INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
“Diseño de un Aislador No-Cerámico con Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTAN:
JAVIER JIMÉNEZ MARTÍNEZ ALAN DAVID RODRÍGUEZ CANO
ASESORES: DR. FERMÍN PASCUAL ESPINO CORTES ING. EDUARDO SILVA DORAY ESPINOSA
México, DF, Agosto 2010
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y.ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LOPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRIOSfA POR LA OPCION DE TITULACION TESISCOLECTIVAy EXAMENORALINDIVIDUAL DEBERA(N) DESARROLLAR
c.JAVIERJIMENEZMAlITÍNEZ AlANDAVIDRODRIGUEZCANO
"DISEÑO DE UN AISLADOR NO-CERÁMICO CON SISTEMAS~bE ATENUACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO".
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~ DISENO DE SIS'FEMAS DE GRADUACION -DEL CAMPO 'EI::ECT RICO EN AISLADORES NOCERÁMICOS. - " . ' ' ,. .
~ JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA
: . A 14 DE JUNIO DE 2010
ASESORES
~Á~ DR. FERM1N PASCUAL ESPINO CORTES
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ING. ENRIQUE MARTINEZ ROLDAN lit ~ JEFE DEL DEPARTAMENTO ACADÉMIC' ,- ~
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i
RESUMEN
En el presente trabajo se desarrolla una investigación sistemática que permite obtener
mediante el modelado en un paquete computacional, un diseño de aislador polimérico de
115 kV con las propiedades que permiten atenuar la alta concentración de campo eléctrico
en el extremo energizado del aislador.
Se analizan las propiedades del material polimérico aislante que pueden ayudar a controlar
la intensidad del campo eléctrico en la superficie del aislador.
Determinar dichas propiedades es un proceso que requiere del análisis de datos obtenidos a
partir del modelado del aislador en condiciones normales de operación, magnitudes y
distribución del campo eléctrico tangencial, así como del potencial eléctrico en la superficie
del aislador, indican la efectividad del material.
Se muestra como la incorporación de un anillo equipotencial, la modificación de la
permitividad eléctrica del material y la modificación de la geometría del aislador,
contribuyen a mejorar la distribución del campo eléctrico tangencial, así como hacer más
suave la caída de potencial eléctrico a lo largo de la superficie del aislador.
El modelado del aislador, se realiza empleando el paquete computacional Comsol 3.5, que
emplea el método de elemento finito, el cual es un método numérico para la aproximación
de soluciones de ecuaciones diferenciales parciales.
Los resultados muestran que la permitividad eléctrica del material y la geometría de los
faldones del aislador son determinantes para atenuar la concentración del campo eléctrico,
se necesitan valores muy altos de permitividad eléctrica para lograr resultados aceptables,
sin embargo combinándose con una adecuada geometría en los faldones, la atenuación
mejora satisfactoriamente.
ii
AGRADECIMIENTOS
Primeramente quiero agradecer a Dios por darme la oportunidad de culminar mis estudios a
nivel Licenciatura y compartir este gozo con los míos.
A mi Padres;
Por la motivación que son para mí, porque sus consejos, críticas y demás fueron muy útiles
en mi formación profesional en los momentos más difíciles. Mi admiración a ustedes.
A mis familiares y amigos;
Por el cariño y apoyo mostrado en todo este tiempo.
A mi Asesor;
Gracias por hacerme parte de este proyecto, por su paciencia, interés y dedicación a la
ejecución del mismo y sobre todo por enseñarme que la vida es un constante aprendizaje.
Muchas gracias.
A todos y cada uno de ustedes que me apoyaron y me brindaron su confianza, me encuentro
eternamente agradecido y aquí está el resultado.
iii
ÍNDICE
Capítulo 1 Introducción ..................................................................... 1
1.1. Objetivo General .................................................................................................................................... 2
1.2. Objetivos Particulares. .......................................................................................................................... 2
1.3. Antecedentes .......................................................................................................................................... 3
1.4. Justificación .......................................................................................................................................... 9
1.5. Aportaciones ......................................................................................................................................... 11
1.6. Alcances ............................................................................................................................................... 12
1.7 Estructura del reporte .......................................................................................................................... 13
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos ..............................................14
2.1. Introducción ........................................................................................................................................ 15
2.2. Aisladores para Sistemas Eléctricos de Potencia ............................................................................... 16
2.3. Aisladores Cerámicos .......................................................................................................................... 16
2.3.1. Aislador de Soporte o Rígido ........................................................................................................ 17
2.3.2. Aislador de Cadena o Suspensión ................................................................................................. 18
2.3.2.1. Caperuza-Vástago .................................................................................................................. 21
2.3.2.2. Campana (discos) .................................................................................................................. 21
2.3.2.3. Langstab ................................................................................................................................. 22
2.3.3. Aislador de Tensión o Amarre ....................................................................................................... 23
2.3.4. Aislador Pirex ............................................................................................................................... 24
2.4. Aisladores No-Cerámicos .................................................................................................................... 25
2.4.1. Herraje Terminal ........................................................................................................................... 26
2.4.2. Varilla ............................................................................................................................................ 27
2.4.2.1. Varillas Para la Aplicación de Tensión .................................................................................. 28
2.4.2.2. Varillas Para la Aplicación de Flexión .................................................................................. 28
2.4.3. Revestimiento ................................................................................................................................ 29
2.4.4. Hidrofobicidad .............................................................................................................................. 31
iv
2.4.5. Cualidades de Resistencia al Envejecimiento ............................................................................... 32
2.4.6. Aisladores Poliméricos Para Distribución .................................................................................... 36
2.4.6.1. Aislador de Retención y Suspensión ....................................................................................... 36
2.4.6.2. Aislador Para Montaje Rígido (Tipo Line Post) .................................................................... 36
2.4.6.3. Aislador para Montaje Rígido (Tipo Pin) .............................................................................. 37
2.4.7. Manual de Manipulación Para Aisladores Poliméricos ............................................................... 38
2.4.7.1. Instrucciones .......................................................................................................................... 39
2.4.7.2. Recomendaciones ................................................................................................................... 39
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-
Cerámicos .........................................................................................41
3.1. Introducción ........................................................................................................................................ 42
3.2. Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos ....................................................... 43
3.2.1. Descargas Parciales ...................................................................................................................... 43
3.2.2. Efecto Corona ............................................................................................................................... 44
3.3. Modelado de la Distribución del Campo Eléctrico a lo Largo del Aislador ...................................... 49
3.3.1. Modelado del Campo Eléctrico en Materiales Atenuadores .......................................................... 50
3.4. Anillos Equipotenciales (Anillo Corona) ............................................................................................ 54
3.5. Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos con Anillo Equipotencial ............. 55
3.6. Modelado de la Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos con Anillo
Equipotencial ............................................................................................................................................... 56
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo
Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos ...........................................59
4.1. Introducción ........................................................................................................................................ 60
4.2. Materiales Para la Atenuación del Campo Eléctrico ......................................................................... 61
4.2.1. Materiales de Conductividad Eléctrica No-lineal. ........................................................................ 61
4.2.2. Materiales de Alta Permitividad Eléctrica .................................................................................... 63
4.3. Modelado de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico con Alta Permitividad Eléctrica. ......... 65
v
4.4. Distribución del campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos Aplicando el Principio de Refracción
Dieléctrica .................................................................................................................................................... 72
4.5. Modelado de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico con Refracción Dieléctrica .................. 74
Capítulo 5 Justificación Económica ...............................................81
Capítulo 6 Conclusiones y Recomendaciones Para Trabajos
Futuros ..............................................................................................86
6.1. Conclusiones ........................................................................................................................................ 87
6.2. Recomendaciones Para Trabajos Futuros .......................................................................................... 89
Referencias .................................................................................................................................................. 90
vi
Lista de Figuras
Figura 1-1. Diseño típico de un aislador no-cerámico. .................................................................................... 5
Figura 2-1. Diferentes diseños de aislador de porcelana. ................................................................................ 17
Figura 2-2. Aislador rígido. ............................................................................................................................. 17
Figura 2-3. Elementos de un aislador de cadena. ............................................................................................ 20
Figura 2-4. Aislador de suspensión colocado en una línea de transmisión. .................................................... 20
Figura 2-5. Aislador de suspensión tipo caperuza-vástago. ............................................................................ 21
Figura 2-6. a) Aislador de suspensión tipo campana de porcelana y, b) Aislador de suspensión tipo campana
de vidrio. ........................................................................................................................................................... 22
Figura 2-7. Aislador de suspensión tipo langstab. ........................................................................................... 22
Figura 2-8. Aislador de suspensión tipo bola o rótulo. .................................................................................... 23
Figura 2-9. Aislador de tensión o amarre. ....................................................................................................... 24
Figura 2-10. Aislador en cadena de amarre .................................................................................................... 24
Figura 2-11. Elementos de un aislador compuesto. ......................................................................................... 25
Figura 2-12. Modelos típicos de herrajes terminales....................................................................................... 26
Figura 2-13. Ejemplos para dimensiones de varillas. ...................................................................................... 27
Figura 2-14. Con el uso de vidrio E-CR no hay rotura frágil. ......................................................................... 28
Figura 2-15. Corte transversal de un aislador tipo poste para líneas aéreas después del “modo de fallo no
peligroso”. ........................................................................................................................................................ 29
Figura 2-16. Uso de material para el revestimiento para aisladores compuestos > 100 kV. .......................... 30
Figura 2-17. Comportamiento hidrofílico de la superficie............................................................................... 31
Figura 2-18. Comportamiento hidrófobico de la superficie. ............................................................................ 31
Figura 2-19. Comportamiento de erosión de aisladores de hule silicón no cargados (superior) y hule silicón
enriquecida óptimamente (inferior). ................................................................................................................. 33
Figura 2-20. Efecto hidrófobico de la superficie de hule silicón sin contaminación. ..................................... 34
Figura 2-21. Efecto hidrófobico de la superficie de hule silicón con contaminación. ..................................... 34
Figura 2-22. Aislador polimérico tipo retención y/o suspensión. .................................................................... 36
Figura 2-23. Aislador polimérico tipo LP. ....................................................................................................... 37
Figura 2-24. Aislador polimérico tipo pin........................................................................................................ 37
Figura 3-1. Espectro de la radiación emitida por el efecto corona. ............................................................... 46
Figura 3-2. Aislador de 115 kV presentando efecto corona en los faldones 1 y 2. ........................................... 48
Figura 3-3. Aislador de 115 kV presentando mayor efecto corona en el faldón 1........................................... 48
Figura 3-4. Aislador de 115 kV presentando efecto corona en el faldón 1 y en el herraje principalmente. .... 48
Figura 3-5. Distribución de líneas equipotenciales en el extremo energizado de un aislador. ........................ 49
Figura 3-6. Campo eléctrico tangencial sin sistema de atenuación................................................................. 52
vii
Figura 3-7. Potencial eléctrico sin sistema de atenuación............................................................................... 53
Figura 3-8. Aisladores poliméricos con anillo equipotencial en líneas de 115 kV. .......................................... 55
Figura 3-9. Distribución de líneas equipotenciales en el extremo energizado de un aislador con anillo
equipotencial. ................................................................................................................................................... 56
Figura 3-10. Campo eléctrico tangencial con anillo equipotencial como sistema de atenuación. ................. 57
Figura 3-11. Potencial eléctrico con anillo equipotencial como sistema de atenuación. ................................ 58
Figura 4-1. Líneas equipotenciales en un ANC, con un valor de permitividad de 3. ....................................... 65
Figura 4-2. Líneas equipotenciales en un ANC, con un valor de permitividad de 10. .................................... 65
Figura 4-3. Líneas equipotenciales en un ANC, con un valor de permitividad de 20. ..................................... 66
Figura 4-4. Líneas equipotenciales en un ANC, con un valor de permitividad de 100. ................................... 66
Figura 4-5. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 3. ..... 67
Figura 4-6. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 10. .. 67
Figura 4-7. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 20. .. 68
Figura 4-8. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 100. 68
Figura 4-9. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 3. .............................................. 69
Figura 4-10. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 10 ........................................... 70
Figura 4-11. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 20. ........................................... 70
Figura 4-12. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 100. ....................................... 71
Figura 4-13. Materiales con diferente permitividad situados entre 2 electrodos planos paralelos. ................ 72
Figura 4-14. Líneas equipotenciales en un ANC, modificando la geometría del primer faldón y una
permitividad de 3. ............................................................................................................................................. 74
Figura 4-15. Líneas equipotenciales en un ANC, modificando la geometría del primer faldón y una
permitividad de 10. ........................................................................................................................................... 75
Figura 4-16. Líneas equipotenciales en un ANC, modificando la geometría del primer faldón y una
permitividad de 20. ........................................................................................................................................... 75
Figura 4-17. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 3. .. 76
Figura 4-18. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 10. . 76
Figura 4-19. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 20. . 77
Figura 4-20. Campo eléctrico tangencial en la vecindad del punto triple. ...................................................... 78
Figura 4-21. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 3. .............................................................. 79
Figura 4-22. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 10. ............................................................ 79
Figura 4-23. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 20. ............................................................ 80
Figura 5-1. Hoja de características técnicas de aisladores marca Ohio-Brass. .............................................. 83
viii
Lista de Tablas
Tabla 2-1. Comportamiento de la superficie versus material. .......................................................................... 32
Tabla 2-2. Comparación de las propiedades de las diferentes clases de hule silicón. ..................................... 35
Tabla 4-1. Valores de permitividad de materiales sólidos. ............................................................................... 64
Tabla 4-2. Valores de inicio del campo eléctrico tangencial para los diferentes valores de permitividad. ...... 78
Tabla 5-1. Presupuesto requerido para la realización del proyecto. ................................................................ 84
ix
Glosario de Términos
Aislador: Dispositivo de material aislante empleado para soportar los conductores
eléctricos de las líneas eléctricas de transmisión y distribución.
