BOLETÍN IIE
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Aisladores no cerámicos para líneas
de transmisión.
Parte II: aplicación que requiere de una selección
cuidadosa
Parte II: aplicación que requiere de una selección cuidadosa
Resumen
En esta segunda parte se mencionan los posibles mecanismos de degradación que pueden presentarse en los aisladores no cerámicos a fin de identificarlos durante las inspecciones que se realicen en campo a lo largo de su vida útil. Se exponen algunas técnicas de evaluación de envejecimiento acelerado, así como aspectos importantes que deben considerarse para la selección del aislamiento en el caso de una aplicación particular.
Introducción
Las propiedades eléctricas y el comportamiento de los
aisladores no cerámicos dependen principalmente de sus
propiedades superficiales (como la hidrofobicidad) y de los cambios
de estas propiedades debidos a la exposición a la intemperie
(envejecimiento). Asimismo, dicho comportamiento depende también
de un diseño adecuado al reducir el número de interfaces
donde se pueden presentar arqueos y donde puede ocurrir una degradación
acelerada del material.
El proceso de selección de un aislador no cerámico
para una aplicación particular debe incluir un análisis
de los materiales disponibles, de la experiencia operativa, del
dimensionamiento de su longitud y distancia de fuga, de los resultados
de pruebas de envejecimiento acelerado y de las condiciones bajo
las cuales va a operar.
Los aisladores no cerámicos están sujetos a diferentes
condiciones ambientales y de contaminación, por lo que
el material de los faldones y de la cubierta debe ser capaz de
soportar los efectos de las descargas superficiales (erosión
o tracking) y diversos mecanismos de falla que pueden presentarse
en campo.
Mecanismos de degradación asociados con la exposición
a la intemperie
Los aisladores no cerámicos pueden envejecerse y presentar
cambios debido a los múltiples esfuerzos encontrados en
servicio, ya que tienen uniones más débiles que
los materiales cerámicos [Mackevich, J. et al., 1997].
El envejecimiento y la vida esperada de los aisladores no cerámicos
dependen de varios factores, muchos de los cuales están
asociados con la exposición a la intemperie, mientras
que otros están relacionados con las condiciones de operación.
Aunque el exponerse a los elementos naturales ha demostrado que
envejece los materiales, existe una gran experiencia que sugiere
que la vida del aislador está más relacionada con
diseños de pobre desempeño y un mal control de
calidad durante el proceso de fabricación.
El envejecimiento se refiere al proceso que causa la falla del
aislador para poder cumplir con su función. Dependiendo
de los materiales utilizados en los aisladores, de su diseño
y de las condiciones ambientales, se pueden generar diferentes
mecanismos de degradación que pueden provocar la falla
del aislador. Algunos de estos mecanismos son:
Diversas formas de falla mecánica
de la barra de fibra de vidrio (brittle fracture).
Formación de caminos conductores
sobre la superficie del material aislante (tracking).
Aparición de partículas
del relleno en la superficie aislante (chalking).
Cambios en el color base del
material aislante (colour changes).
Rompimiento del material no cerámico
como resultado de la exposición a altos niveles de energía
UV asociada con la presencia de corona (corona cutting).
Corrosión de las partes
metálicas debido a la reacción química con
el ambiente.
Microfracturas superficiales
con profundidades entre 0.01 y 0.1 mm (crazing).
Rompimiento del material adhesivo
usado para unir químicamente dos materiales del aislador
(debonding).
Pérdida significante del
material aislante, irreversible y no conductora (erosion).
Exposición de la barra
de fibra de vidrio al ambiente (exposure of the core).
Fracturas superficiales con profundidad
mayor a 0.1 mm (aligatoring).
Fuga de grasa de las interfaces
faldón-cubierta o faldón-núcleo hacia la
superficie (grease leakage).
Penetración de agua en
forma líquida o vapor, causando el ablandamiento de cubierta
o faldones
(hydrolisis).
Pérdida de hidrofobicidad.
Pérdida de adhesión
del sello de los herrajes (peeling).
Daños por arco de potencia
(power arc damage).
Daños por perforación
(puncture).
Separación o apertura
del material aislante (splitting).
Daños por vandalismo (vandalism).
Aunque muchos factores están involucrados en el envejecimiento
de los aisladores no cerámicos, la humedad y la contaminación
juegan los papeles más importantes. En condiciones secas
y ambientes sin contaminación, los aisladores no cerámicos
tienen una vida muy larga. La humedad y la contaminación
provocan un incremento en la corriente de fuga sobre la superficie
aislante. La experiencia ha mostrado que existe una apreciable
diferencia en el nivel de corriente de fuga entre los aisladores
cerámicos y los no cerámicos [Kuhl, M., 1994].
