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  • UNIVERSIDAD VERACRUZANA

    FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA REGION POZA RICA TUXPAN

    DISEO DEL AISLAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION

    TESINA

    QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

    INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA

    PRESENTA:

    FELIPE IGNACIO CALLES MARTINEZ

    ASESOR DE TESINA:

    ING. RAMON CHAZARO APARICIO

    POZA RICA DE HIDALGO. VER, OCTUBRE 2009

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    INDICE INTRODUCCION CAPITULO I JUSTIFICACION.................... 7 NATURALEZA SENTIDO Y ALCANZE DEL TRABAJO..................... 8 ENUNCIACION DEL TEMA................. 9 EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO................ 10 CAPITULO II DESARROLLO DEL TEMA.......................................................................................................12 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE INVESTIGACION..............................................................13 MARCO CONTEXTUAL............................................................................................................14 MARCO TEORICO....................................................................................................................15 SUBTEMA I. MATERIALES DIELECTRICOS 1.1 Definicin de dielctrico........................... 16 1.2 Dipolo elctrico en el seno de un campo elctrico............................. 17 1.3 Polarizacin de los dielctricos.............................. 18 1.4 Caractersticas principales de los dielctricos............................. 20 1.4.1 Resistividad (resistencia especifica)............................. 20 1.4.2 Permitividad (constante dielctrica)............................. 23 1.4.3 Angulo de perdidas dielctricas........................... 24 1.4.4 Rigidez dielctrica.............................. 28 1.5 Perforacin en dielctricos........................... 29 1.6 Perdidas dielctricas en aislantes slidos........................ 30 SUBTEMA II. AISLADORES EMPLEADOS EN LINEAS AEREAS 2.1 Concepto de aislador................................................................................................... 31 2.2 Funciones de los aisladores........................................................................................ 33 2.2.1 Forma de los aisladores.............................................................................................. 34 2.3 Caractersticas de los aisladores................................................................................. 35 2.3.1 Caractersticas elctricas............................................................................................ 35 2.3.2 Caractersticas mecnicas.......................................................................................... 35 2.3.3 Propiedades conservadoras....................................................................................... 36 2.4 Clasificacin del aislamiento elctrico......................................................................... 37 2.4.1 Tipos de aisladores................................................................................................... 38 2.4.2 Aislador tipo suspensin.............................................................................................. 39 2.4.3 Aislador en tensin o amarre...................................................................................... 41 2.5 Ensayos en aisladores................................................................................................ 42 2.5.1 Ensayo de la calidad de la porcelana y del vidrio...................................................... .42 2.5.2 Ensayo de contorneamiento....................................................................................... 42 2.5.3 Ensayo de perforacin................................................................................................ 43 2.6 Conductancia o perdictancia....................................................................................... 44 2.7 Distribucin de tensin en una cadena de aisladores................................................ 45 2.7.1 Mtodo del circuito equivalente.................................................................................. 46 2.8 Dispositivos de proteccin......................................................................................... 52 2.8.1 Aros equipotenciales................................................................................................. 53 2.8.2 Amortiguadores de vibracin..................................................................................... 54

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    SUB TEMA III. DISEO DE LOS AISLADORES Y COORDINACION DEL AISLAMIENTO

    3.1 Tensin nominal y tensin mxima....................................................................................56 3.1.1 Impulso de rayo normalizado.............................................................................................57 3.1.2 Tensin permisible al impulso............................................................................................57 3.1.3 Nivel bsico de aislamiento al impulso..............................................................................57 3.1.4 Conexin a tierra del neutro...............................................................................................58 3.2 Coordinacin del aislamiento..............................................................................................59 3.2.1 Requerimientos bsicos para la coordinacin del aislamiento...........................................59 3.3 Sobretensiones en las redes elctricas..............................................................................60 3.3.1 Sobrevoltajes permanentes de baja frecuencia debido a desequilibrios en las redes.......60 3.3.2 Sobrevoltajes transitorios de alta frecuencia debidos a la operacin de interruptores......60 3.3.3 Sobrevoltajes transitorios debidos a descargas atmosfricas (rayos)..............................61 3.4 Generador de impulsos de Marx........................................................................................62 3.5 Caractersticas de aislamiento de los aisladores................................................................64 3.5.1 Nivel de aislamiento a baja frecuencia..............................................................................64 3.5.2 Nivel de aislamiento al impulso.........................................................................................65 3.5.3 Nivel de aislamiento para sobrevoltajes de alta frecuencia..............................................67 3.6 Efecto de las condiciones atmosfricas sobre los aislamientos externo..........................68 3.7 Pruebas de aisladores...................................................................................................... 70 3.7.1 Tensin sostenida a baja frecuencia................................................................................70 3.7.2 Tensin de flameo al impulso...........................................................................................70 3.7.3 Tensin critica de flameo al impulso.................................................................................70 3.7.4 Tensin al impulso (no disruptiva)....................................................................................70 3.7.5 Distancia de fuga............................................................................................................. 71 3.7.6 Distancia de flameo en seco........................................................................................... 71 3.8 Pruebas prototipo............................................................................................................ 71 3.8.1 Prueba de ciclo trmico (shock trmico).........................................................................71 3.8.2 Prueba mecnica............................................................................................................72 3.8.3 Prueba electromecnica.................................................................................................72 3.9 Pruebas de flameo..........................................................................................................73 3.9.1 Prueba de flameo al 50 % de la tensin de impulso.......................................................73 3.9.2 Prueba de tensin permisible al impulso (prueba de BIL)..............................................73 3.9.3 Prueba de flameo en seco por un minuto.......................................................................73 3.9.4 Prueba de flameo en hmedo y prueba de lluvia por un minuto....................................74 3.10 Pruebas de rutina...........................................................................................................74 3.10.1 Pruebas elctricas de rutina...........................................................................................74 3.10.2 Pruebas mecnicas de rutina.........................................................................................74 3.11 Concepto de relacin de impulso ...................................................................................75 3.12 Impedancia caracterstica de la torre...............................................................................76 3.13 Resistencia de pie de torre..............................................................................................77 3.13.1 Esfuerzos de tensin en el aislamiento de las torres.....................................................77 3.13.2 Sombra elctrica.............................................................................................................78 3.13.3 Numero de descargas directas en una lnea..................................................................79 3.13.4 Cable de guarda..............................................................................................................79 3.13.5 Distribucin en torres y vanos........................................................................................80 3.13.6 Salidas por falla de apantallamiento...............................................................................80 3.14 Diseo por sobretensiones de origen atmosfrico..........................................................81 3.14.1 ndice de flameo en lnea no acorazadas (sin cable de guarda).....................................82 3.14.2 ndice de flameos en lneas acorazadas (con cable de guarda).....................................83 3.14.3 Mtodo de Burgsdorf Kostenko.......................................................................................84 3.14.4 Grado de aislamiento..................................................................................................... 85 3.14.5 Clculo de la cadena de aisladores................................................................................86