Aislante: Material que impide la transmisión de la energía en cualquiera de sus formas.
ANC: Aislador No-Cerámico.
Anillo Equipotencial: Elemento metálico que se emplea en aisladores para reducir la
concentración del campo eléctrico y que se encuentra al mismo potencial del herraje por
estar a este mecánicamente sujeto.
ANSI: American National Standards Institute.
Atenuación de Campo Eléctrico: Reducción de la intensidad del campo eléctrico en las
zonas de mayor concentración.
ATH: Alumina Tri-Hidratada.
BaTiO3: Titanato de Bario.
Capacitancia: Razón entre la magnitud de la carga de cualquiera de los conductores y la
magnitud de la diferencia de potencial entre ellos.
CE: Campo Eléctrico.
Componente Tangencial del Campo Eléctrico: Componente local del campo eléctrico
que se encuentra en dirección tangencial a la superficie del material sometido a la acción de
dicho campo.
x
Compósito: Cualquier material constituido por más de un componente.
Dieléctrico: Material que es mal conductor de la electricidad y que no permite que un
campo eléctrico lo atraviese o penetre.
Descarga Parcial (D.P.): Fenómeno de ruptura eléctrica que está confinado y localizado en
la región de un medio aislante, entre dos conductores que se encuentran a diferente
potencial. Se dice que es parcial, ya que existe un aislamiento sólido en serie y con la parte
defectuosa que evita una ruptura completa del dieléctrico.
Efecto Corona: Es la ionización del aire que rodea a los conductores de alta tensión o
incluso en la superficie de materiales aislantes sólidos con un alto campo eléctrico.
EPDM: Etrileno Propileno Dieneo Monómero.
Herraje: Elemento metálico de sujeción que se emplea para la instalación de un aislador
con la torre y con la línea.
Hidrofobicidad: Capacidad de cualquier material para repeler el agua.
HTV: Vulcanización a Alta Temperatura.
IEC: International Electrotechnical Commission.
Líneas Equipotenciales: Líneas imaginarias que unen los puntos que se encuentran al
mismo potencial eléctrico en un material dieléctrico.
LSR: Silicón Líquido.
Nano Partícula: Partícula microscópica con por lo menos una dimensión menor que 100
nano metros.
xi
Permitividad: Medida de la facilidad de polarización de un material en un C E.
Pultrusión: Proceso productivo de conformado de materiales plásticos termo rígidos para
obtener perfiles de plástico reforzado, de forma continua, sometiendo las materias primas a
un arrastre y parado por operaciones de impregnado, conformado, curado y corte. Este
proceso se caracteriza por un buen acabado superficial.
Punto Triple: Lugar geométrico donde convergen tres materiales con diferente
permitividad.
Refracción Dieléctrica: Fenómeno en el que la componente tangencial del campo eléctrico
disminuye para ángulos menores a 90°, formados entre dos materiales dieléctricos con
diferente permitividad.
RTV: Vulcanización a Temperatura Ambiente
SiC: Carburo de Silicio
Siloxano: Vulgarmente conocido como silicón, es un compuesto que presenta una cadena
de silicio y oxígeno, semejante a los hidrocarburos lineales porque el silicio tiene cuatro
enlaces igual que el carbono. De esta forma, cada átomo de silicio está unido a cuatro
átomos de oxígeno.
Superficie Equipotencial: Lugar geométrico donde el potencial eléctrico tiene el mismo
valor numérico.
Varistor: Material cuya resistencia óhmica disminuye cuando la tensión que se le aplica
aumenta.
ZnO: Óxido de Zinc.
Capítulo 1 Introducción
1
Capítulo 1 Introducción
Capítulo 1 Introducción
2
1.1. Objetivo General
Proponer el diseño y propiedades del material aislante, para la atenuación del campo
eléctrico en la superficie de un aislador no cerámico, por medio de la simulación en
un paquete computacional.
1.2. Objetivos Particulares.
Modelar la distribución del campo eléctrico (CE), en aisladores no cerámicos
(ANC‟s).
Determinar las propiedades de materiales compuestos, que permitan obtener una
distribución más uniforme del CE en la superficie del ANC.
Proponer un diseño de ANC con sistemas que contribuyan a la atenuación del CE.
Capítulo 1 Introducción
3
1.3. Antecedentes
Los aisladores no cerámicos (ANC‟s) o poliméricos fueron diseñados en los años sesenta
para remplazar a las pesadas cadenas de aisladores cerámicos en sistemas de ultra alta
tensión. Con el tiempo el interés por construir líneas de ultra alta tensión se fue perdiendo
pero no por los ANC‟s. Con la continua evolución y uso cada vez más frecuente de los
ANC‟s se han ido evidenciado ventajas adicionales a la de su bajo peso. Una de estas
ventajas es su buen desempeño en ambientes contaminados, el cual está asociado a la gran
hidrofobicidad superficial del material polimérico, la cual reduce la formación de películas
continuas de contaminante húmedo. Las películas continuas de contaminante húmedo son
el camino para pequeñas corrientes de fuga que con el tiempo pueden llegar a producir la
falla completa del aislador. Al reducirse las corrientes de fuga se reduce la probabilidad de
falla del aislador. Sin embargo, el envejecimiento de los materiales poliméricos, es decir la
pérdida gradual de sus propiedades, sigue siendo un problema que en cierta medida ha
limitado el remplazo total de los aisladores cerámicos por aisladores poliméricos.
La exposición prolongada a la contaminación y a descargas eléctricas superficiales son dos
de las causas principales del envejecimiento en los aisladores poliméricos. En el caso de las
descargas eléctricas estas son provocadas por distribución no uniforme del campo eléctrico
a lo largo del aislador o por un campo eléctrico local intenso en presencia de contaminante
húmedo. En el primer caso, la distribución del campo eléctrico es determinada por la
geometría y la distribución capacitiva a lo largo del aislador, mientras que en el segundo
caso el reforzamiento del campo eléctrico depende de la formación de bandas secas bajo
humedad y contaminación. Para reducir los problemas ocasionados por descargas
superficiales existen dos opciones: [1]; (1) reducir la intensidad del campo eléctrico en la
superficie del aislador por debajo del valor de incepción de descargas y, (2) modificar las
propiedades de los materiales, mediante la adición de rellenos inorgánicos, para resistir un
posible daño por las descargas.
Dos de los materiales compuestos que pueden ser utilizados para la atenuación del campo
eléctrico son: a) Compósitos con propiedades de varistor y b) Compósitos de alta
Capítulo 1 Introducción
4
permitividad. Micro-aglomerados con propiedades de varistor son producidos mediante
métodos químicos utilizando óxidos como precursores. Estos aglomerados son dispersados
en hule silicón para preparar el compósito. Para el caso de materiales compuestos de alta
permitividad, una opción es el uso del Titanato de Bario (BaTiO3) en una matriz
polimérica. Dichas formulaciones son diseñadas para obtener alta permitividad con las
menores perdidas dieléctricas posibles. El tamaño de las partículas influye
significativamente en las propiedades dieléctricas, por lo que actualmente se investiga el
uso de nano-partículas que pudieran representar algunas ventajas sobre el trabajar con
micro-partículas. El polvo cerámico es dispersado en hule silicón para elaborar el
compuesto. Para determinar las condiciones óptimas de dispersión de los rellenos
cerámicos (ya sea el polvo de alta permitividad o varistor) en la matriz de siloxano, las
soluciones se caracterizarán de la manera más completa posible. Existe aun la necesidad de
determinar si los materiales compuestos para la atenuación del campo eléctrico deben de
ser aplicados como una capa continua a lo largo de todo el aislador o si es conveniente
aplicarlos solo en secciones definidas del mismo. Se requiere proponer y probar
experimentalmente nuevos. Los resultados obtenidos durante las investigaciones que se
vayan desarrollando serán de interés para la industria eléctrica nacional, ya que al contar
con un aislador no-cerámico con mejores características y más confiable, fomentará su uso
no solo en puntos con contaminación ambiental extrema, sino en la construcción de nuevas
líneas de transmisión o en el redimensionamiento de las ya existentes, logrando un ahorro
considerable en comparacion con el uso de aisladores cerámicos o de vidrio.
La construcción típica de un aislador no-cerámico (ANC) o polimérico se muestra en la
Figura 1[2]. La cubierta polimérica tiene como objetivo principal proteger a la barra de
fibra de vidrio de la intemperie pero además proporciona una mayor distancia de fuga e
incrementa la rigidez dieléctrica bajo las condiciones ambientales como son humedad,
lluvia, contaminación etc. En aisladores no-cerámicos está cubierta es comúnmente de dos
tipos de materiales: EPDM (Etrileno Propileno Dieneo Monómero) y hule silicón. Existen
diferentes fenómenos que con el tiempo van dañando está cubierta, pero se considera que
las descargas eléctricas superficiales son una de las causas principales de deterioro.
Capítulo 1 Introducción
5
Las descargas superficiales son en la mayoría de los casos provocadas por una distribución
no uniforme del campo eléctrico, que se concentra en los extremos, o por intensificación
del campo eléctrico local cuando se combinan contaminación y humedad.
Herrajes
UnionesFaldones
poliméricos
Figura 1-1. Diseño típico de un aislador no-cerámico.
Actualmente, para evitar una rápida degradación de la superficie polimérica por descargas
superficiales se recurre al uso de rellenos tales como sílica y alúmina tri-hidratada. Sin
embargo, la necesidad de mejorar aun más la resistencia a las descargas ha hecho crecer el
interés por el uso de nano compuestos en el aislamiento de sistemas eléctricos de alta
tensión. En los primeros trabajos de investigación se han registrado inconsistencias en
cuanto a las mejoras en las propiedades por lo que estos compósitos no han sido incluidos
aun en los diseños comerciales de aisladores. La discrepancia en cuanto a resultados se ha
adjudicado a que en algunos casos no se ha logrado tener una distribución uniforme del
relleno en el compósito. Es por esto que existe una gran necesidad por encontrar métodos
alternativos para obtener una mejor dispersión de las nano-partículas.
Para llegar a plantear un diseño de aislador con mejoras significativas con el uso de nano
materiales se requiere de una investigación lo más completa posible. Sin embargo, el
incrementar solo la resistencia a las descargas parciales no es suficiente, también se
requiere evitarlas. El uso de materiales atenuadores del campo eléctrico representa una
Capítulo 1 Introducción
6
solución complementaria que, junto con el incremento de la resistencia a descargas
superficiales, servirá para obtener diseños de aisladores lo suficientemente confiables.
Ambas soluciones requieren de un trabajo considerable por lo que para poder obtener
avances importantes en un tiempo razonable se requiere del trabajo conjunto de
investigadores con experiencia en todas las áreas de conocimiento involucradas.
Existe una búsqueda continua por realizar mejoras significativas al diseño de ANC que
lleven a generar más confianza en los usuarios de este elemento del sistema de aislamiento.
Una de las contribuciones importantes han sido los resultados obtenidos por investigadores
de Canadá, que han mostrado que la resistencia a las descargas superficiales de compuestos
de hule silicón se mejora incrementando la conductividad térmica de los materiales
[Meyer].
Los rellenos inorgánicos (sílica y ATH) utilizados en una primera fase de su investigación
fueron de tamaño micrométrico, encontrando que la conductividad térmica incrementa con
la cantidad de micro partículas, hasta un punto donde el procesamiento del compuesto lo
permite. Recientemente se han iniciado investigaciones en el uso de nano partículas
mezcladas con micro partículas encontrando resultados prometedores.
Por otro lado, existe poco trabajo enfocado a la investigación y desarrollo de nano y micro
compuestos que puedan ser utilizados para atenuar el campo eléctrico en las superficie del
aislador. Esta alternativa se enfoca en reducir la intensidad de campo eléctrico en la
superficie del aislador.
