BOLETÍN IIE
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Aisladores no cerámicos para líneas de transmisión.
Parte I: experiencias de una tecnología prometedora
Resumen
Los aisladores no cerámicos poseen características especiales que los hacen atractivos para resolver problemas detectados en los aisladores de vidrio o porcelana, principalmente en zonas de alta contaminación y vandalismo. En esta primera parte se presenta un panorama de la experiencia operativa con aisladores no cerámicos para líneas de transmisión en diferentes partes del mundo hasta principios de la década de los noventa. La tendencia en su uso se ha incrementado notablemente en nuevos proyectos de transmisión, principalmente en los Estados Unidos, pero la experiencia operativa muestra que la selección de dichos aisladores requiere de un análisis cuidadoso y de un seguimiento de su comportamiento en campo que permita establecer las ventajas o desventajas técnico-económicas de su aplicación a largo plazo.
Antecedentes
La necesidad de transmitir grandes bloques de energía por largas distancias trajo como consecuencia la concepción de sistemas de transmisión en extra y ultra alto voltaje (EHV, UHV) a finales de los años cincuenta. Estos desarrollos impusieron un reto para los aislamientos cerámicos utilizados convencionalmente, requiriéndose aisladores de menor peso y mejores características eléctricas y mecánicas. Aunque el interés en la transmisión a voltajes superiores a 1 000 kV disminuyó gradualmente, el interés en tener un aislador más ligero se incrementó, dando lugar a que en 1959 se introdujera en Estados Unidos el primer aislador no cerámico. Sin embargo, estos aisladores, principalmente fabricados con resina epóxica, registraron degradación prematura (fallas por tracking y erosión) a pesar de sus ventajas prometedoras. Algunos años después, fabricantes europeos introdujeron al mercado lo que se conoce como la primer generación de aisladores no cerámicos.
Durante un periodo de unos 15 años, un gran número de compañías eléctricas empezó a utilizar estos aisladores como prueba, principalmente para ganar experiencia. La mayoría de las instalaciones se realizaron en secciones cortas de línea y en algunas zonas problemáticas. Las primeras experiencias fueron desalentadoras y como consecuencia de las fallas reportadas por las compañías usuarias, algunos fabricantes detuvieron la fabricación de aisladores no cerámicos para líneas de transmisión y sólo produjeron para distribución. Otros detuvieron su producción por completo, aunque algunos introdujeron mejoras en la tecnología de materiales y diseños para ofrecer la segunda e incluso la tercera generación de aisladores no cerámicos. [Schneider, H.M. et al., 1989].
Introducción
La primera generación de aisladores no cerámicos para líneas de transmisión ofreció ventajas significativas y generó un interés considerable entre las compañías usuarias. Las ventajas específicas, en comparación con los aisladores cerámicos convencionales, eran:
Peso ligero. Menores costos de construcción y transportación.
Resistencia al vandalismo. Menor daño por disparos de armas
de fuego.
Alta relación resistencia-peso. Diseños de nuevas torres
con mayores claros.
Mejor comportamiento en contaminación.
Mejora en la estética de la línea de transmisión.
Estas ventajas son especialmente atractivas para extra altos voltajes de líneas de transmisión. Particularmente, si una línea pasa a través de áreas de difícil acceso donde se requiere de helicópteros para su construcción, el uso de aisladores no cerámicos puede ofrecer ahorros considerables.
Un gran número de compañías usuarias inició la experimentación con la primer generación de estos aisladores. La experiencia inicial fue desalentadora. Algunos problemas típicos reportados por las compañías usuarias después de unos cuantos años de operación fueron:
Tracking y erosión del material de los faldones, lo cual lleva
al flameo.
Agisamiento y agrietamiento de la superficie aislante, lo cual resulta
en un incremento en la captación de contaminantes, arqueo y flameo.
Reducción de la resistencia al flameo por contaminación,
con el subsecuente incremento en flameos causados por la contaminación.
Disminución de la resistencia mecánica.
Pérdida de herrajes.
Fallas en las uniones y rompimientos a lo largo de la interfaz núcleo-faldón.
Penetración de humedad seguido por falla eléctrica.
Las mejoras introducidas permitieron a la segunda generación de aisladores no cerámicos tener faldones libres de tracking, mejor resistencia al efecto corona y herrajes libres de deslizamientos. Asimismo, el mejor entendimiento de los mecanismos de falla y de la dependencia de la resistencia mecánica con el tiempo, además del incremento en la calidad de los procesos de producción, ha resultado en nuevos diseños de aisladores, con un tiempo de vida útil estimado de veinte a treinta años.