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    SUBTEMA IV CONTAMINACION EN AISLAMIENTOS EXTERNOS 4.1 Contaminacin en aislamientos externos............................................................................87 4.2 Proceso de la contaminacin en los aisladores..................................................................87 4.3 Composicin de la materia contaminante...........................................................................88 4.3.1 Materia insoluble en suspensin.........................................................................................88 4.3.2 Materia soluble en suspensin............................................................................................88 4.4 Tipos de contaminacin.......................................................................................................89 4.5 Etapas del flameo en los aisladores....................................................................................90 4.5.1 Formacin de la capa contaminante....................................................................................90 4.5.2 Humectacin de la capa contaminante................................................................................91 4.5.3 Secado de la capa contaminante.........................................................................................91 4.5.4 Descarga a travs de las bandas secas..............................................................................92 4.5.5 Descarga parcial..................................................................................................................92 4.5.6 Flameos...............................................................................................................................93 4.6 Efectos contaminantes.........................................................................................................94 a. Excesiva corriente de fuga................................................................................................94 b. Flameos continuos............................................................................................................94 c. Perforacin........................................................................................................................94 d. Corrosin...........................................................................................................................94 4.7 Soluciones al problema de la contaminacin......................................................................95 4.7.1 Sobreaislamiento.................................................................................................................95 4.7.2 Aisladores de diseo especial.............................................................................................96 4.7.3 Limpieza manual..................................................................................................................96 4.7.4 Lavado de aisladores...........................................................................................................97 4.7.5 Recubrimientos....................................................................................................................99 CAPITULO III

    CONCLUSIONES..........................................................................................................101 BIBLIOGRAFIA..............................................................................................................102 ANEXOS........................................................................................................................103 APENDICES..................................................................................................................106

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    AGRADECIMIENTOS

    A MIS PADRES, IGNACIO Y SILVIA., POR TODA SU AYUDA Y APOYO INCONDICIONAL., A MI FAMILIA, POR SU VALIOSO APOYO....

    A MIS QUERIDOS TIOS.... SR. NICOLAS CALLES HERNANDEZ (FINADO) Y SU GENTIL ESPOSA SRA, SOCORRO PONCE VDA. DE CALLES.... POR SU APOYO

    Y HOSPITALIDAD BRINDADOS DUARANTE TODA MI CARRERA.....

    A MI ASESOR DE TESINA... ING. RAMON CHAZARO APARICIO.... POR VALIOSA AYUDA... Y POR LOS CONOCIMIENTOS TRANSMITIDOS DURANTE

    MI CARRERA.....

    Y... A TODOS AQUELLOS QUE HICIERON POSIBLE LA REALIZACION DE ESTE ESFUERZO....

    FELIPE IGNACIO CALLES MARTINEZ

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    INTRODUCCION

    El funcionamiento de una lnea de transmisin depende en gran escala de su

    aislamiento. En buena prctica se requiere que la tensin de arco en seco de los

    aisladores completos sea de tres a cinco veces mayor que la tensin nominal de

    funcionamiento, y que la longitud de la lnea de fuga sea aproximadamente el doble

    de la menor distancia entre puntos con tensiones el aire.

    Las modernas orientaciones tienden hacia los lmites superiores, especialmente

    cuando se trata de tensiones muy elevadas. Los casos especiales de nieblas,

    salinas, polvos, o aire qumicamente cargado deben ser estudiados aparte.

    Los aisladores no slo deben tener resistencia mecnica suficiente para soportar

    con amplio margen las cargas debidas al hielo y al viento que puedan esperarse

    razonablemente, sino que deben ser construidos de manera que puedan resistir

    condiciones mecnicas muy severas, descargas atmosfricas y arcos alimentados

    por la corriente de servicio, sin dejar caer el conductor.

    La produccin de arcos por contorno del aislador debe ser evitada en todos los

    casos, con la sola excepcin del 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.

    En general el aislamiento de una lnea se logra por medio de los aisladores simples, o por medio de cadenas de aisladores. En los primeros, el conductor se apoya y fija sobre el mismo aislador, emplendose este modelo para tensiones bajas y medias. Pero en los sistemas de alta tensin, es necesario hacer una cadena con aisladores campana. Se compone de una pieza de porcelana o vidrio templado, con adecuadas piezas metlicas que permiten el empalme, para 132kv y suspensin simple, es suficiente armar una cadena de 9 aisladores, para 33 kV. Alcanza una cadena de 3 aisladores; para tensiones muy altas, de 500 KV vemos cadenas de hasta 25 aisladores. Esta cantidad depende de si la cadena es de suspensin o de tensin y otros detalles. Las dimensiones y forma del aislador, dependen de la tensin lmite que puede soportar, sin que se forme un arco en su superficie, alcanzando ambos extremos.