Aunque el concepto de atenuación del campo eléctrico con materiales compuestos es una
técnica bien conocida en terminales de cables y bobinas de mediana tensión [3,4], este
concepto no ha llegado a ser aplicado todavía en aisladores o boquillas con cubiertas
poliméricas donde las propiedades requeridas son diferentes.
El uso de compósitos con alta permitividad, basados en materiales ferroeléctricos, se ha
considerado como una buena opción para el control del campo eléctrico en aisladores. Los
Capítulo 1 Introducción
7
materiales ferroeléctricos exhiben una muy alta permitividad por lo que se considera que
con la adición de este relleno en cantidades que no comprometan el moldeado y las
propiedades mecánicas del compósito se pueden obtener buenos resultados. Uno de estos
materiales es el Titanato de Bario (BaTiO3) [5]. El BaTiO3 es un material ferroeléctrico
bien conocido que puede llegar a tener un valor de permitividad relativa de alrededor de
6000 para partículas del orden de 1 μm de tamaño, reduciéndose a 1500 – 2000 para
partículas más grandes [6]. El dopaje del BaTiO3, con diferentes elementos, es utilizado
para modificar sus propiedades dieléctricas [6,7]. El dopaje se obtiene usualmente mediante
un proceso de difusión térmica en un horno con lo cual se pueden modificar la permitividad
relativa y las perdidas dieléctricas del BaTiO3. Se han reportado valores de permitividad de
hasta del orden de 105 en BaTiO3 dopado [6,7,8], aunque muy probablemente con pérdidas
dieléctricas considerables. En el caso de atenuación del campo eléctrico, a diferencia de
otras aplicaciones, ciertas pérdidas dieléctricas pueden ser aceptables. Modificando el
dopaje del BaTiO3 se puede llegar a obtener materiales compuestos con características
interesantes para ser usados en el control del campo eléctrico. Un trabajo realizado en la
Universidad de Waterloo [5], demostró que incrementando la permitividad relativa de un
compuesto de hule silicón con BaTiO3 se puede reducir la intensidad del campo eléctrico en
la superficie del aislador. No obstante, debido a que el valor máximo de permitividad
relativa obtenido sin incrementar considerablemente la fracción volumétrica de relleno o las
pérdidas dieléctricas fue de 15, no se obtuvo una reducción significativa. El material
utilizado no fue dopado por lo que la opción de modificar las propiedades del polvo, previo
a la producción del compósito, requiere de ser investigada.
Otro tipo de material compuesto que ha sido propuesto para el control del campo eléctrico
en aisladores es el oxido de zinc como varistor [9]. Micro-aglomerados con propiedades de
varistor, basados en ZnO, son actualmente utilizados en compuestos poliméricos en
terminales de cables de mediana tensión. El material varistor de ZnO se caracteriza por
tener una marcada dependencia de su conductividad eléctrica con la intensidad del campo
eléctrico. Este material se comporta como aislante para una baja tensión o campo eléctrico,
pero comienza a conducir a cierto valor. Esta característica fue descubierta por Matsuoka
[10] en los años setenta. Varistores de ZnO han sido ampliamente usados para estabilizar la
Capítulo 1 Introducción
8
tensión y suprimir sobretensiones en circuitos electrónicos y sistemas eléctricos de potencia
(apartarrayos). El oxido de zinc es el componente principal (98% Mol); sin embargo, los
aditivos (2% Mol) son una parte esencial para producir el comportamiento de varistor del
material [11]. El ZnO como varistor es usualmente preparado con polvo de ZnO mezclado
con los aditivos en agua, entonces la solución es molida para obtener el tamaño de
partículas requerido. El material es entonces secado al vacío para obtener aglomerados de la
mezcla que se comprimen para formar discos o tabletas. Estos comprimidos son
sinterizados en un horno a temperaturas de 973 a 1173 K. Durante este último proceso, los
granos de ZnO son rodeados por capas delgadas de óxidos de los aditivos, formando una
capa aislante en las fronteras de los granos [12]. La fronteras aislantes que se forman son
barreras de potencial que requieren de una tensión de aproximadamente 3V entre granos
para que, por efecto túnel, electrones puedan cruzarla incrementando rápidamente la
conductividad del material.
El uso de materiales compuestos con ZnO como varistor en aisladores requiere de un
trabajo extenso, pues hasta ahora solo se han discutido las posibles ventajas del uso de este
material, pero no se han realizado una investigación sistemática que verifique su viabilidad
en aisladores para sistemas eléctricos de potencia.
Capítulo 1 Introducción
9
1.4. Justificación
Las salidas de líneas de transmisión y distribución pertenecientes al sistema eléctrico
nacional de nuestro país, tienen como una de sus principales causas la falla del sistema de
aislamiento, el cual se encuentra conformado por el conjunto de aisladores con sus
respectivos accesorios.
La ruptura eléctrica en la superficie de aisladores, muchas veces facilitada por la
contaminación ambiental, se ha reportado como una causa común de interrupción del
servicio eléctrico. Las compañías de transmisión de energía eléctrica, en busca de reducir
las salidas de su sistema y las grandes pérdidas económicas asociadas a ello, han tomado
como alternativa el cambio de los aisladores cerámicos o de vidrio por aisladores no-
cerámicos o poliméricos. El uso creciente de ANC‟s ha llevado a que en países como
Estados Unidos ya no se fabrique aisladores cerámicos o de vidrio, y solo existan
fabricantes de aisladores poliméricos.
Aunque con ANC‟s se ha mejorado la continuidad del servicio en algunos puntos
determinados de nuestro sistema eléctrico, se han llegado a tener problemas con estos
aisladores, que evidencian la necesidad de producir mejoras a esta tecnología. El trabajo de
investigación propuesto resulta oportuno y original ya que con el auge de la
nanotecnología, existe bastante interés por los fabricantes de aisladores en utilizar
materiales nano-compuestos, para producir mejoras en sus productos.
Los trabajos relacionados con el uso de nano-compuestos en ANC‟s, se han concentrado en
mejorar la resistencia a las descargas superficiales; sin embargo esto no es suficiente para
un óptimo desempeño del mismo, en cuanto no se logre disminuir la concentración de
campo eléctrico en determinadas zonas del aislador.
Los ANC‟s proporcionan diversas ventajas respecto a los aisladores cerámicos, sin embargo
aún no se ha podido reemplazar al 100% estos últimos. Lo anterior se debe a que con los
aisladores cerámicos se tiene una larga experiencia y en muchas ocasiones no se desea
Capítulo 1 Introducción
10
correr riesgos con nuevas tecnologías. Para poder entonces emplear ANC‟s con mas
confianza en su desempeño es necesario al igual que con sus antecesores, determinar diseño
y parámetros que les permitan tener un desempeño más adecuado.
Recientemente la Comisión Federal de Electricidad (CFE), elaboró una especificación para
aisladores no cerámicos, basada en los requerimientos de prueba establecidos por la norma,
IEC1109, en adición a algunos criterios dimensionales (longitud, distancia de fuga, valores
dieléctricos y mecánicos, etc.) que deben tomarse en cuenta.
Capítulo 1 Introducción
11
1.5. Aportaciones
Se presenta un modelo de aislador no cerámico, en el cual mediante la aplicación de
sistemas de atenuación combinados, se busca una mejor distribución del campo eléctrico en
toda la longitud del aislador. De acuerdo a los datos analizados, el uso del anillo
equipotencial mejora la distribución del campo eléctrico. Por otro lado, el modificar las
características de los materiales compuestos para lograr valores altos de permitividad, es
buena opción, pero ésta por sí sola no representa gran mejoría, debido a los valores bajos
que se pueden conseguir actualmente y por último al modificar la geometría del aislador,
también se obtiene una mínima mejoría.
Los resultados analizados individualmente, muestran en general una mínima mejoría, sin
embargo haciendo combinaciones con las opciones antes mencionadas, se puede lograr una
distribución de esfuerzos eléctricos en el aislador aceptable y así lograr una mayor vida útil
sin el uso de accesorios extras. Esto es de interés ya que en la actualidad existe una
tendencia de sustituir los aisladores cerámicos por no cerámicos, por lo que las deficiencias
que presentan los aisladores poliméricos deberán reducirse y quizá en un futuro cercano
eliminarse.
Capítulo 1 Introducción
12
1.6. Alcances
Con la presente investigación se busca contribuir en el desarrollo de sistemas para atenuar
el campo eléctrico en aisladores no cerámicos. Para este propósito se propone el uso de
materiales compuestos y la modificación del perfil del aislador. Los materiales compuestos
considerados en el trabajo fueron de alta permitividad y bajas pérdidas dieléctricas.
Las características dieléctricas de los materiales propuestos fueron utilizadas para modelar,
en un paquete computacional que utiliza el método del elemento finito, la distribución del
campo eléctrico en la superficie del aislador.
La principal contribución de este trabajo consiste en una propuesta de diseño de un aislador
polimérico que de acuerdo a los resultados de simulación reduce considerablemente los
esfuerzos eléctricos.
Para lograr lo anterior, se requiere de materiales de alta permitividad, sin embargo, esta
característica se encuentra limitada en la práctica, ya que aun no se cuenta con materiales
con la permitividad necesaria para lograr una buena atenuación del campo eléctrico. Por lo
que se recurre a la modificación del perfil del aislador aprovechando el principio de
refracción dieléctrica, con lo que se consigue una reducción del campo eléctrico más
significativa. También se analiza la instalación de un anillo equipotencial, opción con la
cual se mejora la distribución del campo eléctrico, sin embargo tiene los siguientes
inconvenientes: a) reduce la distancia de arco en seco, b) Incrementa el peso
considerablemente, c) Incrementa el precio y d) Debido a la falta de experiencia del
personal o a especificaciones poco claras se instala incorrectamente.
Capítulo 1 Introducción
13
1.7 Estructura del reporte
El capítulo 1 inicia con la introducción referente al origen y antecedentes de los aisladores
no cerámicos, se mencionan algunas de las ventajas por las que han ido sustituyendo a los
aisladores cerámicos, así como problemas que han presentado una vez en uso. También se
definen los materiales que actualmente están empleando para la fabricación de ANC‟s y
estudios realizados para corregir las deficiencias mostradas.
En el capítulo 2 se mencionan los diferentes tipos de aisladores utilizados en los sistemas
eléctricos de potencia, así como sus respectivas características y especificaciones.
En el capítulo 3 se realizan comparaciones de la distribución del campo eléctrico en
aisladores poliméricos sin anillo y con anillo equipotencial realizadas con el simulador
Comsol 3.5 y con el paquete computacional OriginPro 8, con el fin de observar la
diferencia entre estos 2 casos.
En el capítulo 4 se expone la distribución del campo eléctrico con diferentes sistemas de
atenuación, nuevamente empleando el simulador Comsol 3.5, y el paquete computacional
OriginPro 8.
En el capítulo 5 se realiza un presupuesto aproximado sobre el costo para la realización del
proyecto, por lo que los recursos utilizados fueron divididos en recursos materiales y
recursos humanos.
El capítulo 6 presenta las conclusiones derivadas de este trabajo de investigación y se
presentan recomendaciones para trabajos futuros.
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
14
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
15
2.1. Introducción
Los aisladores sirven de apoyo y soporte a los conductores de fase en líneas de transmisión
y distribución en sistemas eléctricos de potencia, al mismo tiempo que los mantienen
aislados de tierra.
El buen funcionamiento de una línea de transmisión depende en gran escala de su
aislamiento. En la 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 distancia de fuga sea aproximadamente el doble de la menor distancia en
aire entre puntos energizados. La necesidad de transmitir energía en grandes niveles trae
consigo la necesidad de utilizar muy altas tensiones (> 230 kV). Lo anterior junto con
problemas de contaminación, cada vez más frecuentes en las instalaciones eléctricas, trae
consigo el reto de contar con mejores aisladores [13].
Los aisladores no sólo deben tener resistencia mecánica suficiente para soportar con amplio
margen las cargas debidas al hielo y al viento que puedan razonablemente esperarse, 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. La producción de un arco eléctrico a través del contorno del aislador
debe ser evitada en todos los casos, con la sola excepción de sobretensiones por rayo,
cualquiera que sean las condiciones de humedad, temperatura, lluvia o nieve, y con la
cantidad de polvo que habitualmente se acumula hasta ser limpiada por las lluvias.