La corriente de fuga en los aisladores no cerámicos indica
la pérdida de la hidrofobicidad de los faldones y cubierta.
Si la corriente de fuga es suficientemente alta puede conducir
a la formación de arqueo de bandas secas. El calor producido
por las descargas en forma localizada causa erosión o
carbonización. Por lo anterior, la retención de
la hidrofobicidad es altamente deseada, aunque si esta propiedad
se pierde o se reduce, la formulación del material no
cerámico debe tener una alta resistencia a la erosión
o a la carbonización.
La corriente de fuga también redistribuye el esfuerzo
de voltaje, sobreesforzando los materiales no cerámicos
y la construcción del aislador, lo cual causa la ruptura
dieléctrica de las uniones, exponiendo la barra de fibra
de vidrio a la humedad. Cuando esto ocurre se presenta una falla
interna por carbonización.
La clave para dar mayor tiempo de vida a los aisladores no cerámicos
es asegurar que la corriente de fuga se mantenga en un nivel
bajo. Debido a su hidrofobicidad, los aisladores no cerámicos
de hule silicón satisfacen este requerimiento esencial.
Sin embargo, una distancia de fuga protegida bien dimensionada
también reduce la corriente de fuga. Asimismo, el mantenimiento
por lavado natural o artificial también incrementa su
vida.
Técnicas de envejecimiento acelerado en laboratorio
El desarrollo de los conceptos de materiales y diseño
para aisladores no cerámicos ofrece diferentes opciones
para aplicación en líneas de transmisión
de alta tensión. Se sabe que el comportamiento en contaminación
de estos aisladores cuando están nuevos es generalmente
superior al de los aisladores de vidrio o porcelana. Sin embargo,
los aisladores no cerámicos son más susceptibles
a cambios en sus propiedades superficiales debido al envejecimiento
ambiental en servicio, lo cual puede llevar a un deterioro significativo
de sus características de aguante en contaminación.
La predicción del grado de deterioro, así como
la formulación de un índice de severidad de la
contaminación es de importancia relevante para las compañías
usuarias para evaluar la confiabilidad de las líneas de
transmisión.
Muchos proyectos de investigación han mostrado que el
envejecimiento reduce el voltaje de flameo en contaminación
de los aisladores no cerámicos [Gorur, R.S. et al., 1987;
Houlgate, R.G. et al., 1990; Lambeth, P.J., 1988; Schneider,
H.M. et al., 1993; Fini, G.P. et al., 1987]. Por ejemplo, De
Tourreil et al. (1990) demostraron que unos cuantos años
de contaminación ligera causaron una reducción
de 10 al 15% en el voltaje de aguante en niebla salina.
Desgraciadamente, las pruebas de contaminación de laboratorio
en aisladores no cerámicos presentan problemas especiales:
cuando están nuevos son difíciles de contaminar
o humedecer, además de que acondicionar su superficie
por técnicas convencionales no siempre produce resultados
realistas; el desarrollo de una prueba de contaminación
adecuada para los aisladores no cerámicos representa un
reto técnico. La mayor dificultad es el método
de contaminación. Se han propuesto varios métodos,
pero debe enfatizarse la importancia de la relación con
la experiencia en servicio [De la O, A., 1997].
Además de las pruebas en aisladores completos, se conocen
numerosos procedimientos de prueba para materiales orgánicos:
ASTM495, ASTM2303, IEC587, etcétera. Estas pruebas muestran
que los materiales orgánicos en su condición nueva
sufren un deterioro que depende del nivel de esfuerzo y del tiempo.
Estos procedimientos pueden ser útiles para comparar entre
diferentes materiales orgánicos, pero no ofrecen ningún
criterio de aguante.
Debido a que los aisladores no cerámicos están
expuestos a la intemperie bajo todas las circunstancias, se supone
un envejecimiento por multiesfuerzos durante su vida de servicio.
Materiales específicos responden de distinta manera a
los diferentes mecanismos de envejecimiento. Hasta el presente
no se conoce un mecanismo de envejecimiento artificial que pueda
relacionarse en forma preferente para los aisladores no cerámicos.
Muchas normas nacionales y especificaciones de compañías
usuarias para aisladores no cerámicos especifican requerimientos
mínimos para materiales de acuerdo con IEC587, ASTM495
y pruebas de penetración de agua. Estas pruebas pueden
usarse meramente para excluir materiales no adecuados para aisladores.