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    JUSTIFICACION

    Los constantes avances en el mbito tecnolgico, los procesos de manufactura y en el rea de procesos, han incrementado en gran escala el consumo de la energa elctrica con el fin de satisfacer sus necesidades, ello ha provocado el incremento en las tensiones de operacin de las lneas de transmisin. Lo anterior condujo al incremento en el nmero de aisladores utilizados en las lneas, para proporcionar el adecuado aislamiento y la confiabilidad necesaria en el suministro de energa del sistema. Los mtodos de anlisis para el diseo del aislamiento de las lneas de transmisin estn enfocados a soportar los sobrevoltajes que se produzcan en los sistemas elctricos de potencia, por lo general estos mtodos son de tipo probabilsticos, los cuales fueron desarrollados por ingenieros de pases extranjeros (Estados Unidos, Rusia), en base a experiencias adquiridas en experimentacin de campo y en laboratorios, estos mtodos han sido tomados en nuestro pas como base para el diseo del aislamiento de las lneas de transmisin. En general los mtodos de proteccin contra sobrevoltajes, se guan con el objetivo de hacer mxima la confiabilidad del sistema con un costo de inversin razonable, por tal motivo el asunto de la calidad de la energa es de suma importancia y est transformando los mtodos de diseo del aislamiento contra sobrevoltajes. El desarrollo del presente trabajo de investigacin est enfocado, en la obtencin de informacin clara y objetiva, de los fundamentos tericos del diseo de los aisladores empleados en las lneas de transmisin, normas y estndares. De lo anterior se origina la necesidad de realizar un trabajo de investigacin, que permita a los estudiantes y a los posibles lectores proporcionar los fundamentos tericos prcticos ms importantes que intervienen en el diseo del aislamiento de las lneas de transmisin, de forma clara y precisa, para su conocimiento e integracin al mbito profesional.

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    NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO. La naturaleza del presente trabajo se encuentra dentro de la modalidad de tesina, debido a las caractersticas que presenta en su desarrollo. Las extensas distancias a las que se transmite corriente elctrica han aumentado junto con los niveles de voltaje de los sistemas, esto ha conducido a un aumento significativo en el nmero de aisladores de suspensin que se deben usar en las lneas de transmisin de energa. Actualmente el problema de aumento en el nivel de voltaje y proveer un aislamiento adecuado a dichas lneas se soluciona colocando ms aisladores en serie, sin que la distribucin de voltaje en el arreglo de aisladores sea asunto primordial. Sabemos que en la mayora de los casos los conductores empleados en las lneas de transmisin son desnudos, (por lo general del tipo ASCR), por lo tanto, se necesita aislarlos de los soportes por medio de aisladores, fabricados generalmente con porcelana o vidrio. La sujecin del aislador al poste se realiza por medio de herrajes. Pero adems, un aislador debe tener las caractersticas mecnicas necesarias para soportar los esfuerzos a traccin a los que est sometido. El objetivo del diseo del aislamiento caracterstico de una lnea de transmisin, es el de proporcionar la mxima confiabilidad del sistema, en caso de presentarse una sobretensin que pudiera afectar el funcionamiento de la misma, logrando as un suministro continuo de corriente elctrica. Es necesario que la red de tierras proporcione, entre otros factores, una trayectoria de baja impedancia a las corrientes causadas por un sobrevoltaje, que en un momento dado se pudieran presentar.

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    ENUNCIACION DEL TEMA El tema Diseo Del Aislamiento De Lneas De Transmisin, muestra la informacin, de los parmetros ms relevantes que interviene en el diseo de dichas lneas. Los aisladores de suspensin se utilizan en sistemas de potencia y energa para proporcionar aislamiento elctrico y tambin como ayuda mecnica sosteniendo lneas de transmisin y distribucin. Los aisladores de suspensin que estn en servicio en lneas de potencia estn expuestos a sobrevoltaje, y abuso mecnico severo (tormentas), rayos y arcos elctricos. Es conocido que la distribucin de voltajes entre los aisladores de una cadena no es equitativa entre dichos aisladores. Ms an, se sabe que los aisladores ms cercanos la torre (potencial de tierra) soportan menos magnitud de voltaje que aquellos que se encuentran ms cerca de la lnea. Los aisladores son, de todos los elementos de la lnea, aquellos en los que se pondr el mximo cuidado, tanto en su eleccin, como en su control de recepcin, colocacin y vigilancia en explotacin. Son utilizados en redes elctricas de transmisin y subtransmisin que van desde los centros generadores de energa hasta las subestaciones de enlace, los voltajes asociados a las redes de subtransmisin son del orden de 69, 85, 115Y 138 KV , y para las redes de transmisin son de 161, 230 y 400 KV. En efecto, frgiles por naturaleza, se ven sometidos a esfuerzos combinados, mecnicos, elctricos y trmicos, colaborando todos ellos a su destruccin. Todo nuevo tipo de aislador necesita ser confirmado por un uso muy prolongado, dada la imperfeccin de nuestro conocimiento en esta materia. En la actualidad existe una gran variedad de aisladores para este tipo de redes, construidos a base de diferentes materiales. Generalmente se les encuentra formando cadenas de suspensin, formada por varias unidades.