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
16
2.2. Aisladores para Sistemas Eléctricos de Potencia
El aislamiento de los sistemas eléctricos se diseña de forma tal que los valores de las
sobretensiones esperadas estén por debajo de su capacidad de soporte. Las sobretensiones
que determinan el nivel de aislamiento en los sistemas eléctricos a la intemperie, con
tensión de operación continua inferior a 245 kV, son las sobretensiones de corta duración a
frecuencia del sistema y las sobretensiones de frente rápido, debidos a las descargas
atmosféricas [14]. Para sistemas de más de 245 kV las sobretensiones por maniobra son
también consideradas. El tipo de aislador a usar en una aplicación determinada depende de
varios factores tales como: nivel de tensión, nivel de contaminación en el lugar de
instalación, carga mecánica etc. A continuación se describen los diferentes tipos de
aisladores utilizados en sistemas eléctricos de potencia, y aunque el presente trabajo es
fundamentalmente sobre aisladores no-cerámicos, se inicia con una descripción de los
diferentes aisladores cerámicos para poder tener un punto de comparación para los ANC‟s.
2.3. Aisladores Cerámicos
Estos aisladores se construyen con vidrio, pastas o “compound” patentadas y porcelana.
Para líneas de transmisión los aisladores de vidrio solo son recomendables si están
construidos con vidrio especial resistente al calor, tal como el Pirex. Los productos
orgánicos, incluyendo los compuestos o pasta “compound” de origen orgánico, no resisten
la acción prolongada de altas tensiones, especialmente si están expuestos a la intemperie,
por lo cual su uso queda limitado a instalaciones de baja tensión al interior de edificios
[14].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
17
Figura 2-1. Diferentes diseños de aislador de porcelana. [14]
2.3.1. Aislador de Soporte o Rígido
Estos aisladores se construyen para tensiones de arco hasta 200 kV a 60 Hz, si bien es raro
usarlos para tensiones de arco superiores a 180 kV (tensión nominal 75 kV). Estos últimos
son equivalentes en tensión de arco, a algo menos de tres elementos de cadena de
suspensión del tipo de 5 ¾ de pulgada (14.6 cm). Lo reducido del margen de aislamiento y
el riesgo de aplicar tensiones tan altas sobre un solo aislador, relativamente frágil, hace que
estos aisladores no se usen con tensiones superiores a 66 kV [15].
Figura 2-2. Aislador rígido. [15]
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
18
2.3.2. Aislador de Cadena o Suspensión
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.
Estos aisladores se usan casi exclusivamente en líneas de tensión superior a 66 kV, en
vanos largos y con conductores pesados. Las unidades o discos modernos de caperuza y
vástago han dado resultados muy satisfactorios y se han adoptado progresivamente para
hacer frente a las necesidades de las más altas tensiones y de la construcción más pesada,
con simplicidad y economía.
La tensión de arco por contorno en cadenas de aisladores de suspensión es casi
proporcional a la distancia a tierra en el aire y aproximadamente igual a la tensión de arco
entre varillas con la misma distancia, a 60 Hz y con las sobretensiones que se originan en
las maniobras [16].
En la práctica, el número de discos o unidades que conforman la cadena de aisladores es
aproximadamente proporcional a la tensión, con ligero aumento para las tensiones más altas
y con cierto margen en la longitud de cada unidad.
Para la tensión de 66 kV se usan de 4 a 5 unidades, para 110 kV de 7 a 8, para 132 kV de 8
a 10, para 154 kV de 9 a 11, para 220 kV de 14 a 20.
Las unidades o discos más modernos tienen una resistencia máxima de 6800 kg. El
promedio de cualquier partida de estos discos resiste generalmente una prueba a la tracción
de 6800 kg y muchas unidades alcanzan un 25% más que dicha cifra. Es probable que uno
de estos discos, bien construido, resista una carga de 4.536 a 5.400 kg durante varios días
sin fallar. Se recomienda una carga máxima de seguridad 2.270 a 2.700 kg, lo que
representa un factor de seguridad de 2 sobre el mínimo de la prueba carga-tiempo [17].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
19
Este tipo de aislador es el más empleado en media y 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 se detallan en las siguientes secciones.
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
20
Figura 2-3. Elementos de un aislador de cadena. [17]
Figura 2-4. Aislador de suspensión colocado en una línea de transmisión. [17]
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
21
2.3.2.1. Caperuza-Vástago
Este aislador se compone de una campana de porcelana o vidrio templado, 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 [18].
Figura 2-5. Aislador de suspensión tipo caperuza-vástago. [18]
2.3.2.2. Campana (discos)
Está constituido por un núcleo cilíndrico de porcelana de diámetro comprendido entre 60 y
85 mm., y provisto de dos faldas anchas. La unión de los aisladores campana entre sí se
hace con un pequeño vástago cilíndrico terminado en dos rótulas. La diferencia esencial
entre el aislador campana y el elemento caperuza-vástago, 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 [16].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
22
Figura 2-6. a) Aislador de suspensión tipo campana de porcelana y, b) Aislador de suspensión tipo
campana de vidrio. [19]
2.3.2.3. Langstab
Este modelo es un mejoramiento 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 [14].
Figura 2-7. Aislador de suspensión tipo langstab. [20]
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
23
Figura 2-8. Aislador de suspensión tipo bola o rótulo. [14]
2.3.3. Aislador de Tensión o Amarre
Un conjunto de unidades de suspensión dispuestas al extremo o final de una línea, en una
estructura, se denomina aislador de amarre o de tensión. Estos aisladores deben soportar el
pleno esfuerzo de tracción y han de ser calculados con un amplio factor de seguridad para
la máxima cantidad de hielo y presión de viento; el esfuerzo máximo que pueden resistir los
aisladores y sus herrajes debería ser equiparado al del conductor, con el fin de tener en
cuenta posibles cargas externas, superiores a las supuestas en el proyecto general. Es
común proteger las cadenas de amarre o final de línea, especialmente contra deterioro
debido a arcos, empleando dos o tres discos adicionales e instalando cuernos o anillos de
guardia.
En casos de esfuerzos muy elevados o conductores muy pesados, se disponen cadenas
dobles y triples en paralelo mediante piezas especiales (culatas) de acero (muy conocidas
por su denominación inglesa “yoke”). Se construyen piezas de esta clase para doble y triple
cadena, como accesorios o herrajes corrientes de aisladores. Para esfuerzos superiores sería
preciso un estudio especial [13,17].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
24
Figura 2-9. Aislador de tensión o amarre. [13]
Figura 2-10. Aislador en cadena de amarre. [13]
2.3.4. Aislador Pirex
El aislador de suspensión de caperuza y perno con disco Pirex, emplea una aleación
metálica en sustitución del cemento. Los constructores afirman que gracias al estudio de la
distribución de esfuerzos, que solo es posible por la transparencia de semejante material, y
también por el cuidadoso tratamiento térmico, estos aisladores alcanzan esfuerzos de
tracción próximos al doble de los conseguidos con los aisladores corrientes del tipo de
caperuza y perno [13].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
25
2.4. Aisladores No-Cerámicos
Los aisladores compuestos fueron introducidos a finales de la década de los sesenta. La
idea básica consiste en la combinación de varios materiales que cumplen los diferentes
requerimientos en el funcionamiento del aislador. La Figura 2-11 muestra los elementos
que constituyen un aislador compuesto.
Figura 2-11. Elementos de un aislador compuesto. [21]
Los herrajes terminales son de material metálico, como acero forjado o aluminio. Para
garantizar que los aisladores cerámicos instalados en líneas de transmisión puedan ser
sustituidos fácilmente, se ha conseguido un alto grado de estandarización de los mismos
debido a que se encuentran incorporados a la estructura del aislador compuesto.
La varilla de resina reforzada con fibra de vidrio absorbe las cargas mecánicas que se
pueden presentar, como: tensión, flexión o compresión. Aunque también puede ser una
combinación de las tres cargas dependiendo de la aplicación y las variaciones de carga.
Los materiales para el revestimiento son tan diversos como los correspondientes métodos
de fabricación. No obstante, la experiencia presente en servicio ha demostrado que ciertos
materiales muestran un comportamiento óptimo [21].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
26
2.4.1. Herraje Terminal
En la Figura 2-12 se muestran modelos típicos de herrajes terminales. Las dimensiones
corresponden a las normas IEC 60120, IEC 60471 o IEC 61466 así como a las normas
equivalentes de ANSI [21].
Figura 2-12. Modelos típicos de herrajes terminales. [21]
Para la red de distribución, se pueden aplicar herrajes terminales de acero fundido, debido a
que se presentan fuerzas con un valor de hasta 70 kN y para fuerzas mayores se emplean
herrajes terminales de acero forjado.
Para aplicaciones especiales, como herrajes para sistemas de catenaria ferroviaria, se aplica
a menudo aluminio de fundición en coquilla de alta resistencia [21].
Los herrajes terminales de acero están galvanizados en caliente. El espesor de la
galvanización se efectúa según las recomendaciones de la IEC 60383. Bajo pedido, se
suministran mayores espesores por ejemplo, para condiciones de empleo altamente
corrosivas o aplicaciones de corriente continua [21].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
27
2.4.2. Varilla
La varilla de resina reforzada con fibra de vidrio es el componente fundamental del aislador
no cerámico, tal como se aprecia en la Figura 2-11. Generalmente, es producida mediante
un proceso continuo de pultrusión, obteniéndose diferentes diámetros (Figura 2-13), los
cuales dependen de la aplicación o carga a la que vaya a estar sujeto el aislador.
Figura 2-13. Ejemplos para dimensiones de varillas. [21]
La dimensión de las fibras de vidrio es importante para la adhesión a la matriz de resina. La
matriz de resina tiene que ser formulada para aplicaciones eléctricas para garantizar una
baja absorción de humedad y cambios insignificantes de las propiedades eléctricas y
mecánicas en servicio. El alargamiento de rotura de la resina deber estar equilibrado con el
alargamiento de rotura de las fibras de vidrio para impedir fisuras y fracturas en el
momento de ser sometido a cargas mecánicas. Hoy en día, se suelen utilizar generalmente
resinas epoxi [21].
La varilla puede tener un aspecto opaco o trasparente, debido a que por diversos motivos
es necesario añadirle a la matriz de resina, algún material de relleno.
Las varillas de resina epoxi y de fibra vidrio, presentan un comportamiento en servicio muy
bueno y fiable, siempre que se lleve cuidadosamente el control de la materia prima, se
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
28
seleccionen exactamente los parámetros del proceso y se apliquen controles de rutina
determinados mediante estadísticas.
2.4.2.1. Varillas Para la Aplicación de Tensión
La elección de la fibra de vidrio determina la susceptibilidad de la varilla para la corrosión
de tensión electrolítica (rotura frágil). Este fenómeno se da por un ataque ácido destructivo
sobre la fibra de vidrio, seguido por un defecto mecánico del aislador cuando las restantes
fibras no son capaces de seguir soportando las cargas de tensión en servicio.
Investigaciones recientes en CIGRE e IEEE, así como las experiencias en el campo, han
demostrado que la probabilidad de una rotura frágil se reduce significativamente con el uso
de fibras de vidrio especiales (con un contenido de boro reducido o bien libre de boro,
llamado vidrio E-CR) (Figura 2.14) [21].
Figura 2-14. Con el uso de vidrio E-CR no hay rotura frágil. [21]
2.4.2.2. Varillas Para la Aplicación de Flexión
Los diámetros de las varillas se eligen considerando la carga en servicio, la resistencia a la
rotura por flexión así como el movimiento admisible a carga en servicio.
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
29
Como ventaja del aislador tipo poste se ha revuelto el llamado “modo de fallo no peligroso”
al sobrecargar la solicitación de flexión máxima. Esto significa que un aislador compuesto
tipo poste diseñado apropiadamente no fallará a causa de una rotura completa sino
solamente por una rotura por cizallamiento interlaminar en la zona neutra de la flexión
(Figura 2-15) [21].
Este “modo de fallo no peligroso” tiene las siguientes ventajas respecto al aumento del
valor y rendimiento en comparación con aisladores tipo poste de porcelana [21]:
Ninguna rotura relacionada con la caída inmediata del conductor
Identificación fácil gracias al movimiento sobredimensionado
Alta capacidad de resistencia residual del aislador sobrecargado
Figura 2-15. Corte transversal de un aislador tipo poste para
líneas aéreas después del “modo de fallo no peligroso”. [21]
2.4.3. Revestimiento
Un aislador tiene por objetivo aislar la formación de arcos eléctricos entre conductor-tierra
o conductor-conductor, dicho arco se puede producir debido a una sobretensión o por
contaminación.
Como se comento en los antecedentes, desde la introducción de los aisladores poliméricos,
se han realizado una gran cantidad de ensayos y pruebas para obtener el material dieléctrico
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
30
que presente las mejores propiedades para el revestimiento del núcleo de fibra de vidrio o
de resina epoxi.
Una encuesta llevada a cabo por el grupo de trabajo CIGRE [21], demostró que, en la
mayor parte de los aisladores compuestos se emplea hule silicón ( ) como material de
revestimiento, seguido del EPDM ( ), mientras que otros materiales ( ) desempeñan
un papel menos importante (Figura 2-16)
Mientras que la distancia de arco determina el comportamiento durante una sobretensión, la
geometría (de faldones) y el comportamiento con humedad en su revestimiento son los
factores decisivos del comportamiento en caso de contaminación [21].