Los resultados de algunas encuestas internacionales efectuadas en esta década muestran que existe un interés particular por el uso de aisladores no cerámicos, principalmente en zonas de alta contaminación y vandalismo, donde los aisladores cerámicos han presentado problemas de operación. Las tecnologías actuales son más estables, con lo cual los fabricantes pueden ofrecer diferentes diseños y materiales para variadas aplicaciones. Sin embargo, la aplicación de estos aisladores requiere de una adecuada selección del material, así como de un dimensionamiento acorde con los requerimientos operativos donde serán instalados.
Diseño de un aislador no cerámico
Puede decirse que el aislador cerámico tipo long rod es el antecesor conceptual de los aisladores no cerámicos, además de que tiene otras ventajas: peso ligero y bajo mantenimiento. Para lograr estos requerimientos fue necesario encontrar o desarrollar materiales adecuados. A diferencia de los aisladores convencionales, los aisladores no cerámicos se componen de diferentes materiales aislantes con propiedades optimadas para cumplir con la función básica del aislador: resistencia mecánica y aislamiento eléctrico (incluso bajo condiciones severas de contaminación) [Kindersberger, J., 1991].
La figura
1 muestra los componentes básicos de un aislador no cerámico:
un núcleo, faldones y herrajes acoplados a ambos extremos. Los herrajes
se sujetan al núcleo en diferentes formas para lograr la resistencia
mecánica requerida.
El núcleo está formado por fibras de vidrio alineadas axialmente y unidas por medio de una resina orgánica. Sin protección, el núcleo por si solo no es adecuado para la aplicación a la intemperie en alto voltaje, ya que la contaminación, la humedad y el voltaje conducen al desarrollo de tracking, lo cual resulta en una falla eléctrica. Por lo tanto, el núcleo requiere de una cubierta y faldones hechos de algún material no cerámico elaborado para usos eléctricos, los cuales se aplican de diferentes maneras para protegerlo y proporcionar el máximo aislamiento eléctrico entre las terminales.
Esto resulta en una gran diversidad de construcciones posibles, por lo que el comportamiento de los aisladores no cerámicos dependerá de la selección de los materiales, del diseño y de la construcción del aislador.
Revisión de la experiencia operativa en el mundo
Durante los últimos diez años se han llevado a cabo varias encuestas mundiales sobre la aplicación y el comportamiento de los aisladores no cerámicos para líneas de transmisión [Black & Veatch International, 1995; Schneider, H.M. et al., 1989; Karaday, G. et al., 1990; Subworking Group, 1990; Edgar, J.N. et al., 1992]. Actualmente, el grupo de trabajo WG22.03 de la Conferencia Internacional de Grandes Redes Eléctricas (CIGRE) está realizando una nueva encuesta, actualizando la información presentada anteriormente.
De acuerdo con los resultados presentados por el Electric Power Research Institute (EPRI) en 1989 [Schneider, H.M. et al., 1989], el porcentaje de aisladores de suspensión para los diferentes niveles de tensión se muestra en la figura 2. Asimismo, en el cuadro 1 se presentan las razones por las cuales las compañías usuarias seleccionan los aisladores no cerámicos.
CUADRO 1
Razones para seleccionar aisladores no cerámicos.
| Razón | Primera encuesta (%) | Segunda encuesta (%) |
| Áreas de alto vandalismo | 26.0 | 21.86 |
| Para ganar experiencia | 22.8 | 22.33 |
| Peso más ligero | 14.6 | 18.14 |
| Mejora en impacto de cargas | 8.2 | 7.91 |
| Costo efectivo | 7.3 | 11.63 |
| Comportamiento en contaminación | 5.8 | 4.65 |
| Reducción de ruido | 6.3 | 5.12 |
| Menor mantenimiento | 8.4 | 3.72 |
| Otras | 1.5 | 4.65 |
La experiencia operacional indica que los aisladores no cerámicos, particularmente con hule de silicón, se comportan mejor que los aisladores cerámicos en áreas de polución. Sin embargo, la contaminación genera descargas superficiales que pueden destruirlo. Este fenómeno se ha observado con más frecuencia en aisladores de EPDM (ethylene prophylene diene monomer), los cuales pierden su propiedad hidrofóbica después de unos cuantos años de operación. En la figura 3 se muestra la distribución del uso de aisladores en diferentes niveles de contaminación. Se observa que el uso en áreas de alta contaminación es muy bajo.