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    EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO La estructura del presente trabajo de investigacin, se encuentra dividida en tres captulos, para una mejor comprensin del mismo. En el primer capitulo de este tema, se trata acerca de los motivos de la realizacin de este trabajo, la introduccin, la naturaleza, sentido y alcance del mismo, la enunciacin del tema de investigacin y la explicacin de la su estructura. El segundo capitulo, abarca el marco terico de la investigacin, el cual a su vez esta dividido en cuatro sub.- temas, que forman el tronco comn del trabajo. El primer subtema, trata sobre el estudio de los materiales dielctricos, sus principales caractersticas, propiedades y sus aplicaciones en la industria elctrica. En el subtema dos, se trata el estudio de los aisladores, su concepto, funciones, clasificacin, caractersticas ms importantes, las normas y especificaciones ms comunes. El subtema tres, abarca los principales aspectos que interviene en el diseo de los aisladores de las lneas de transmisin, las normas y especificaciones de diseo, a si como las principales pruebas realizadas a los aislamientos de la lnea. El subtema cuatro, trata sobre el fenmeno de la contaminacin en los aislamientos externos, sus efectos, consecuencias y las posibles alternativas de solucin a dicho problema. Finalmente en el captulo tres, se presentan las conclusiones de la investigacin, la bibliografa utilizada, los anexos y apndices del tema tratado.

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    DESARROLLO DEL TEMA En condiciones ideales, el aislamiento de las lneas de transmisin debe ser capaz de soportar cualquier sobrevoltaje que se pueda presentar en el sistema en el cual operan, pero la longitud de las cadenas de aisladores y de las distancias mnimas de aire debern ser tan grande, que por tal motivo el costo del aislamiento resulta ser exageradamente alto. Por consiguiente, el diseo del aislamiento de las lneas se planea de tal manera, que pueda soportar todo sobrevoltaje interno (producidos por la maniobra de interruptores y sobrevoltajes de baja frecuencia), pero no as todo impulso de voltaje provocado por descargas de origen atmosfrico (sobrevoltaje externo). La esencia del mtodo de aislamiento se explica a continuacin:

    1. La longitud de la cadena de aisladores y la de las distancias de aire se disean para soportar, los mximos sobrevoltajes que pueden presentarse en la lnea en condiciones de humedad, ya sean de baja frecuencia o por accionamiento de interruptores.

    2. Debido a que las caractersticas de flameo de impulso por maniobra de interruptores en una cadena de aisladores, est influenciada por la forma de onda del sobrevoltaje, deben checarse, factores como la puesta a tierra, condiciones de contaminacin, la forma de los electrodos, entre otros ms, y ser comparados con lneas patrn, las cuales reproducen las condiciones de operacin de las cadenas tanto como sea posible, antes de hacer el diseo del aislamiento.

    3. La longitud de las cadenas de aisladores, est determinada por las caractersticas de las ondas de accionamiento, por que la longitud necesaria es por lo general, mayor para los sobrevoltajes por switcheo que para los sobrevoltajes de baja frecuencia (60 hz).

    4. Para evitar fallas por descargas atmosfricas, se recurre por lo general, a la disposicin de cables de guarda y la reduccin de la resistencia en la base de la torre (resistencia a pie de torre), as como el uso de interruptores de alta velocidad, y si es necesario, debe protegerse a la cadena de aisladores con dispositivos especiales llamados cuernos para arco.

    5. Un factor determinante en el diseo del aislamiento, es el BIL (Nivel bsico de aislamiento al impulso) que est basado en una de voltaje de 1.2 x 50 microsegundos, el tiempo de cresta es de 1.2 microsegundos, y est dentro del rango de onda por descargas atmosfricas, por lo que usualmente el diseo del aislamiento por rayo est coordinado en el BIL.

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    PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACION El motivo principal de la realizacin de este trabajo de investigacin, es el de proporcionar a los estudiantes de Ingeniera Mecnica Elctrica y a los futuros lectores, la informacin relativa a los principales elementos que intervienen en el diseo del aislamiento de lneas de transmisin, de manera prctica y objetiva para una mejor comprensin del mismo. Los elementos a tener en cuenta para el diseo de una lnea de transmisin desde el punto de vista de descargas atmosfricas son:

    Espaciamiento elctrico

    Cantidad de aisladores

    ngulo de apantallamiento

    Sistema de puesta a tierra de las estructuras Los cuales son ajustados de modo que ofrezcan una tasa de salidas preestablecida segn los criterios bsicos del proyecto. Con respecto a los espaciamientos elctricos de las lneas de transmisin, las exigencias atmosfricas tienen menor importancia a medida que el nivel de tensin se eleva, debido al aumento del nivel de aislamiento de las lneas de transmisin. La cantidad de aisladores de una lnea de transmisin se disea de tal forma que soporte todo sobrevoltaje interno (sobrevoltajes por maniobra y sobrevoltajes de baja frecuencia), pero no todo sobrevoltaje extremo (impulso de voltaje ocasionado por descargas atmosfricas). Lo anterior porque la longitud de la cadena de aisladores sera tan grande que el costo del aislamiento resultara exageradamente alto. Con respecto a los sobrevoltajes de baja frecuencia se deben hacer correcciones por variables ambientales tales como: densidad relativa del aire, humedad absoluta y relativa, precipitacin (lluvia), contaminacin y viento (factor determinante del ngulo de balanceo). Pero cuando el aislamiento est sometido a impulsos de origen atmosfrico no se hacen correcciones por variables ambientales porque no alteran el comportamiento del aislamiento (lluvia, humedad, etc.).