Figura 2-16. Uso de material para el revestimiento para aisladores
compuestos > 100 kV. [22]
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
31
2.4.4. Hidrofobicidad
En general, los aisladores compuestos para líneas aéreas tienen menor diámetro que los
aisladores de porcelana o de vidrio. Esta diferencia en la geometría y una superficie
preferiblemente no mojada (hidrofobicidad) llevan a un comportamiento en servicio más
fiable en caso de contaminación en comparación con los aisladores convencionales. La
humectabilidad caracteriza el comportamiento de dispersión del agua y puede ser
categorizada principalmente en el estado hidrofílico (Figura 2-17) e hidrófobo (Figura 2-
18) [21].
La experiencia en servicio ha mostrado que la cualidad de hidrofobicidad es un factor
decisivo para un funcionamiento fiable en condiciones de contaminación y sin medidas de
mantenimiento preventivo.
Como referencia, se puede comparar el hule silicón con otros materiales poliméricos y no
poliméricos, dicha comparación se muestra en la siguiente Tabla:
Figura 2-17. Comportamiento hidrofílico de la
superficie. [21]
Figura 2-18. Comportamiento hidrófobico de la
superficie. [21]
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
32
Tabla 2-1. Comportamiento de la superficie versus material. [21]
Clases de
material de
revestimiento
Comportamiento hidrófobo de la
Superficie
Comportamiento hidrofílico de la
superficie
Nuevo
Viejo
Contaminado
Nuevo
Viejo
Contaminado
Hule silicón
Si
Si, después de
recuperación*
Si, después del
proceso de
transferencia**
No
No, solo
temporalmente
No, solo
temporalmente
Otros materiales
poliméricos
Si
No
No
No
Si
Si
Vidrio/porcelana
No
No
No
No
Si
Si
* La recuperación es un proceso bien documentado del hule silicón y significa que las cualidades hidrófobas
suelen volver con la reorientación de grupos metilos en la superficie de la masa del material.
**
La transferencia es la difusión de moléculas de cadenas de bajo peso molecular del hule silicón en la capa
de contaminación de la superficie del aislador. En cantidades suficientes de estas moléculas, la capa de
contaminación se vuelve hidrófoba y se comporta, en el caso ideal, como un aislador no contaminado.
2.4.5. Cualidades de Resistencia al Envejecimiento
La hidrofobicidad es considerada una de las propiedades más importantes del material de
revestimiento aislante, por lo que la formulación del material dieléctrico, la tecnología de
elaboración, y la pérdida temporal de hidrofobicidad debida a los procesos dinámicos, son
aspectos que presentan una constante optimización. Por ejemplo, se han realizado
investigaciones científicas con el objetivo de definir un método de ensayo para medir la
transferencia de propiedades hidrófobas a una capa contaminada definida [21].
Si se pierde la hidrofobicidad, un segundo “mecanismo de protección” del material contra
el envejecimiento intensivo (erosión de la masa) deberá proteger al aislador. Este
mecanismo se evalúa en particular mediante ensayos que valoran el comportamiento de
erosión y tracking (por ejemplo IEC 60587) (Figura 2-19) [21].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
33
Figura 2-19. Comportamiento de erosión de aisladores de
hule silicón no cargados (superior) y hule silicón
enriquecida óptimamente (inferior). [21]
En cuanto al comportamiento de erosión y tracking, el hule silicón vulcanizado a alta
temperatura (HTV, High Temperature Vulcanizing) y enriquecido con trihidrato de
aluminio, presenta menos fallas en relación al hule silicón vulcanizado a temperatura
ambiente (RTV, Room Temperature Vulcanizing) y al hule silicón de baja viscosidad, como
el silicón vulcanizado a temperatura ambiente (RTV) o silicón líquido (LSR).
Mientras que al principio el material de relleno podía tener influencia diametral en la
dinámica de la hidrofobicidad, los materiales HTV actuales combinan de forma óptima la
resistencia excelente a la erosión y con el comportamiento de la hidrofobicidad dinámica
una rápida recuperación y un corto tiempo de transferencia (Figura 2-20 y Figura 2-21)
[21].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
34
Figura 2-20. Efecto hidrófobico de la superficie
de hule silicón sin contaminación. [21]
Figura 2-21. Efecto hidrófobico de la superficie
de hule silicón con contaminación. [21]
Hoy en día, alrededor de un 95 % de aisladores se fabrican con la Tecnología HTV. El
factor decisivo es, principalmente, la mejor resistencia al envejecimiento del hule silicón.
En la Tabla 2-2 se muestra una comparación entre las tres clases de hule silicón (HTV, LSR
y RTV).
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
35
Tabla 2-2. Comparación de las propiedades de las diferentes clases de hule silicón. [21]
Propiedad
Hule silicón HTV*
Silicón RTV/LSR**
Viscosidad
30…45 Mooney (estable)
30000…150000 mPa
Resistencia al
envejecimiento
Tracking/Erosión Alto Medio
Resistencia a rayos UV Alto Alto
Inflamabilidad*** Alto Alto
Hidrofobicidad
Recuperación Veloz Veloz
Transferencia Veloz Veloz
* HTV = High Temperature Vulcanizing (vulcanización a alta temperatura)
**RTV = Room Temperature Vulcanizing (vulcanización a temperatura ambiente)
***Propiedad del material por ejemplo importante para el comportamiento de arco voltaico y situaciones
de fuego
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
36
2.4.6. Aisladores Poliméricos Para Distribución
2.4.6.1. Aislador de Retención y Suspensión
Como su nombre lo indica, este aislador se emplea habitualmente como retención o
suspensión en líneas aéreas de distribución y ocasionalmente se emplea para
seccionamiento en poste simple [22].
Figura 2-22. Aislador polimérico tipo retención y/o suspensión. [22]
2.4.6.2. Aislador para Montaje Rígido (Tipo Line Post)
Se emplea habitualmente como aislador soporte (PR) sobre crucetas de madera, hormigón o
metal. Ocasionalmente se utiliza para fijar puentes al vuelo o bajadas en subestaciones
aéreas.
Como permite la construcción de redes más compactas y estéticas, se recomienda darle una
inclinación de 12º respecto a la horizontal, ubicar el conductor en la posición lateral y
utilizar como elemento de fijación la atadura elástica suministrada [22].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
37
Figura 2-23. Aislador polimérico tipo LP. [22]
2.4.6.3. Aislador Para Montaje Rígido (Tipo Pin)
Se le emplea habitualmente como aislador perno rígido en líneas de distribución de 15 kV,
en especial para conductores protegidos. Ocasionalmente se utiliza para fijar bajadas en
subestaciones y seccionamientos [22].
Figura 2-24. Aislador polimérico tipo pin. [22]
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
38
2.4.7. Manual de Manipulación Para Aisladores Poliméricos
Las características eléctricas y mecánicas de un aislador quedan definidas por los ensayos
de tipo que establece la normativa de aplicación y se verifican en general en el proyecto de
la línea donde será empleado mediante el cumplimiento de la norma.
En el caso de estos aisladores la norma mas empleada es la IEC 1109, y en ella se define
como ensayo de tipo eléctrico la determinación del valor de la tensión resistida a frecuencia
industrial bajo lluvia y el de la tensión critica de impulso para una sobretensión del tipo
atmosférica. Este último valor también define el nivel básico de aislación (BIL) del
sistema. En cuanto a ensayos del tipo mecánico se verifica la carga mecánica nominal
CMN (SML) en una prueba carga-tiempo.
Para el cumplimiento de estos requisitos y de acuerdo con el tipo de utilización, el
proyectista define 2 parámetros geométricos que a su vez determinaran otras características
del aislador: la distancia de arco y la distancia de pérdida o fuga.
Con este último se tienen en cuenta las condiciones particulares de la zona de instalación,
existiendo como referencias normas y recomendaciones internacionales como la IEC 815.
Idénticas consideraciones se tienen en cuenta ante la necesidad de reemplazo de un aislador
o cadena de aisladores existentes.
Sin embrago, en la vida útil y correcta prestación en servicio de un aislador polimérico, no
solo influyen la correcta elección, el diseño, calidad de materiales y cuidados en su
elaboración, sino también, y de manera fundamental, el manipuleo, estiba, traslado y
montaje de los mismos [23].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
39
2.4.7.1. Instrucciones
Embalaje
Mantener el embalaje original cerrado y bajo techo hasta su traslado al lugar de
montaje
Cuidar al abrir el embalaje de no dañar el revestimiento con objetos cortantes o
punzantes (cuchilla, barreta, clavos, etc.)
Si el embalaje original fue retirado, prever un transporte adecuado que preserve
al producto de suciedad, raspaduras, cortes o esfuerzos inadecuados.
Manipulación e instalación
Los aisladores fuera de su embalaje deben protegerse de golpes, aplastamientos,
raspaduras o cortes que pudieran dañar el revestimiento o su estructura.
No deberán ser pisados, ni usados como apoyo de objetos o personas.
Se los izara evitando roces y golpes con la estructura, morsetería, herramientas,
etc.
2.4.7.2. Recomendaciones
1. No es conveniente que el aislador sea removido de su embalaje hasta el momento
previo a su instalación.
2. Durante la espera de ser instalado, si el aislador ha sido retirado de su embalaje
original, debe estar apoyado en posición vertical y nunca horizontal (sobre el piso)
por riesgo a ser pisado y/o aplastado.
3. Los aisladores se deberán armar con morsetería final al pie de la torre y se elevaran
a su ubicación de amarre lo mas rígidamente evitando golpes o arrastres contra la
torre o poste.
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos
40
4. Los aisladores de alta tensión (138 kV o mayores) no deben ser izados por ambos
extremos para evitar los daños producidos por una excesiva flexión.
5. No deberá usarse un aislador instalado como punto de anclaje, soporte de
herramientas o cinturones de seguridad.
6. Al tensionar la línea, un aislador de retención, deberá estar sujeto mediante cuñas
que lo mantengan en posición horizontal mientras dura el proceso, para evitar
esfuerzos mecánicos indeseados.
7. Ningún cable, yugo o parte de morsetería deberán apoyarse sobre las campanas del
núcleo.
8. El montador es el responsable de controlar que el mismo no tenga daño externo
visible. Un aislador que muestre signos de deterioro debe ser inmediatamente
separado o identificado como tal. No instalar.
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
41
Capítulo 3 Distribución del Campo
Eléctrico en Aisladores
No-Cerámicos
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
42
3.1. Introducción
En condiciones secas, la distribución de campo eléctrico en aisladores de alta tensión está
determinada por la geometría y la capacitancia a lo largo del aislador. En el caso de los
aisladores cerámicos, formados por discos de gran capacitancia, la caída de potencial es
gradual a lo largo de la cadena. Lo anterior ayuda a reducir la intensidad del campo
eléctrico en la cercanía de los extremos de la cadena. Por otro lado, en el caso de aisladores
no-cerámicos, la baja permitividad del material y su geometría continua, permiten que la
tensión cambie rápidamente desde los extremos del aislador. Esta distribución de potencial
trae consigo que el campo eléctrico en la vecindad de los herrajes alcance valores
considerablemente altos con respecto a otras secciones del aislador. Es conocido que si el
campo eléctrico local llega a alcanzar valores por encima de 30 kV/cm, se generará una
descarga eléctrica parcial que paulatinamente irá dañando la superficie del material
polimérico [24]. En un trabajo reciente se ha considerando que incluso con valores de
campo eléctrico menores, el material polimérico puede ver acelerado su envejecimiento.
[25].
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
43
3.2. Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
Como se ha mencionado, los aisladores no-cerámicos presentan diversas ventajas en su
utilización, sin embargo también son susceptibles a fallas, las cuales se deben al
envejecimiento del material, lo que provoca la pérdida de sus propiedades.
En este tipo de aisladores, la exposición prolongada a la contaminación y las descargas
parciales, son las principales causas de envejecimiento.
En la presente sección, únicamente se hablará acerca del fenómeno de descargas parciales.
3.2.1. Descargas Parciales
Una descarga parcial es un fenómeno de ruptura eléctrica que está confinado y localizado
en la región de un medio aislante, entre dos conductores que se encuentran a diferente
potencial [26]. Se dice que es parcial, ya que existe un aislamiento solido en serie y con la
parte defectuosa que evita una ruptura completa del dieléctrico [27].
La aparición de la descarga puede ser la consecuencia de un aumento del campo eléctrico
en un determinado espacio, relativamente pequeño, comparado con las dimensiones del
medio aislante. El aumento del campo puede ser debido a cambios bruscos en la naturaleza
del aislante, que pueden ser provocados por burbujas en un medio sólido o por espacios de
gas entre las superficies de un aislante con un conductor o con otro aislante.