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El análisis de las fallas de aisladores muestra que el índice de fallas es de aproximadamente 0.1%, lo cual es casi equivalente al índice esperado para los aisladores cerámicos. Las causas de fallas reportadas se presentan en el cuadro 2. Puede observarse que el deterioro (erosión, agisamiento, etcétera) ha sido la principal causa de problemas.
CUADRO 2
Distribución de causas de falla.
| Causas de falla | Primera encuesta (%) | Segunda encuesta (%) |
| Mecánica | 17.25 | 29.59 |
| Eléctrica | 18.53 | 20.41 |
| Deterioro | 63.50 | 43.88 |
| Otras | 0.64 | 6.12 |
Finalmente, la encuesta muestra que el mantenimiento de los aisladores no cerámicos es similar al de los cerámicos. La mayoría de las compañías usuarias lleva a cabo inspecciones visuales (casi siempre aéreas) una vez al año y en ocasiones cada cinco años. Un resultado interesante de estas encuestas muestra que 71.5% de los usuarios está muy satisfecho con el comportamiento de los aisladores no cerámicos, 17.3% lo calificó como aceptable y sólo 2.7%, como de pobre comportamiento.
Por su parte, la encuesta desarrollada por CIGRE [Subworking Group, 1990], la cual incluye lo reportado por el EPRI y por la Canadian Electrical Association (CEA) [Edgar, J.N. et al., 1992] comprende un mayor número de países encuestados. De acuerdo con esta encuesta, el cuadro 3 muestra el número de aisladores no cerámicos usados. Asimismo, el cuadro 4 resume el número de aisladores fallados reportados por las compañías usuarias.
CUADRO 3
Número de aisladores instalados
| Tipo de aislador | Australia | Canadá | Europa | América Latina | Sudáfrica | EU | Total |
| Suspensión | 3 986 | 617 | 9 671 | 3 272 | 5 100 | 52 | 82 028 |
| Tensión | 1 433 | 1 178 | 3 718 | 600 | 3 000 | 380 | 19 105 |
| Poste-línea | 1 514 | 047 | 56 | 0 | 400 | 32 112 | 36 129 |
CUADRO 4
Número de aisladores fallados.
| Tipo de falla | Tipo de aislador | ||
| Tensión | Poste-línea | ||
| Faldones | 482 | 196 | 26 |
| Interfase faldón-núcleo | 203 | 55 | 3 |
| Núcleo de fibra de vidrio | 13 | 31 | 0 |
| Interfase herraje-núcleo | 2 | 1 | 0 |
| Herraje | 10 | 0 | 0 |
En 1993, la compañía Israel Electric Corp. [Kaldanov, E.G. et al., 1996] llevó a cabo una encuesta para identificar el uso de aisladores no cerámicos de hule silicón como base para instalar preferentemente este tipo de aisladores en sus líneas. Se encuestaron 16 compañías usuarias de diferentes partes del mundo. El cuadro5 presenta los resultados obtenidos.
De acuerdo con bibliografía reciente, el número de aisladores no cerámicos se ha incrementado desde la publicación de estas encuestas. Diferentes compañías usuarias, principalmente en los Estados Unidos, están utilizando estos aisladores en líneas largas para aplicación inicial en corriente alterna y posteriormente para operar en corriente directa. Como ejemplo de lo anterior se pueden mencionar la línea Mead-Adelanto con una longitud de 325 km (202 millas) y 6 900 aisladores, y la línea Mead-Phoenix con una longitud de 412 km (256 millas) y cerca de 7 000 aisladores, ambos operando inicialmente en 500 kV AC y posteriormente en ±500 kV DC. Todos los aisladores seleccionados son de hule silicón con valores de resistencia mecánica (SML) que van desde 177 kN (40 000 libras) a los 350 kN (80 000 libras) [Insulator News and Market Report, 1994].
Experiencia operativa en México
A finales de los años setenta, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) instaló un gran número de aisladores no cerámicos de EPDM de la primera generación en una de las principales líneas de transmisión de 400 kV en el país (Chicoasén-Juile). Deficiencias en el diseño, en conjunto con las condiciones ambientales, causaron que, en poco tiempo, estos aisladores presentaran fallas mecánicas que ocasionaron caídas de conductor. Esta situación llevó a la CFE a retirar del servicio todos los aisladores no cerámicos instalados en esta línea, provocando que se suspendiera la utilización de aisladores no cerámicos en otras líneas del país, aunque en líneas de 115 kV resultaron atractivos para resolver problemas locales de vandalismo.