Algunas pruebas sencillas de envejecimiento se han efectuado
en unos cuantos casos con el propósito de comparar materiales
particulares. El envejecimiento puede lograrse aplicando multiesfuerzos,
pero no se sabe en qué grado se alcanza el envejecimiento
(factor de aceleración) y cuál mecanismo de envejecimiento
está detrás del resultado correspondiente. En cualquier
caso, es difícil establecer la correlación entre
los resultados de pruebas artificiales y el comportamiento en
servicio. La filosofía de aceleración es mantener
el esfuerzo aplicado al aislador en forma realista. Esto es con
el objeto de evitar cualquier resultado en el comportamiento
del aislador que no sea relevante con su desempeño en
campo.
Algunos de estos procedimientos están normalizados, mientras
que otros son parte de especificaciones desarrolladas por las
compañías usuarias. Hasta el presente, sólo
la norma IEC 1109 (1991) para aisladores no cerámicos
está disponible como una prueba de envejecimiento normalizada
internacionalmente. Esta norma define dos procedimientos de envejecimiento:
una prueba de 1 000 h en niebla salina (cláusula 5.3)
y una prueba de larga duración (5 000 h) que puede ser
aplicando diferentes esfuerzos en forma cíclica o exclusivamente
en niebla salina.
La naturaleza cíclica de los climas y el deterioro han
llevado a la conclusión de que la prueba de ciclos se
prefiere para simular el envejecimiento [Karady, G.G. et al.,
1994; Gutman, I. et al., 1997]. Sin embargo, muchos usuarios
y fabricantes aún usan el procedimiento de niebla salina
como una prueba de selección en una etapa temprana durante
el desarrollo del producto para verificar el diseño completo
y no sólo el material del aislador. La característica
atractiva de esta prueba es que su desarrollo es más fácil
y más rápido y, por lo tanto, tiene un menor costo.
Los requerimientos para la prueba de niebla salina son ampliamente
utlizados como un punto de partida en propuestas para nuevas
pruebas para otros tipos de aisladores, por ejemplo cubiertas
de supresores de sobretensión o aisladores huecos. Por
lo tanto, un procedimiento modificado de esta prueba se ha sugerido
para el caso de pruebas de envejecimiento de larga duración,
como se describe en [Riquel, G., 1993].
Algunos otros procedimientos de evaluación que forman
parte de especificaciones de las compañías usuarias
o laboratorios de prueba son:
Rueda de tracking [CEA, 1991].
Procedimiento de niebla salina
y cemento (CEA) [De Tourreil, C.H. et al., 1992].
Prueba de 5 000 h con esfuerzos
múltiples y corriente directa (FGH).
Prueba de 5 000 h con esfuerzos
múltiples (ENEL) [Fini, G.P. et al., 1993].
Prueba de ciclos verano/invierno
(EPRI) [Schneider, H.M. et al., 1995].
Prueba de climas desérticos
con estaciones frías (EPRI) [Schneider, H.M. et al., 1995].
Algunas de estas técnicas son muy similares a la actual norma IEC 1109, mientras que otras intentan reproducir condiciones particulares de un país o de un lugar en específico, del cual se tiene bastante información no sólo ambiental sino también del comportamiento de los aisladores bajo dichas condiciones operativas.
Técnicas de diagnóstico en campo
Para el caso de aisladores cerámicos existen varios
métodos de inspección para detectar en campo aisladores
con fallas. Para los aisladores de vidrio se requiere de una
simple inspección visual. En el caso de los aisladores
no cerámicos, la degradación causada por el envejecimiento
o ligeros defectos internos introducidos durante la fabricación
puede llevar con el tiempo a una pérdida inaceptable de
la integridad eléctrica o mecánica de los aisladores,
resultando en consecuencias potencialmente perjudiciales.
En la actualidad no existe una técnica normalizada o ampliamente
utilizada para inspeccionar los aisladores no cerámicos
en servicio. Sin embargo, algunas compañías u organizaciones
como EDF, ENEL, ESKOM, EZH, HQ/IREQ, REE, etcétera, han
investigado varias técnicas aplicables a aisladores energizados
para establecer su estado operativo y planear su mantenimiento
o retiro, dependiendo de la severidad de los defectos encontrados
[CIGRE WG 22.03, 1996]. Las técnicas más comunes
son:
Inspección visual.
Ésta es la técnica más común. El
inspector requiere experiencia en los diseños, materiales
y comportamiento de cada tipo de aislador y estar familiarizado
con los mecanismos de falla descritos anteriormente.
Equipo de intensificación
de imágenes (cámara de visión nocturna).
El examen de los aisladores con este equipo puede indicar
la presencia de actividad de descargas superficiales. En algunos
casos, la detección de pequeñas descargas estables
ha mostrado una erosión significativa del material del
faldón con el tiempo. Es importante utilizar un equipo
sensible a la banda de UV en el rango de 300 a 400 nm con lentes
de cuarzo.