El proceso de descargas parciales es característicamente pulsante y se manifiesta como
unos pulsos de corriente en un circuito externo; este proceso está catalogado como
estocástico porque sus propiedades son descritas en función de variables aleatorias
dependientes del tiempo.
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
44
El tiempo transcurrido entre la aparición de las descargas parciales y la perforación del
dieléctrico varía entre unos cuantos minutos hasta varios años. La completa perforación del
aislante depende de la severidad de su solidificación y del material que lo constituye, pero
tarde o temprano se presenta [27].
Las descargas eléctricas en el caso de un aislador pueden ser provocadas por:
a) Distribución no uniforme del campo eléctrico a lo largo del aislador
b) Campo eléctrico local intenso en presencia de contaminante húmedo.
En cuanto respecta a la distribución no uniforme del campo eléctrico a lo largo del aislador,
la distribución del campo eléctrico es determinada por la geometría y la distribución
capacitiva a lo largo del aislador, mientras que en presencia de contaminante húmedo, el
reforzamiento del campo eléctrico depende de la formación de bandas secas bajo humedad
y contaminación.
Cuando la actividad de la D.P. se produce en aislantes poliméricos esta normalmente
asociada a la formación de „arborescencias‟ que lo degradan. Estas „arborescencias‟ están
compuestas por micro-canales con material o de material con baja densidad que puede ser
rápidamente vaporizado.
3.2.2. Efecto Corona Las descargas por efecto corona se producen en la proximidad de la superficie de los
materiales cuando la intensidad de campo eléctrico “E” posee un valor tal que supera la
rigidez dieléctrica del aire, por lo tanto, el efecto corona se define como sigue:
“Es la ionización del aire que rodea a los conductores de alta tensión. Este fenómeno tiene
lugar cuando el gradiente eléctrico supera la rigidez dieléctrica del aire y se manifiesta en
forma de pequeñas chispas o descargas a escasos centímetros de los cables”. [28]
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
45
Los mencionados efluvios eléctricos comienzan cuando un electrón libre es acelerado a
través de un gas por acción del campo eléctrico. Un electrón acelerado por el campo
eléctrico puede adquirir energía suficiente para provocar la aparición de nuevos electrones
libres, mediante su colisión con átomos del gas. Dicho proceso se llama ionización por
impacto de electrón.
También se produce la foto-ionización, en la cual un fotón proveniente de una fuente
distante impacta con un átomo, entregando una cantidad de energía tal que permite la
liberación de un electrón y la creación de un ion positivamente cargado. Los electrones así
liberados se desplazan a través del aire, siendo acelerados por acción del campo eléctrico, y
pueden colisionar con átomos de nitrógeno, oxígeno y otros gases presentes [28].
La mayoría de las colisiones son de tipo elásticas y los electrones pierden sólo una pequeña
parte de su energía cinética en cada una de esas colisiones. Ocasionalmente, un electrón
puede impactar a un átomo con la energía suficiente para excitarlo. Cuando esto sucede el
átomo adquiere un nivel de energía superior: uno o más de sus electrones pasan a un nivel
orbital superior, por lo que el electrón que lo impactó pierde parte de su energía cinética al
crear dicho estado. Más tarde, el conjunto de átomos excitados volverá a su estado normal,
irradiando este exceso de energía en forma de luz, calor y ruido audible. Esta liberación de
energía corresponde a la emisión de radiación electromagnética. Asimismo, un electrón
puede impactar con un ion positivamente cargado, neutralizándolo. Este proceso se
denomina recombinación y también produce liberación de energía o emisión de radiación.
Durante la mayor parte de su viaje el electrón no produce ionización, colisiona con los
átomos que están en su camino en forma elástica y pierde sólo una pequeña parte de su
energía cinética. El electrón puede sufrir otros dos procesos de pérdida de energía cinética:
difusión y captura.
El proceso de difusión se produce en forma permanente, los electrones se desplazan desde
zonas de mayor concentración hacia las zonas de menor concentración. Por otra parte,
cuando un átomo neutro captura a un electrón se crea un ion negativamente cargado y se
libera energía, se emite radiación. Este ion es una partícula relativamente inmóvil y
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
46
voluminosa, por lo que no ionizará el gas por colisión, salvo en casos de energía
sumamente elevada. El efecto corona es la emisión de radiación, la cual en el rango Ultra
Violeta posee longitudes de onda que van desde los 230nm hasta los 405nm (Figura 3-1)
[29].
Figura 3-1. Espectro de la radiación emitida por el efecto corona. [29]
La radiación emitida por el efecto corona, cuya longitud de onda se encuentra dentro del
rango de la radiación visible, tiene una intensidad mucho menor a la de la radiación que se
recibe del sol y, por lo tanto, resulta invisible al ojo humano durante el día.
Durante la operación y en un efecto combinado de humedad y contaminación superficial,
las líneas de campo se deforman. Esta acumulación de contaminación superficial
distorsiona el campo eléctrico creando superficies aleatorias. Si aumenta el campo
eléctrico, aumenta la energía de desplazamiento de los electrones hasta llegar a una
acumulación de energía capaz de producir efluvios, que no finalizan como descargas
completas debido a que la disminución del campo eléctrico, no uniforme, hace que la
partícula se desacelere y se extinga la descarga iniciada.
Estos efluvios van aumentando el deterioro superficial y el material va perdiendo sus
aglomerantes cuando los efluvios evolucionan en descargas, lo que provoca cambio del
color superficial del aislante, tendiendo en algunas ocasiones al blanco al comenzar a
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
47
aparecer el relleno de arena sílica, el que a su vez contribuye a la extensión de la zona de la
descarga. Si este efecto no es detectado a tiempo, comienzan a producirse pequeños
caminos carbonizados, los que pueden llegar al cabo de algunos meses a producir una falla
[29].
El comienzo de la descarga por elevado campo eléctrico puede producirse del lado de la
fase o del lado de tierra indistintamente, dependiendo fuertemente de la geometría de los
elementos metálicos involucrados y en consecuencia de su influencia en los perfiles de
campo. El efecto corona puede ocasionar la falla del aislador, por lo que es un factor
importante a considerar, desafortunadamente cuando este es perceptible, a simple vista (en
la oscuridad, por ejemplo) el aislador ya ha sufrido severos daños y habrá que sustituirlo
urgentemente [29].
Debido a que esta descarga no es fácilmente observada por el ojo humano (solo es
perceptible en la penumbra y con un nivel alto de tensión), es necesario contar con cámaras
que sean capaces de captar este efecto a plena luz del día, tal como se puede apreciar en las
siguientes fotografías, las cuales fueron capturadas empleando la cámara UVollé de la
empresa Ofil ltd, a un aislador de la marca Ohio-Bras de 115 kV, en el laboratorio de Alta
Tensión de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Zacatenco.
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
48
Figura 3-2. Aislador de 115 kV presentando
efecto corona en los faldones 1 y 2.
Figura 3-3. Aislador de 115 kV presentando
mayor efecto corona en el faldón 1.
Figura 3-4. Aislador de 115 kV presentando
efecto corona en el faldón 1 y en el
herraje principalmente.
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
49
3.3. Modelado de la Distribución del Campo Eléctrico a lo Largo
del Aislador
Debido a que los aisladores poliméricos presentan baja permitividad y una geometría
continua, permiten que la tensión rápidamente cambie desde los extremos del aislador, por
lo que la distribución de potencial es no uniforme y dicho campo eléctrico, se concentra en
la cercanía de los herrajes, donde alcanza valores considerablemente altos, en relación con
otras secciones del aislador (Figura 3.5). Si el campo eléctrico local llega a alcanzar valores
por arriba de 30 kV/cm, se generará una descarga eléctrica parcial, que irá dañando la
superficie del material polimérico.
Figura 3-5. Distribución de líneas equipotenciales en el
extremo energizado de un aislador.
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
50
3.3.1. Modelado del Campo Eléctrico en Materiales Atenuadores
Partiendo de la primera ecuación de Maxwell, la ley de Ampere, se tiene que:
Ecuación 3-1.
donde
Siendo JR la densidad de corriente eléctrica de conducción y
la densidad de corriente de
desplazamiento.
Aplicando la divergencia en ambos lados de la igualdad se tiene que:
ó
Y considerando que en este tipo de problemas la inducción magnética es despreciable, es
decir:
Ecuación 3-2.
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
51
Se tiene que
La ecuación anterior se puede reescribir como
Ecuación 3-3.
Para el dominio del tiempo o para el dominio de la frecuencia:
Ecuación 3-4.
Las ecuaciones (3-3) y (3-4) fueron resueltas mediante el método del elemento finito
utilizando COMSOL® 3.5. El problema fue resuelto como un problema cuasiestacionario
con geometría axial-simétrica. La geometría corresponde a un aislador de 115 kV con 28
faldones.
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
52
Figura 3-6. Campo eléctrico tangencial sin sistema de atenuación.
En la figura 3-6 se muestra la distribución del campo eléctrico en su componente
tangencial, típica en la superficie de un ANC sin algún sistema de atenuación del campo
eléctrico, dicha componente es de suma importancia, debido a que esta afecta a los
materiales dieléctricos. En la gráfica se puede observar que la concentración de campo
eléctrico es alta en los herrajes, particularmente en el herraje del lado línea (pico izquierdo
de la gráfica). Cuando la concentración de campo eléctrico es superior a los 22.2 kVrms/cm,
se presenta efecto corona
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
53
Figura 3-7. Potencial eléctrico sin sistema de atenuación.
En la figura 3-7 se grafica el potencial eléctrico a lo largo de la superficie del ANC sin
algún sistema de atenuación, donde se puede observar que la caída de potencial es muy
abrupta en el herraje del lado línea (pendiente izquierda de la gráfica), lo que representa una
alta concentración de líneas equipotenciales en dicha sección del material.
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
54
3.4. Anillos Equipotenciales (Anillo Corona)
Los anillos equipotenciales son electrodos que se conectan en la vecindad de los
extremos del aislador para reducir la intensidad del campo eléctrico. A continuación se
dan algunos criterios y recomendaciones para su aplicación.
Generalidades
Los aisladores de retención y de suspensión poliméricos para operación a partir de
220 kV deberán ser diseñados con dispositivos reguladores o repartidores del
gradiente de potencial, conectados a los extremos metálicos del aislador próximo al
conductor [30].
Los herrajes y anillos deben estar marcados mostrando la correcta ubicación y
orientación.
El número de anillos por aislador, su tamaño y su ubicación deberán ser
determinados por el fabricante para evitar el arqueo de banda seca en la proximidad
de los herrajes, y prevenir la formación de efecto corona en los herrajes. El
fabricante deberá adjuntar el sustento y justificación de uso de estos elementos [30].
Los anillos equipotenciales deben ser diseñados para poder efectuar su instalación
y/o remoción sin que se tenga la necesidad de desarmar alguna parte del aislador.
El diseño de los herrajes y los anillos equipotenciales de los aisladores será tal que
el anillo se pueda instalar solamente en la posición determinada por el fabricante,
sin posibilidad de instalación en otra posición [30].
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
55
3.5. Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
con Anillo Equipotencial
Los aisladores poliméricos presentan alta concentración de campo eléctrico en la cercanía
de los herrajes, por lo que anillos equipotenciales suelen ser utilizados para controlar su
magnitud. Dependiendo del diseño del aislador no-cerámico y de la forma en que será
instalado, los anillos equipotenciales normalmente se colocan en el lado energizado para
tensiones menores o iguales a 230 kV. Para tensiones mayores a 230 kV los anillos se
instalan tanto del lado energizado como del lado conectado a tierra
En esta sección, se hace referencia a este accesorio instalado en el herraje del aislador que
mejora la distribución del campo eléctrico. El anillo equipotencial tiene como principal
tarea la de evitar que el material polimérico se degrade, para lo cual es necesario reducir la
intensidad del campo eléctrico en la superficie del aislador. Esta alternativa del uso de
anillos equipotenciales en los extremos del aislador se puede observar en la Figura 3-8.
Figura 3-8. Aisladores poliméricos con anillo equipotencial en líneas de 115 kV. [31]
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
56
3.6. Modelado de la Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores
No-Cerámicos con Anillo Equipotencial
El uso de anillos equipotenciales, ha mostrado su efectividad para evitar la aparición de
descargas corona. Estos anillos modifican la distribución de la tensión cerca de los
extremos del aislador (Figura 3-9), reduciendo la intensidad del campo eléctrico en dicha
zona. Al evitar las descargas, se reducen los niveles de radio interferencia y se evita la
degradación del material polimérico.
Figura 3-9. Distribución de líneas equipotenciales en el extremo
energizado de un aislador con anillo equipotencial.