El temor a generalizar su uso y, por ende, a incrementar el riesgo de falla de las líneas causó que por más de 15 años la aplicación de los aisladores no cerámicos quedara fuera del mercado nacional de las líneas de transmisión, a pesar de las mejoras efectuadas por los fabricantes en diseños y tecnología de materiales (en tensiones de distribución su utilización se incrementó considerablemente).
Si bien la experiencia operativa mundial con el uso de aisladores cerámicos (porcelana y vidrio) ha sido muy buena por más de cien años, estos aisladores también presentan fallas, principalmente cuando operan en zonas de alta contaminación, alta humedad o vandalismo. Para contrarrestar esta deficiencia, la CFE destina una gran cantidad de recursos económicos y humanos para su mantenimiento.
Tomando en cuenta estas limitaciones y considerando los avances tecnológicos de los aisladores no cerámicos, se desarrolló un proyecto conjunto entre el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) y la CFE encaminado a resolver la problemática presentada en una línea de transmisión localizada en Lázaro Cárdenas, Michoacán. Esta línea opera en 230 kV y contaba con cadenas de 14 unidades de aisladores de porcelana tipo niebla y un aislador estándar. Parte de la línea está sometida a los efectos de la contaminación proveniente de la zona industrial de Sicartsa y Fertimex, y se encuentra de 50 a 100 metros de la costa. Esta condición hacía necesario el mantenimiento del aislamiento por lavado con chorro de agua desmineralizada dos veces al mes durante el tiempo de secas (nueve meses).
En 1995 se realizó la sustitución del aislamiento cerámico de 22 de las 70 estructuras más expuestas a la contaminación, instalándose aislamiento no cerámico de hule silicón. Se desarrolló un programa para el seguimiento de estos aisladores mediante inspecciones visuales frecuentes, pruebas de contaminación en laboratorio y la instalación de dos sistemas de monitoreo de corriente de fuga en puntos donde la acumulación de contaminante era más severa [Fierro Chávez, J.L. et al., 1998].
A tres años de su instalación, el comportamiento de los aisladores ha sido satisfactorio, logrando eliminar los costos por lavado del aislamiento en la mayor parte de la línea, quedando restringido el mantenimiento a sólo tres de las 22 estructuras (un lavado anual). Las actividades de lavado continúan en las demás líneas del área que tienen aislamiento cerámico.
Las inspecciones efectuadas permitieron detectar
dos aisladores con signos de deterioro (erosión, tracking y perforación
de faldones), sin causar salida de la línea se retiraron del servicio.
Estos aisladores estaban instalados en una parte de la línea identificada
como la más severa en cuanto a la acumulación de contaminantes
y humedad, lo cual provocó el proceso de degradación mostrado
en la foto 1.
Las evaluaciones efectuadas en laboratorio muestran resultados satisfactorios en cuanto a su comportamiento, ya que los voltajes de flameo obtenidos se encuentran muy por encima del voltaje nominal de la línea, como se muestra en el cuadro 6 para los aisladores nuevos y en el cuadro 7 para aisladores que se han evaluado anualmente. Lo anterior confirma un mejor comportamiento de estos aisladores en relación con los cerámicos [Fierro Chávez, J.L. et al., 1998].
Basados en los buenos resultados obtenidos en esta línea, en 1998 se instalaron 15 aisladores no cerámicos de hule silicón de diferentes marcas en una línea de transmisión de 400 kV (Altamira-Poza Rica II). La instalación se efectuó en estructuras que se encuentran frente a las torres de enfriamiento de la central termoeléctrica Altamira, lo cual provoca una alta contaminación por los residuos emitidos por la central y un proceso de humectación que se deposita en los aisladores de estas estructuras. Tal condición hace necesario efectuar mantenimiento por lavado con chorro de agua desmineralizada en el aislamiento convencional de porcelana. La instalación de los aisladores no cerámicos ha permitido eliminar las actividades de mantenimiento en estas estructuras, con lo que se incrementa la confiabilidad de la línea.
CUADRO 6.
Voltajes de flameo bajo condiciones de niebla salina (nuevos).
Salinidad kg/m3
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Voltaje de flameo kV
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kV/m de long. axial
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kV/m de dist. de fuga
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CUADRO 7.
Voltajes de flameo bajo diferentes condiciones (envejecidos).