    ernesto.ascenciosHighlight

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    MARCO CONTEXTUAL Las lneas de transmisin de energa son actualmente utilizadas en todo el territorio nacional, es por tal razn, que referiremos nuestro marco contextual, a todo el pas en general. El estado de Veracruz se localiza en la parte este de la Republica Mexicana, limita al norte con el estado de Tamaulipas, al sur con los estados de Chiapas, Oaxaca y Tabasco, al este con el golfo de Mxico y al oeste con los estados de San Lus Potos, Hidalgo y Puebla. Se encuentra dividido, en siete regiones naturales de norte a sur, que son: la Huasteca, la Sierra de Huayacocotla , el Totonacapan, las Grandes Montaas, las Llanuras del Sotavento, Los Tuxtlas y el Istmo de Tehuantepec. El municipio es la base de la divisin territorial y de la organizacin poltica de los Estados Unidos Mexicanos, nombre oficial de nuestro pas, tambin llamado Mxico o Republica Mexicana, el estado de Veracruz cuenta con una extensin territorial de 72105 Km2 (dato proporcionado por el INEGI, en el ao de 1998), cuenta con un total de 212 municipios, una poblacin de 6, 883, 273 habitantes, una densidad de poblacin de 98 hab/Km2, la capital del estado es la ciudad de Xalapa de Enrquez, sede del gobierno del estado que actualmente preside el Lic. Fidel Herrera Beltrn, y sus ciudades principales son: Veracruz, Coatzacoalcos, Minatitln, Poza Rica y Xalapa.

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    INTRODUCCIN Las instalaciones elctricas, deben aislarse las partes conductoras de corriente y de las conectadas a tierra, as como de aislarlas entre si. Esto es indispensable para dirigir correctamente la corriente elctrica, en el circuito elctrico. La tcnica utiliza dielctricos para este propsito, entre los cuales podemos mencionar los siguientes ejemplos: slidos, lquidos y gaseosos. En este capitulo, se aborda el estudio de los materiales dielctricos que se caracterizan por ser prcticamente aislantes debido a que sus cargas, denominadas cargas ligadas, no tienen tanta libertad de movimiento como en los conductores. Estos materiales estn compuestos por tomos y molculas cuya distribucin interna de cargas se modifica en presencia de un campo elctrico, de manera que las cargas negativas se desplazan con respecto de las positivas dando lugar, a su vez, a la modificacin del campo elctrico.

    1.1 DEFINICION DE DIELECTRICO Los materiales dielctricos son aquellos en los que las cargas elementales (electrones orbitales y protones del ncleo) estn fuertemente ligadas de manera que no hay posibilidad de que haya desplazamientos macroscpicos de carga. Estos materiales son por lo tanto no conductores. Se denomina dielctricos a los materiales que no conducen la electricidad, generalmente no metlicos con una alta resistividad, por lo que la circulacin de corriente elctrica a travs de ellos es muy dbil, debido al fuerte enlace entre sus electrones libres y su ncleo atmico, y por lo que pueden ser utilizados como aislantes. Algunos ejemplos de dielctricos lquidos ms comnmente utilizados en la ingeniera elctrica son: el aceite para transformadores, de condensadores y cables, barnices y lquidos sintticos; como dielctricos gaseosos usados comnmente se encuentran, el aire y el hexafloruro de azufr (SF6). Siendo los materiales dielctricos slidos, nuestro principal objetivo de estudio en este presente capitulo. Cada uno de estos grupos de dielctricos tiene diferencias especficas. No obstante, en todos ellos tienen lugar los siguientes procesos fsicos: en un campo elctrico todos los dielctricos se polarizan, lo que se relaciona con el ordenamiento interno de los mismos; bajo la accin de una tensin alterna tiene lugar una dispersin de energa que se transforma en calor, en los campos elctricos intensos el dielctrico puede ser destruidos, es decir, sufrir una ruptura despus de la ruptura los dielctricos adquieren gran conductividad.

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    Los materiales dielctricos slidos se emplean fundamentalmente cuando adems de efectuar una funcin aislante, tambin tienen que cumplir simultneamente una funcin mecnica, esta puede ser la suspensin de un conductor (cadena de aisladores), el apoyo de una barra de tensin (aislador de soporte en una subestacin) o simplemente la sujecin y amarre de piezas sometidas a diferencias de potencial.

    1.2 Dipolo elctrico en el seno de un campo E. El dipolo elctrico se define como la agrupacin de dos cargas puntuales iguales y de signo opuesto separada por cierta distancia, generalmente del orden de las dimensiones atmicas, los dipolos aparecen en cuerpos aislantes o dielctricos, a diferencia de lo que ocurre en los materiales conductores, en los aislantes los electrones no son libres. Al aplicar un campo elctrico a un material dielctrico este se polariza dando lugar a que los dipolos elctricos se reorienten en la direccin del campo disminuyendo la intensidad de ste. Uno de los aspectos ms caractersticos de los dipolos, es que su comportamiento elctrico esta determinado por su momento de dipolo elctrico U, definido como:

    ELqU )( 1.1

    A la expresin entre parntesis, se le llama momento bipolar del dipolo y se designa por la letra P :

    )( LqP .. 2.1

    Fig.1.1 Dipolo elctrico Fig.1.2 Polarizacin de un dielctrico Donde q es el valor absoluto de las cargas elctricas y L representa el vector

    distancia dirigido desde la carga negativa hasta la carga positiva. El inters por el estudio de los dipolos elctricos tambin reside en que las agrupaciones de las cargas que constituyen la materia, cuando se encuentran en presencia de un campo elctrico se comportan de forma aproximada a como lo haran los dipolos elctricos, bajo la accin de dicho campo.