Dependiendo del diseño del aislador y de la forma en que será instalado, los anillos
equipotenciales normalmente se colocan:
1) En el lado energizado para tensiones menores o iguales a 230 kV.
2) Para tensiones mayores a 230 kV tanto del lado energizado, como del lado
conectado a tierra.
Cada vez, es más común ver anillos equipotenciales instalados en secciones de líneas de
115 kV, en las cuales se requiere evitar la presencia de descargas en la superficie del
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
57
aislador. Sin embargo, el uso del anillo puede no ser efectivo para ciertas aplicaciones
especiales, por ejemplo; donde un diseño estándar no ayuda a evitar descargas superficiales.
Además, el uso de anillos equipotenciales reduce la distancia de arco en seco, lo cual obliga
en algunos casos, a incrementar la longitud del aislador, situación que puede complicar la
sustitución directa de estos aisladores. La instalación en una posición incorrecta de los
anillos equipotenciales es también causa común de que éstos no desempeñen correctamente
su función.
Figura 3-10. Campo eléctrico tangencial con anillo equipotencial
como sistema de atenuación.
En la Figura 3-10 se muestra la distribución del campo eléctrico en su componente
tangencial, se puede ver que la concentración del campo eléctrico en el herraje lado línea
(lado izquierdo de la gráfica) disminuyo considerablemente, debido al uso del anillo
equipotencial.
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
58
Figura 3-11. Potencial eléctrico con anillo equipotencial
como sistema de atenuación.
En la Figura 3-11 se grafica el potencial eléctrico en la superficie del ANC con anillo
equipotencial, donde se observa que la razón de cambio del potencial en el herraje lado
línea (lado izquierdo de la gráfica), es menos abrupta respecto a la Figura 3-7 lo que
implica que al usar el anillo corona se tiene una distribución más uniforme de las líneas
equipotenciales a lo largo de la superficie del aislador.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
59
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de
Atenuación del Campo
Eléctrico en Aisladores
No-Cerámicos
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
60
4.1. Introducción
Debido a la problemática planteada en torno a la distribución del campo eléctrico en un
ANC, un diseño en el cual se tenga una mejor distribución a lo largo de su superficie, sin
necesidad de implementar accesorios extras, tales como los anillos equipotenciales, es una
alternativa necesaria. En esta sección se analiza el uso de materiales compuestos con como
una opción para atenuar el campo eléctrico en la superficie del aislador.
Con el fin de mejorar la distribución del campo eléctrico en la superficie del aislador y por
ende reducir los esfuerzos a los que el material de la misma se ve sujeto, en esta sección se
presenta la simulación del modelo, modificando la permitividad del material compuesto.
También se muestra como el modificar la geometría del primer faldón del aislador (lado
línea) ayuda a determinar el comportamiento de la distribución del campo eléctrico.
Para justificar la modificación de los dos parámetros antes mencionados, en este capítulo se
presenta teoría acerca de los materiales compuestos empleados en la fabricación de ANC‟s
y el fenómeno de refracción dieléctrica.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
61
4.2. Materiales Para la Atenuación del Campo Eléctrico
Como se mencionó en la sección 1.3 la atenuación del campo eléctrico con materiales
compuestos aun no es empleado en aisladores con cubiertas poliméricas, pero se ha
analizado modificar la permitividad del compósito con materiales ferroeléctricos, ya que
estos materiales presentan una alta permitividad, por lo que es posible que adicionando este
relleno se puedan obtener resultados prometedores.
Cabe recalcar que el relleno del compósito para mejorar la atenuación del campo eléctrico,
es empleado básicamente para modificar el parámetro de permitividad del material. Uno de
los materiales empleados para este fin, es el Titanato de Bario (BaTiO3), el cual es un óxido
de Bario y Titanio con una permitividad que puede llegar a 6000 para partículas del orden
de 1 μm de tamaño. Estudios han demostrado que incrementando la permitividad relativa
de un compuesto de hule silicón con BaTiO3 se puede reducir la intensidad del campo
eléctrico en la superficie del aislador.
4.2.1. Materiales de Conductividad Eléctrica No-lineal.
Otro material empleado para el control del campo eléctrico es el Oxido de Zinc (ZnO)
como varistor, el cual es un material poco soluble en agua, con una marcada dependencia
de su conductividad eléctrica respecto a la intensidad del campo eléctrico [9].
El Oxido de Zinc como varistor es ampliamente conocido y ha sido utilizado para
estabilizar la tensión y suprimir sobretensiones en sistemas eléctricos de potencia, como
ejemplo de su aplicación tenemos los apartarrayos.
Alternamente al ZnO como varistor se tiene el Carburo de Silicio (SiC), el cual es un
material semiconductor y refractario que presenta muchas ventajas para ser utilizado en
equipos expuestos a condiciones extremas de temperatura, tensión y frecuencia. En cuanto
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
62
a las condiciones de tensión ser refiere, este puede soportar un alto gradiente de tensión o
campo eléctrico sin que sobrevenga la ruptura
Estos dos materiales pueden ser empleados para obtener compuestos que permitan diseñar
un aislador que no requiera anillos equipotenciales, para atenuar su campo eléctrico.
Además, su aplicación puede mejorar el desempeño de los aisladores no-cerámicos bajo
condiciones de contaminación.
Estudios han mostrado que el uso de materiales conductores contribuye con una reducción
del campo eléctrico por debajo de los 30kV/cm en tensiones de 115 kV. Esta reducción se
debe al incremento de la conductividad en las zonas de mayor campo eléctrico. Ya que a
mayor conductividad, la caída de tensión a lo largo de estas zonas del aislador es menos
pronunciada, por lo que el campo eléctrico tangencial se ve reducido. Por otro lado este tipo
de materiales presentan una desventaja, generan calor resistivo debido al hecho de ser
materiales conductores hasta cierto punto, aspecto que se considera como pérdidas por
calor, que a su vez al estar presente por largos periodos, tiende a degradar el material del
aislador [31].
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
63
4.2.2. Materiales de Alta Permitividad Eléctrica
También conocida como constante dieléctrica (ε), la permitividad es una medida de la
facilidad de polarización de un material en un campo eléctrico (dipolos atómicos y
moleculares). Mientras mayor sea su valor, mayor será la cantidad de carga depositada
sobre las placas y en consecuencia, mayor la densidad de flujo para un área fija. Cuantifica
el efecto del medio sobre las fuerzas de atracción de dos placas cargadas con polaridad
diferente. La unidad de medida es el Farad/metro [F/m] [32].
Frecuentemente es expresada por su valor relativo con respecto a la del vacío, es decir:
0
r
Ecuación 4-1.
Donde:
εr: Permitividad relativa (Comparación de la permitividad del dieléctrico con la del aire).
ε: Permitividad del dieléctrico.
ε0: Permitividad del vacío (8.85X10-12
F/m).
En la tabla siguiente se muestra algunos valores de permitividad relativa para materiales de
estado sólido.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
64
Tabla 4-1. Valores de permitividad de materiales sólidos [33].
Material
Permitividad relativa (ε/ε0)
Oxido de Aluminio (corindón) Carbonato de Calcio (calcita) Fluoruro de cálcico (fluorita) Dióxido de silicio (cuarzo)
Cloruro sódico (sal) Dióxido de Titanio (rutilo)
13.27 8.5
7.36 4.34 6.12 86
- - - -
11.28 8.0
4.27
170
Vidrio Pirex Vidrio de silicio Vidrio de Vycor
4.0 3.81 3.8
- -
6.0
3.9
Acrílicos (plexiglás, lucita) Fluorosplásticos (teflón)
Nylon Policarbonatos (lexan, merlón)
Poliésteres (mylar) Polietilenos
Polipropilenos Poliestirenos (dylene, styron)
Polímeros de vinilo
3.5 2.1 3.7 3.1 3.6 1.6 2.2 2.4 3.2
- - - - - -
5.5
5.5
2.4 2.6 4.8 3.6
En la Tabla 4.1 [33] las permitividades están expresadas a temperatura ambiente de ciertos
minerales, vidrios y plásticos. Cuando se dan 2 valores para un sólido cristalino, el primero
se toma perpendicular al eje óptico y el segundo, paralelo al mismo.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
65
4.3. Modelado de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico con
Alta Permitividad Eléctrica.
Modificando el valor de la permitividad del material de relleno empleado en la superficie
del aislador, se puede observar que mejora la distribución de las líneas equipotenciales, para
valores bajos de permitividad, entre 3 y 20 (valores alcanzados actualmente en materiales
sin dopar) la mejoría es mínima, sin embargo, para valores altos es decir mayores a 20, las
líneas equipotenciales se distribuyen mucho mejor en la superficie.
Figura 4-1. Líneas equipotenciales en un
ANC, con un valor de permitividad de 3.
Figura 4-2. Líneas equipotenciales en un
ANC, con un valor de permitividad de 10.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
66
Desde la Figura 4.1 hasta la Figura 4.4 se puede ver cómo se van separando
progresivamente las líneas equipotenciales al aumentar los valores de permitividad de: 3,
10, 20 y 100. El valor de permitividad de 3 es del silicón puro, los valores de 10 y 20 son
alcanzados en laboratorio con materiales sin dopar, y el valor de permitividad de 100 es
solo ilustrativo, puesto que no se han alcanzado valores de permitividad tan altos y solo se
presenta a fin de mostrar que al incrementar el valor de permitividad, las líneas
equipotenciales o en si el campo eléctrico, se distribuye de manera más uniforme.
Si se compara la Figura 4.1 con la Figura 4.4, se observa que en la primera, las líneas
equipotenciales se concentran en el herraje y el primer faldón del aislador, en la segunda,
las líneas equipotenciales se distribuyen de mejor manera reduciendo considerablemente la
concentración del campo eléctrico, ya que se necesitarían valores de permitividad muy altos
para lograr este fin, o modificando otro parámetro, el cual será abordado más adelante
(sección 4.4).
La componente tangencial del campo eléctrico o campo eléctrico tangencial, es un factor
que afecta en mayor medida a los materiales aislantes, al reducir la concentración del
campo eléctrico en el herraje energizado del aislador, se reduce dicha componente.
Figura 4-3. Líneas equipotenciales en un
ANC, con un valor de permitividad de 20.
Figura 4-4. Líneas equipotenciales en un
ANC, con un valor de permitividad de 100.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
67
Figura 4-5. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador
con un valor de permitividad de 3.
Figura 4-6. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador
con un valor de permitividad de 10.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
68
Figura 4-7. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador
con un valor de permitividad de 20.
Figura 4-8. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador
con un valor de permitividad de 100.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
69
Como se puede observar, desde la Figura 4.5. el campo eléctrico tangencial es alto (lado
izquierdo de la gráfica), a medida que la permitividad aumenta (Figura 4.6 y 4.7), se puede
observar que para los valores de 10 y 20, el campo eléctrico tangencial en este punto no
disminuye sino que aumenta, sin embargo, para un valor idealizado de 100, ( figura 4.8) el
campo eléctrico en este punto disminuye drásticamente.
Si se aumenta la permitividad del material se observa que para valores bajos, el campo
eléctrico se concentra en la parte inferior del primer faldón, y para valores muy altos de
permitividad el campo eléctrico se distribuye de mejor manera, lo cual sirve entonces para
determinar, que el aumento en la permitividad a valores prácticos no es suficiente por si
solo para atenuar el campo en dicha región.
A continuación se muestra como cambia el potencial eléctrico a lo largo de la superficie del
aislador, las gráficas brindan una idea de la razón de cambio del potencial.
Figura 4-9. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de
permitividad de 3.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
70
Figura 4-11. Potencial eléctrico en un ANC con un valor
de permitividad de 10.
Figura 4-10. Potencial eléctrico en un ANC con un valor
de permitividad de 20
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
71
Se observa que de la Figura 4.9 a la Figura 4.12 el potencial eléctrico cambia menos
abruptamente, a medida que el valor de la permitividad aumenta, para un valor muy alto de
permitividad (100), la gráfica se suaviza, lo que indica que la razón de cambio del potencial
eléctrico es casi similar a lo largo de la superficie, con respecto a la gráfica de un valor de
permitividad de 3, donde los cambios son muy agudos en los extremos del aislador.
Figura 4-12. Potencial eléctrico en un ANC con un valor
de permitividad de 100.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
72
4.4. Distribución del campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
Aplicando el Principio de Refracción Dieléctrica
Cuando se tienen dos materiales dieléctricos con diferente permitividad, ambos a un ángulo
diferente a 90°, los ángulos de incidencia y refracción se encuentran relacionados de la
siguiente forma:
2
1
1
1
2
2
2
1
1
2
n2
t1
2
1 EE
tan
tan
n
n
n
n
n
t D
D
E
E
EE
Ecuación 4-2.