Voltaje de flameo ante diferentes condiciones de prueba (kV)
| Año | Contaminante natural + niebla salina 112 kg/m3 | Contaminante natural + niebla limpia | Contaminante natural + niebla salina 14 kg/m3 |
| 1996 | 164.5 | 300 a 400 | - |
| 1997 | - | 162 | - |
| 1998 | - | 320 a 500 | 227 a 240 |
Actualmente la CFE ha estado adquiriendo más aisladores para líneas de transmisión, aunque en volúmenes reducidos, para instalarlos en líneas con problemas específicos de vandalismo y en algunas zonas con contaminación.
Conclusiones
La necesidad de contar con aisladores de mejores características eléctricas y mecánicas para líneas de EHV y UHV trajo como consecuencia el desarrollo de los aisladores no cerámicos. De acuerdo con los resultados de las encuestas realizadas, la mayor aplicación de los aisladores no cerámicos se ubica en tensiones menores de 300 kV.
La revisión de la experiencia operativa muestra que algunos aisladores no cerámicos de la primera generación no alcanzaron el tiempo de vida esperado, por lo que muchos usuarios aún están preocupados por el comportamiento de dichos materiales.
A pesar de lo anterior, la utilización de los aisladores no cerámicos continúa incrementándose, principalmente en los Estados Unidos. Experiencias más recientes indican un mejor comportamiento de los aisladores de silicón sobre los aisladores de EPDM para aplicación en ambientes contaminados. En ambientes limpios, los aisladores de EPR (ethylene prophylene rubber) o EPDM han tenido un buen comportamiento, aunque existen también algunas buenas experiencias en ambientes contaminados.
Además de las ventajas significativas que presentan los aisladores no cerámicos sobre los cerámicos (peso ligero, mejor comportamiento en contaminación, facilidad de manejo y almacenaje, mejores geometrías, y tiempos de fabricación y entrega más cortos), fabricantes y usuarios consideran que la segunda y tercera generación de estos aisladores tendrá una vida útil estimada de veinte a treinta años.
Referencias
Black and Veatch International, World Bank composite insulator study, 1995.
Edgar, J.N. y Cherney, Canadian utility operating experience with polymer insulators on transmission lines, prepared by CEA, reporte CEA núm. ST-276, 1992.
Fierro-Chávez, J.L., I. Ramírez, J. Estrada y J. Encinas, "Aplicación de aisladores no cerámicos en líneas de transmisión. Parte II: experiencia en campo, en IEEE RVP-97-AIS-11, Acapulco, México, 1997.
Fierro-Chávez, J.L., I. Ramírez y J.C. Corona, "Evaluación en campo y laboratorio de aislamiento sintético para líneas de transmisión", en IEEE RVP-98-AIS-07, Acapulco, México, 1998.
Insulator News & Market Report, vol. 2, numbers 3 & 4, mayo/junio y julio/agosto de 1994.
Kaldanov, F.G., R.H. Munteanu y A. Yeger, "Silicone insulator use on the rise worldwide", en Transmission and Distribution World, mayo de 1996.
Karady, G., Muralidhar y Hall, Evaluation of the second EPRI transmission line polymer insulator survey, abril de 1990.
Kindersberger, J., Design and performance of porcelain and composite longord insulators, prepared by Hoechst CeramTec A.C. agosto de 1991.
Schneider, H.M., J.F. Hall, G. Karady y J. Rendowden, "Non-ceramic insulators for transmission lines", en IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 4, núm. 4, octubre de 1989.
Subworking Group 03.01 of Study Committee 22, "Worldwide service experience with HV composite insulators", en ELECTRA-CIGRE, núm. 130, mayo de 1990.
JOSÉ LUIS FIERRO CHÁVEZ
Ingeniero industrial electricista egresado del Instituto
Tecnológico de Chihuahua (1979), con maestría en ingeniería
eléctrica del Instituto Tecnológico de La Laguna (1980) y
doctorado en ingeniería eléctrica en la Universidad de Salford,
Inglaterra (1992). En 1981 ingresó al IIE. Actualmente es investigador
de la Gerencia de Transmisión y Distribución. Se especializa
en el desarrollo, diseño y evaluación en campo y en laboratorio
de aislamientos para alta tensión, así como en la aplicación
de técnicas de prueba de alta tensión en laboratorio. Desde
1993 colabora con el Grupo de Especialistas de Aisladores de la CFE y coordina
el Comité de Aisladores de la IEEE Sección México.
Es miembro del Working Group 33.13 de CIGRE. Ha publicado numerosos trabajos
sobre el tema de aisladores tanto en México como en el extranjero.