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    1.3 Polarizacin de un dielctrico. Definicin del vector polarizacin Vamos a estudiar cul es el efecto de un campo elctrico sobre un dielctrico, comenzando por precisar que existen dos tipos de sustancias dielctricas una de ellas caracterizada porque las cargas elctricas, en cada una de sus molculas, se encuentran distribuidas simtricamente, de forma tal que el centro de simetra de las cargas positivas coincide con el centro de las cargas elctricas negativas, llamndose estas molculas no polares; mientras que el otro tipo est caracterizado porque la distribucin de la electricidad en sus molculas no es simtrica, es decir, que el centro de simetra de las cargas elctrica positivas no coincide con el centro de simetra de las cargas elctricas negativas y, por consiguiente cada molcula constituye un dipolo elctrico y recibe el nombre de molcula polar. La polarizacin elctrica de un material es una magnitud vectorial definida como el momento dipolar elctrico por unidad de volumen. Por tanto, si p es el momento dipolar inducido en cada tomo o molcula y n el nmero de tomos o molculas

    por unidad de volumen, la polarizacin es: npP , en general la polarizacin elctrica tiene la misma direccin que el campo elctrico aplicado. Si suponemos que las molculas no son polares e imaginamos que el dielctrico se encuentra entre dos placas metlicas cargadas respectivamente de electricidad positiva y negativa, entonces la distribucin de la electricidad pierde su simetra en todas sus molculas, dirigindose las cargas elctricas negativas hacia la parte superior y las cargas positivas hacia la parte inferior, de tal forma que cada molcula se convierte en un dipolo elctrico. En estas condiciones decimos que el dielctrico est polarizado.

    Fig. 1.3 Molculas no polares en un dielctrico En el caso de tratarse de molculas polares, los dipolos elctricos, que existen en cada molcula, en el caso de que no se encuentren en un campo elctrico, estn distribuidos con orientaciones distintas. Si ahora suponemos que el dielctrico se encuentra en un campo elctrico entonces las fuerzas del mismo dan lugar a un cambio de orientacin de los dipolos que, sin embargo, no adquieren orientaciones paralelas, como ocurra anteriormente. No obstante, las cargas elctricas negativas se encuentran siempre en la parte superior de los respectivos dipolos, mientras que las positivas se encuentran en la parte inferior.

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    Fig. 1.4 Estos desplazamientos en el caso de los materiales aislantes estn limitados a fracciones muy pequeas del dimetro molecular debido a las intensas fuerzas restauradoras que se forman por el cambio de configuracin de carga de la molcula. El efecto total desde el punto de vista macroscpico se visualiza con mayor claridad como un desplazamiento de toda la carga positiva en el dielctrico con relacin a la carga negativa. Se dice que el dielctrico est polarizado, y que sus molculas tienen un momento dipolar inducido. Una molcula de un dielctrico consta de iones positivos y negativos y de electrones, siendo la cantidad de electrones libres en el dielctrico muy pequea. En la prctica un dielctrico no es un aislador absoluto, en estado normal, las cargas elementales de la molcula de un dielctrico cerca de los centros de equilibrio se encuentran en movimiento trmico, oscilante y desordenado. Si el dielctrico se conecta a un circuito de corriente continua (condensador), bajo la accin de las fuerzas de campo elctrico, las cargas elementales de las molculas del dielctrico se desplazaran en direccin de la fuerza que actan sobre estas. Como resultado del desplazamiento de las cargas en el interior del dielctrico, en el circuito surge una corriente temporal que se llama corriente de polarizacin. Examinemos otra corriente que puede fluir a travs de un dielctrico durante un tiempo prolongado, en un dielctrico real siempre hay electrones libres e iones, por pequea que sea su cantidad, hay que tomarlos en consideracin. Bajo la accin del campo elctrico los iones y electrones libres empiezan a desplazarse en el interior del dielctrico, formando lo que se conoce con el nombre de: corriente de fuga. La magnitud de la corriente de fuga es en algunos casos considerablemente mayor que la corriente de polarizacin. Al pasar a travs de un dielctrico, la corriente de fuga, conforme a la ley de JOULE LENZ, desprende calor, lo que es necesario tener en cuenta al hacer clculos tcnicos.

  • 21

    Si conectamos un dielctrico a un circuito de corriente alterna, el proceso de polarizacin pasara peridicamente tanto como en una como en otra direccin y en el circuito surgir una corriente alterna; este proceso, el cual se repite ininterrumpidamente, exigir gasto de energa ,el desplazamiento peridico de iones y electrones libres en el material dielctrico provocara la corriente de fuga.

    1.4 CARACTERSTICAS PRINCIPALES DE UN DIELCTRICO

    RESISTIVIDAD ( RESISTENCIA ESPECIFICA)

    PERMITIVIDAD (CONSTANTE DIELECTRICA)

    ANGULO DE PERDIDAS DIELECTRICAS

    RIGIDEZ DIELECTRICA

    1.4.1 RESISTIVIDAD Se ha establecido anteriormente que un dielctrico tcnico en la prctica, no es un aislador en absoluto, por tal razn un dielctrico deja pasar una corriente durante su trabajo, la magnitud de esta corriente es muy pequea en comparacin con las que pasan por las partes conductoras de una instalacin elctrica (conductores, cables, barras), la corriente tiene dos vas para su recorrido, a travs del espesor del dielctrico y por su superficie. La resistencia especfica cbica o volumtrica del dielctrico permite evaluar la resistencia al paso de corriente elctrica del dielctrico mediante la corriente I vol a travs de su volumen. Por medio de la resistencia especifica superficial, puede evaluarse la propiedad del dielctrico, de oponer resistencia al paso de la corriente I sup a travs de su superficie, de aqu el que se pueda comparar el menor o mayor carcter aislante de cada dielctrico, para una mejor aplicacin posterior.