En la Figura 4-13 se muestran dos materiales dieléctricos con diferentes permitividades
situados entre dos electrodos planos paralelos, la interfaz no es perpendicular a la superficie
de los electrodos por lo que se puede observar una compresión de las líneas equipotenciales
en el punto P.
Figura 4-13. Materiales con diferente permitividad situados entre 2 electrodos
planos paralelos. [34]
Si el ángulo entre la interfaz y el electrodo es menor a 90°, la magnitud del campo eléctrico
tangencial en el punto P teóricamente tiende a ser infinita. La ley de la refracción
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
73
representada por la ecuación 4-2, puede ser utilizada para controlar el campo eléctrico, con
el fin de mejorar las capacidades de los materiales dieléctricos.
Cuando se tiene un arreglo de interfaz menor a 90°, la magnitud del campo eléctrico es
igual a la que se tendría con una interfaz totalmente perpendicular a los electrodos, sin
embargo al realizar este cambio, la componente tangencial del campo eléctrico, que es la
que más influye en el deterioro de los aislamientos, se ve considerablemente reducida.
Aumentando el valor de la permitividad del compósito de relleno del aislador, mejora la
distribución del campo eléctrico, las líneas equipotenciales se distribuyen de mejor manera,
la componente tangencial del campo eléctrico en la vecindad del herraje disminuye y el
potencial eléctrico decae más suavemente [34].
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
74
4.5. Modelado de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico con
Refracción Dieléctrica
Modificando la geometría del primer faldón, se obtienen mejores resultados en la
atenuación del campo eléctrico, lo cual se basa en el fenómeno de la refracción dieléctrica
principalmente, esta modificación aunada al aumento en la permitividad ayuda a atenuar el
campo eléctrico en el herraje energizado del aislador, con una modificación práctica y
viable.
Figura 4-14. Líneas equipotenciales en un ANC, modificando
la geometría del primer faldón y una permitividad de 3.
Como se observa en la Figura 4.14, con esta nueva geometría, las líneas equipotenciales se
encuentran más espaciadas en el herraje energizado, en comparación con la geometría
original (Figura 3.5), ambas para un valor de permitividad de 3, lo cual indica que con el
hecho de aplicar el principio de refracción dieléctrica se atenúa el campo eléctrico presente
en dicha zona.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
75
A continuación se presenta como se espacian las líneas equipotenciales cuando se eleva la
permitividad, empleando el cambio en la geometría del aislador.
Figura 4-15. Líneas equipotenciales en un
ANC, modificando la geometría del primer
faldón y una permitividad de 10.
Figura 4-16. Líneas equipotenciales en un
ANC, modificando la geometría del primer
faldón y una permitividad de 20.
Como se puede observar las líneas equipotenciales ya se encuentran más espaciadas con la
nueva geometría y con un valor de permitividad razonable Figura 4.15.
Al distribuirse mejor las líneas equipotenciales se distribuye mejor el campo eléctrico
tangencial, que se representa en las siguientes gráficas, para los diferentes valores de
permitividad empleados.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
76
Figura 4-17. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador
con un valor de permitividad de 3.
Figura 4-18. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador
con un valor de permitividad de 10.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
77
En las gráficas anteriores da la impresión de que el campo eléctrico tangencial en el herraje
energizado, no disminuye sino que por el contrario aumenta. Un análisis más detallado
muestra que el campo eléctrico tangencial si disminuye en este punto, por lo que en la
Figura 4.20 se muestra en una sola gráfica, el campo eléctrico tangencial para los valores de
permitividad de 3, 10 y 20, enfocándose en el punto donde se unen el compósito aislante, el
herraje energizado y el aire (también denominado punto triple).
Figura 4-19. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador
con un valor de permitividad de 20.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
78
En la Figura 4.20 se grafica el campo eléctrico tangencial en la vecindad del punto triple,
donde se puede ver que el valor del campo eléctrico tangencial si disminuye, al aumentar la
permitividad de material, ver Tabla 4.2.
Tabla 4-2. Valores de inicio del campo eléctrico tangencial para los diferentes
Valores de permitividad.
Valor de la permitividad Valor de inicio del Campo eléctrico tangencial [kV/cm]
3 2.46
10 0.59
20 0.26
Se puede concluir entonces, que al aumentar la permitividad, si disminuye el campo
eléctrico tangencial dentro de las cercanías del primer faldón y más específicamente en el
punto triple y a su vez, el campo eléctrico que fue atenuado en esta zona, es desplazado y
distribuido a lo largo de la superficie del aislador, es decir el campo eléctrico que es
disminuido en una zona aumentara en otras. Ahora se muestra la caída de potencial
eléctrico para los diferentes valores de permitividad del aislador con la modificación en la
geometría.
Figura 4-20. Campo eléctrico tangencial en la vecindad del
punto triple.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
79
Figura 4-21. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 3.
Figura 4-22. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 10.
Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos
80
En estas últimas tres gráficas se puede observar que la curva de potencial eléctrico se
suaviza al aumentar la permitividad del compósito o material de relleno del aislador, en la
Figura 4.23 obtenemos una curva aceptable, con un valor de permitividad alcanzable y con
una geometría viable.
Figura 4-23. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 20.
Capítulo 5 Justificación Económica
81
Capítulo 5 Justificación Económica
Capítulo 5 Justificación Económica
82
Debido a los materiales, los métodos de fabricación y la investigación requeridos para la
fabricación de un aislador polimérico, un análisis costo-beneficio mostraría que este
representa una buena inversión cuando se busca practicidad, funcionalidad, longevidad,
factibilidad y por supuesto confiabilidad en los sistemas eléctricos.
La instalación de aisladores en un sistema eléctrico genera un costo por concepto de
instalación, es una práctica común el empleo de grúas para sujetar una cadena de aisladores
cerámicos, lo cual se refleja en un alza en el costo. Por otro lado, un ANC al ser un solo
cuerpo mucho más liviano, es también mas practico en su instalación y sujeción, esto es
una característica muy importante cuando se busca minimizar costos, sobre todo en
sistemas eléctricos de muy alta tensión donde se requieren altos niveles de aislamiento.
En este caso particular se modeló un aislador polimérico de la marca OHIO BRASS
empleado en sistemas de transmisión en 115 kV, del cual se presenta a continuación la ficha
técnica que contiene sus especificaciones técnicas, el importe que se tiene que pagar por
una pieza con dichas características es de $ 750.00 la compra se encuentra sujeta a un cierto
número de piezas como mínimo, el precio no incluye los gastos de envío y la fecha de
cotización corresponde a octubre del 2009).
Capítulo 5 Justificación Económica
83
Figura 5-1. Hoja de características técnicas de aisladores marca Ohio-Brass. [35]
Nota: La fila sombreada corresponde a las características del aislador polimérico con el que
cuenta el laboratorio de Alta Tensión, de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica unidad Zacatenco, el cual fue empleado en este trabajo.
Capítulo 5 Justificación Económica
84
Para la ejecución de un proyecto, es necesario contabilizar el monto al que ascienden los
recursos que se emplean en el, los recursos necesarios para este proyecto los clasificamos
en:
Recursos Materiales.
Recursos Humanos.
Con la clasificación anterior se puede estimar el presupuesto requerido para desarrollar
este proyecto, el cual se desglosa a continuación:
Tabla 5-1. Presupuesto requerido para la realización del proyecto.
Recurso
Número Unidades /colaboradores
Costo Unitario
Costo Total
Equipo de cómputo
Computadora
Impresora
Programas Computacionales
Comsol 3.5
Origin pro 8
Microsoft Office Profesional 2007
2
2
2
2
2
$ 15,499.00
$ 679.00
$138,500.00*
$ 34,625.00*
$ 6,605.00
$ 30,998.00
$ 1,358.00
$277,000.00
$ 69,250.00
$ 13,240.00
Mobiliario
2
$ 1,799.00
$ 3,598.00
Consumibles
2
$ 5,445.00
$ 10,890.00
Gastos Operación
Servicios
Sueldos y Salarios
Doctor en Ciencias en Ingeniería
Eléctrica, Investigador Nivel I
Ingeniero Electricista
2
1
2
$ 12,545.00
Costo por hora
$ 1,000.00
$ 200.00
$ 25,090.00
$ 96,000.00
$128,000.00
Gran Total
$655,424.00
Capítulo 5 Justificación Económica
85
Notas:
1) Las cifras con *
representan que el monto fue convertido de dólares americanos a
pesos mexicanos, considerando el tipo de cambio a $13.85 correspondiente al día 13
de Octubre del 2009.
2) Lo anterior es referido a que el costo de los paquetes computacionales, Comsol 3.5
y Origin Pro 8 es de $10,000 y de $ 2,500.00 dólares americanos respectivamente.
3) El doctor laboró un total de 96 horas durante el periodo de Marzo a Noviembre del
año 2009, mientras que los ingenieros laboraron 640 horas en el mismo periodo.
Capítulo 6 Conclusiones y Recomendaciones Para Trabajos Futuros
86
Capítulo 6 Conclusiones y
Recomendaciones Para
Trabajos Futuros
Capítulo 6 Conclusiones y Recomendaciones Para Trabajos Futuros
87
6.1. Conclusiones
Los aisladores no cerámicos son una alternativa que presenta diversas ventajas con respecto
a los aisladores cerámicos, como lo son: su bajo peso, fácil instalación, y su buen
comportamiento en ambientes contaminados, entre otros. Por otra parte representan un
desafío para la ingeniería debido a su naturaleza, es decir presentan una alta concentración
del campo eléctrico en ciertas zonas, por lo que es necesario desarrollar sistemas de
atenuación del campo eléctrico. Además tiene el problema de que los materiales envejecen,
perdiendo sus propiedades originales.
En este trabajo se modelaron diferentes casos de distribución de campo eléctrico en
aisladores no cerámicos (en lo subsecuente se menciona solo como “aislador”). Primero se
modelo la distribución del campo eléctrico en la superficie del aislador sin algún medio de
atenuación. Se muestra la alta concentración del campo eléctrico en ambos herrajes, pero
presentándose una concentración mucho mayor en el herraje del lado línea, donde el campo
eléctrico decae muy rápido y alcanza valores superiores al valor de incepción por corona
(30 kVpico/cm). Por lo anterior seguramente se presentaran descargas superficiales, lo que
provocara una acelerada degradación del material, debido al esfuerzo al que se ve sometido.
Empleando anillo equipotencial como sistema de atenuación en el herraje energizado, se
encontró que la concentración del campo eléctrico es menor respecto al caso anterior,
teniéndose en esta zona un valor del campo eléctrico tangencial por debajo del valor de
incepción por corona. Con el anillo equipotencial el potencial eléctrico decae suavemente a
lo largo de la superficie. Sin embargo la instalación de anillo equipotencial trae consigo
algunas desventajas como reducción de la distancia de arco en seco, la probabilidad de una
incorrecta instalación y peso extra.
Otra de las posibilidades para mejorar la distribución del campo eléctrico, se encuentra en
el modelado del aislador variando dos parámetros: la permitividad del compósito y la
geometría del primer faldón.
Capítulo 6 Conclusiones y Recomendaciones Para Trabajos Futuros
88
Se eligió trabajar con materiales de alta permitividad en lugar de materiales con
propiedades de varistor, debido a que estos últimos presentan perdidas por efecto joule, las
cuales se traducen en calor en diversas zonas de la superficie del material, lo que produce
paulatinamente su degradación.
Para valores muy altos de permitividad (cercanos a 100), la distribución del campo eléctrico
mejora idealmente, sin embargo los valores de permitividad más altos registrados son
cercanos a 20, por lo que se recurrió a aplicar el principio de refracción dieléctrica para
modificar la geometría del aislador.
Entonces, con un valor de permitividad no muy alto pero práctico y con una geometría del
primer faldón diferente, se obtuvo una concentración de campo eléctrico en el herraje
energizado por debajo del valor de incepción por corona.
Con los datos obtenidos se determina que con un valor de permitividad alcanzable y una
geometría adecuada se puede disminuir la componente tangencial del campo eléctrico en el
extremo energizado. El diseño de un aislador de este tipo es viable además de que conserva
sus ventajas fundamentales.
Capítulo 6 Conclusiones y Recomendaciones Para Trabajos Futuros
89
6.2. Recomendaciones Para Trabajos Futuros
Debido a que los aisladores poliméricos se encuentran remplazando progresivamente a los
antiguos aisladores cerámicos, será necesario seguir mejorando sus características. Algunas
recomendaciones para trabajos futuros son:
Se recomienda que se analicen otras geometrías para los faldones cercanos al herraje
energizado, además de considerar el desarrollo de materiales con alta permitividad que
permitan mejorar su desempeño.
Trabajar en la obtención de materiales con mayor permitividad sin incrementar su
conductividad eléctrica en base al dopaje del BaTiO3.
Referencias
90
Referencias
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