Termografía infrarroja.
La degradación causada por la acción del campo
eléctrico en materiales dieléctricos está
asociada con calor en la mayoría de los casos. Se han
obtenido buenos resultados en pruebas de laboratorio y de campo
utilizando esta técnica para localizar defectos en los
aisladores no cerámicos.
Emisión acústica
direccional. Esta técnica se ha utilizado para localizar
fuentes de descargas, aunque los defectos internos sólo
pueden detectarse cuando éstos causan actividad de descargas.
Este método es menos sensible que la termografía
infrarroja.
Mediciones de campo eléctrico.
Con este método se obtienen mediciones del campo eléctrico
a lo largo del aislador. Los defectos causan cambios del campo
eléctrico en forma más o menos abrupta, los cuales
pueden identificarse al compararlos con un aislador en buen estado.
Con este método se han podido identificar aisladores defectuosos,
aunque también se obtuvieron curvas de campo eléctrico
de aisladores defectuosos indicando un buen estado.
Medición de corriente
de fuga. Esta técnica se ha utilizado para establecer
el riesgo de flameo de los aisladores en función del nivel
de contaminación y humectación en su superficie.
Actualmente se encamina a correlacionar los niveles de corriente
(actividad eléctrica superficial) con el envejecimiento
o daños en el aislador.
Aspectos importantes para la selección del aislamiento
La historia reciente de los aisladores no cerámicos
revela que los motivos para introducir estos materiales no son
para reducir el uso de aisladores de vidrio o porcelana, sino
más bien para tener mejores soluciones a problemas específicos
y también para abrir a nuevas posibilidades en el diseño
de líneas de transmisión y distribución.
La práctica con aisladores convencionales de suspensión
es tal que, en muchas compañías usuarias, tanto
el tipo, el perfil, la carga mecánica y el número
de aisladores en una cadena están normalizados para un
nivel de voltaje y contaminación. Sin embargo, el reemplazo
de una cadena de aisladores convencionales por un aislador no
cerámico requiere del análisis de varios factores
clave del aislamiento y requerimientos mecánicos. Dentro
de las consideraciones que deben tomarse en cuenta en la selección
de un aislador no cerámico, además del fabricante,
se pueden mencionar las siguientes:
Aspectos mecánicos.
Carga diaria, cargas excepcionales, cargas de diseño,
cargas cíclicas, de torsión y estáticas,
factores de seguridad, cadenas sencillas o múltiples,
tipo de herrajes, resistencia mecánica a largo plazo.
Aspectos eléctricos.
Claros dieléctricos, nivel básico de aislamiento,
voltaje de flameo o de aguante en condiciones secas y húmedas,
sobretensiones por maniobra, ondas de impulso de frente escarpado,
arco de potencia, distancia de fuga, comportamiento en contaminación,
material de faldones y cubierta, uso de anillos corona.
Aspectos ambientales.
Envejecimiento (UV, arqueos), tipo de contaminante, corona, necesidad
de lavado, corrosión de herrajes, efecto de temperatura.
Adquisición y mantenimiento.
Costo, vida útil, mantenimiento y facilidad de manejo,
necesidad de precauciones especiales, uso de normas nacionales
e internacionales.
Conclusiones
Se han presentado en forma resumida los aspectos relacionados
con los procesos de degradación que pueden presentarse
en los aisladores no cerámicos en campo. Asimismo, se
mencionaron algunos aspectos que deben considerarse para su selección
adecuada y las técnicas establecidas para su evaluación
y seguimiento.
En México es poca la experiencia que se tiene con el uso
de aisladores no cerámicos y por tanto se requiere de
un mayor conocimiento sobre el proceso de selección para
una aplicación particular, los mecanismos de falla y las
técnicas de evaluación tanto de laboratorio como
de campo, que permitan incrementar su aplicación.
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,
etcétera), que deben tomarse en cuenta durante las adquisiciones.
Desafortunadamente, los conceptos relacionados con los diferentes
materiales y los mecanismos de falla que pueden generarse en
un ambiente determinado, no son tema que se maneje con facilidad
dentro de la parte operativa, por lo que es necesario reforzar
este conocimiento.
Aspectos relacionados con la identificación de los mecanismos
de falla por medio de fotografías son de mucha importancia
para hacer un buen seguimiento de su comportamiento. Estos serán
presentados en un trabajo posterior.
Referencias
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JOSÉ LUIS FIERRO CHÁVEZ
JOSÉ LUIS FIERRO CHÁVEZ
Sumario Boletín IIE
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