  • 22

    Las corrientes cbicas y superficiales del dielctrico (refirase a las corrientes que circulan por el volumen y la superficie del dielctrico), son muy pequeas por lo general en todos los dielctricos de aqu es de donde proviene el carcter aislante. Las siguientes figuras muestran lo explicado anteriormente:

    Fig. 1.5 Corriente de fuga en un dielctrico

    Fig. 1.6 Resistividad volumtrica de un dielctrico

    fugaI

    supI supIIvol

    S

    h

  • 23

    La corriente total, corriente de fuga fI es igual a la suma de corrientes: la que

    pasa a travs del espesor (volumen) del dielctrico volI y la que pasa por la

    superficie del dielctrico supI . Expresando lo anterior en forma matemtica se

    obtiene la siguiente relacin: fI = volI + supI . )3.1(

    Al pasar por dos vas, la corriente supera a la resistividad volumtrica volR , y a la

    resistividad superficial supR . La resistividad total del aislamiento en el dielctrico

    aisR , esta determinada por:

    sup

    sup

    RR

    RRR

    vol

    vol

    ais

    )4.1( , de donde asiR =

    fI

    U; )5.1(

    La resistividad de la unidad de volumen se llama resistividad volumtrica y se

    designa mediante U . Por unidad de resistividad volumtrica se toma la de un

    cubo, de un material dado, con una arista de 1cm, la unidad para medir la resistividad volumtrica es el ohmio- centmetro ( cm.) y se determina por la formula:

    volR = Us

    h . )6.1(

    Donde: h = espesor del dielctrico en cm. s = rea de la cara lateral en cm2. La resistencia de superficie del dielctrico se llama resistividad superficial y se

    designa con s , y se mide en ohmios ().

    Como unidad de resistividad superficial se toma la resistencia de un rectngulo, (de cualquier dimensin) escogido arbitrariamente en la superficie del material, si la corriente pasa a travs de los lados opuestos de este rectngulo, la resistividad superficial se determina por la frmula:

    supR = s ba

    ; . )7.1(

    Donde: a = distancia entre los electrodos colocados paralelamente b = espesor de los electrodos.

  • 24

    Fig.1.7 Resistividad superficial de un dielctrico

    1.4.2 PERMITIVIDAD (constante dielctrica) La permitividad es una magnitud que caracteriza la capacidad del dielctrico colocado entre las armaduras de un condensador. Como es sabido, la capacidad de un condensador plano depende de sus caractersticas geomtricas, (cuanto mayor sea el rea de las placas, mayor ser su capacidad), de la distancia entre las placas o del espesor del dielctrico (tanto ms grueso sea el dielctrico, tanto menor ser la capacidad), as como del material para cuya caractersticas sirve la permitividad. En forma matemtica lo anterior se expresa como se indica a continuacin: La capacitancia C de un condensador es la razn entre la magnitud de la carga en cualquiera de los conductores y la magnitud de la diferencia de potencial entre ellos.

    V

    QC

    , .. )8.1(

    Donde:

    C = Capacitancia en, FfaradiosV

    C, .

    Q Carga en Columbios

    V Diferencia de potencial en voltios.

    La permitividad es numricamente igual a la relacin entre la capacidad de un capacitor con cualquier dielctrico y la capacidad de un condensador igual, pero con aire como dielctrico. En forma matemtica se expresa como:

    OC

    C )9.1(

    a

    supI

    ab

  • 25

    La permitividad es una constante fsica que describe cmo un campo elctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vaco ( ) es: La permitividad esta determinada por la habilidad de un material de polarizarse en respuesta a un campo elctrico aplicado y, de esa forma, cancelar parcialmente el campo dentro del material. Est directamente relacionada con la susceptibilidad elctrica. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma cantidad de carga elctrica sea guardada con un campo elctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo.

    1.4.3 ANGULO DE PERDIDAS DIELECTRICAS Se ha analizado anteriormente ejemplos de conexin de un dielctrico a circuitos de corriente alterna y continua, resulta ser que durante el trabajo de un dielctrico real en un campo elctrico formado por la corriente alterna, se desprende energa trmica; la potencia que se absorbe en estos casos se denomina: prdidas dielctricas. Las prdidas dielctricas son proporcionales al cuadrado de la tensin, a la frecuencia de la corriente alterna, a la capacidad del condensador y a la tangente de prdidas dielctricas; por consiguiente, en cuanto mayor es tan , tanto mayor sern las prdidas de energa en el dielctrico. En un dielctrico ideal la corriente capacitiva adelanta en la fase a la tensin en 90, mientras que en uno real la corriente capacitiva adelanta a la tensin en un ngulo menor de 90; sobre la disminucin de este ngulo ejerce influencia la corriente de fuga que se denomina tambin corriente de conduccin, la diferencia entre 90 y el ngulo de desfasaje (entre la tensin y la corriente que pasa en el circuito con dielctrico real) se llama ngulo de prdidas dielctricas o ngulo de prdidas y se designa con la letra (delta). Esto se puede explicar mejor usando el siguiente razonamiento: Cuando un dielctrico esta sometido a una diferencia de tensin, circula a travs de

    el una corriente que tiene tres componentes: una corriente capacitiva ( CI ), una

    corriente de absorcin ( AI ) y una corriente de conduccin cuyo valor esta limitado

    por la resistencia ohmica del material ( RI ).

    m

    F1210854.8

  • 26

    Cuando el dielctrico esta sometido a una tensin continua, la corriente total disminuye con el tiempo, hasta alcanzar un valor constante correspondiente al valor de la corriente de fuga. Si el dielctrico esta sometido a una tensin alterna, las tres corrientes que determinan el valor total de corriente queda establecido durante todo tiempo que el dielctrico esta bajo la accin de tensin alterna.

