partir de lossiguientes valores:

Temperatura (T0): 20 C

Presin (b0): 1013 mbar (760 mm de Hg)

Humedad Absoluta (h0): 11 gramos de agua por metro cbico.


9/15


10/15


11/15

Las caractersticas elctricas del soporte, calculadas a condiciones normalizadas se deterioran con la presinatmosfrica y sta disminuye con el aumento de la altitud y la temperatura, al aumentar la humedad lastensiones de soporte aumentan hasta antes de que se condense la humedad en la superficie del conductor,por lo tanto, deben considerarse los siguientes factores de correccin:

Factor de correccin por densidad de aire (Kda):

Kda = (b/b0) *((273+T0)/ (273+T))

Donde:

T = Temperatura ambiente en grados centgradosB = Presin baromtrica en mbarT0 = Temperatura ambiente de condiciones estndar (20 C)b0 = Presin baromtrica en condiciones estndar (1013 mbar)

Con el valor de la altitud y/o presin atmosfrica, se puede obtener el valor del factor de correccin Kda de laTabla 3.

El factor de correccin por humedad (Kh), es un factor que depende de la humedad absoluta del sitio engr/m3 que se obtiene de la Figura 1.Conocidos la temperatura del bulbo hmedo del lugar y la humedad relativa del aire ms criticas de lasregiones por donde cruza la lnea y teniendo el valor de humedad absoluta, por medio de la Figura 2obtenemos el valor deKh , considerando los factores de correccin por humedad y por densidad de aire sepuede obtener con la relacin:

Kco = Kr (Kda/Kh)

1.- DISTANCIA DE FUGA.

La distancia de fuga de un aislador se define como la distancia ms corta, o la suma de distancias ms cortasa lo largo del contorno de la superficie externa del material aislante, la relacin entre esta distancia y el voltajemximo de fase a fase o de fase a tierra determina las distancias especficas de fuga entre fases o fase atierra, respectivamente. El clculo del nmero de aisladores partiendo de la distancia de fuga para un voltajemximo, est dada por la frmula:

Dftc = DfmnVmk

Donde:

Dftc = Distancia de fuga total de la cadena de aisladores en mmDfmn = Distancia de fuga mnima nominal en mm/kV tomada de la especificacin CFE-L0000-06.Vm = Voltaje mximo del sistema en KV proporcionado en la especificacin CFE-L0000-06

k = Factor de correccin por dimetro de los aisladores y que puede ser:k= 1,0 para aisladores de suspensin o tipo cadena y para aisladores tipo poste con dimetro menor a 300mmk = 1,10 para aisladores tipo poste con dimetro mayor que 300 mm y menor o igual que 500 mmk = 1,20 para aisladores tipo poste pero con dimetro mayor que 500 mmPara el clculo de estas distancias se toma un factor de 1.05 veces la distancia de fase a tierra, por losherrajes que llevan las cadenas y en su caso los aisladores tipo poste.El nmero de los aisladores (NA) esta determinado por la siguiente expresin:


12/15

(1,05*(DISTANCIA DE FUGA TOTAL))

NA = _________________________________________________

(DISTANCIA DE FUGA DEL AISLADOR SELECCIONADO)


13/15


14/15

EJEMPLO: La Lnea de Sub-transmisin 73690 Tepazolco-Tlacotepec opera a una altitud de 2000 m.s.n.m.con una humedad relativa y temperatura promedios de 70 % y 100c respectivamente durante las noches.Sabemos que el NBAI, para condiciones normalizadas de una L ST que opera a 115 KV es de 550 KV.Calcular el nmero de aisladores que deben llevar las cadenas de sus estructuras considerando un nivel decontaminacin ligera.

De la Tabla 3 obtenemos Kda = 0.784

De la Figura 2 obtenemos 7 gr/m3, y con este valor en la Figura 1 nos da una Kh = 1.03

En base a la distancia en aire por sobretensiones de impulso:

El NBAI para un voltaje de 115 kV es de 550 KV, obtenido de la Tabla 2, por lo tanto:

TCF = NBAI/0.961 = 550/0.961 = 572.3 KV

Se obtiene Kr = 550 de la Tabla 1 para fase a estructura, entonces:

Kco = Kr (Kda/Kh) = 550(0.784/1.03) = 418.6

d = TCF/Kco

d = 572.3/418.6 = 1.367 m


15/15

Si usamos los aisladores 27SVC111 que tienen un paso de 146 mm tenemos:

NA = 1.367/0.146 = 9.4 9 aisladores

En base a los niveles de contaminacin:

Para 115 KV tenemos un voltaje mximo de 123 kV, obtenido de la Tabla 2 y la distancia especifica de fugapara contaminacin tipo ligero es 28 mm/kV, por lo tanto:

Dfct = 28(123/1.732)1.0*1.05 = 2087.8 mm

NA = 2087.8/279 = 7.48 8 aisladores

Fuentes:LNEAS DE TRASMISIN Y DISTRIBUCIN DE ENERGA ELCTRICA.MC. Obed Renato Jimnez Meza, MC. Vicente Cant Gutirrez, Dr. Arturo Conde Enrquez. Departamento de Iluminacin y Alta Tensin.U.A.N.L.

Monografa Tipos de Aisladores. www.rincondelvago.com

Aislamiento en Lineas de Transmision Aereas

Documents

Transcript of Aislamiento en Lineas de Transmision Aereas