    RAC IIII . )10.1(

    De acuerdo a la expresin anterior un dielctrico se puede representar por medio del siguiente circuito equivalente:

    I

    Fig. 1.8 Circuito equivalente de un dielctrico

    La corriente de absorcin Ia tiene dos componentes una activa ( )'aI y otra

    capacitiva )''( aI el diagrama vectorial de corrientes es el siguiente:

    CIc

    Ra

    Ra

    Ca

    V

    Ia

    Ir

    Ir

  • 27

    aI ' Ir

    Fig. 1.9 Diagrama vectorial del circuito equivalente de un dielctrico

    Al diagrama vectorial anterior tambin se le conoce con el nombre de diagrama vectorial de perdidas en los dielctricos bajo la accin de corriente alterna. El diagrama vectorial anterior es la representacin ms exacta, pero su aplicacin resulta laboriosa, por lo que para fines prcticos, se emplea el diagrama vectorial de prdidas en dielctricos simplificado, el cual se muestra a continuacin: Ic Ic I

    Ia Fig. 1.10 Diagrama vectorial simplificado Donde:

    Ia= Corriente total = IraI ' . )11.1( Ic Corriente capacitiva total = aI '' + cI ' ... )12.1(

    I Corriente de fuga El ngulo se conoce como ngulo de prdidas dielctricas.

    aI ''IA

    cI

    I

    IaV

    V

    V

    C

    Rr

    Ia

    Fig. 1.11 Circuito equivalente

  • 28

    La tensin y corriente activa que se disipa en forma de calor es calculada mediante la expresin:

    cos VIIaVP ; )13.1(

    Y la potencia reactiva esta dada por:

    )90(cosPr senVIVIIV . . )14.1(

    Del diagrama vectorial se tiene:

    Ic

    IaTAN )15.1( ; Por lo tanto, 1 TAN ( )

    Ic

    Ia.. )16.1(

    La corriente capacitiva esta dada por la expresin:

    Xc

    VIc . )17.1( ; de donde,

    cXc

    1 =

    fc2

    1.. )18.1(

    cV

    c

    VIc

    1

    .. )'18.1(

    cTANVIa )19.1(

    Las perdidas activas y reactivas son:

    TANcVIaVPa 2 )20.1(

    cVVIc 2Pr .. )21.1(

    Se acostumbra llamar a la TAN , tangente del ngulo de prdidas dielctrica, y determina las prdidas en un dielctrico que se encuentra bajo la accin de una corriente alterna; depende de la naturaleza del dielctrico, de la frecuencia y de la temperatura. Cundo se tienen corrientes de fuga muy pequeas, el ngulo es muy pequeo y en estas condiciones el factor de potencia (FP):

    TANSENCOS

  • 29

    1.4.4 RIGIDEZ DIELECTRICA La capacidad de un dielctrico de soportar una tensin dada sin perforarse, se llama rigidez dielctrica. La rigidez dielctrica es principal cualidad de los materiales aislantes, la intensidad del campo elctrico dentro de cuyos lmites puede trabajar normalmente el material aislante, no debe superar un valor bien determinado. Esta propiedad muy importante de los dielctricos nos permite evaluar su capacidad de oponerse a la accin destructiva de las fuerzas elctricas, a cierto valor de la intensidad tiene lugar la alteracin del funcionamiento del dielctrico, su material es perforado por una chispa que se transforma en un arco, el dielctrico pierde sus propiedades aislantes, su resistencia decae bruscamente y las partes conductoras que estaban separadas antes por un cuerpo aislante se ponen en corto circuito, y tiene lugar la perforacin del dielctrico. La tensin que ocasiona la perforacin en el dielctrico se llama: tensin disruptiva

    disrU .

    Una destruccin del dielctrico provocara la unin de los conductores, y traer consigo graves consecuencias en la instalacin elctrica, la magnitud de la intensidad mxima del campo elctrico, a la que ocurre la ruptura del dielctrico, se llama rigidez dielctrica. En forma matemtica la rigidez dielctrica se expresa de la siguiente manera:

    ,,cm

    KV

    h

    UEdisr )23.1( O bien,

    mm

    KV.

    Donde: U = tensin aplicada (KV) h = espesor del dielctrico (cm. o mm) Con lo anterior puede establecerse que en su aplicacin practica, el material aislante no debe encontrarse bajo una tensin que pueda provocar la perforacin del dielctrico.

  • 30

    En definitiva, la rigidez dielctrica de los materiales depende principalmente de: - La heterogeneidad del campo elctrico aplicado, y por extensin de la forma de los conductores, - Naturaleza e intensidad de la ionizacin de las incrustaciones de gas, y -Cambios qumicos que pueda experimentar el material. La rigidez dielctrica o tensin de perforacin de un dielctrico no es una constante porque depende de las propiedades fsicas del material, condiciones del medio ambiente y naturaleza y duracin de la tensin aplicada as como de la frecuencia con que el material la sufre.

    1.5 PERFORACION EN DIELECTRICOS Se pueden distinguir dos tipos de perforacin: elctrica y trmica. Junto a estos dos tipos es necesario considerar tambin la perforacin por ionizacin, que es el resultado de la ionizacin del gas alojado en las pequesimas cavidades o burbujas que pueden tener los materiales dielctricos slidos o lquidos. Perforacin elctrica en un dielctrico slido La perforacin elctrica consiste en la destruccin de la estructura de la sustancia bajo la accin de fuerzas del campo elctrico. En un campo elctrico dbil las cargas elctricas de las molculas se desplazan de modo elstico, pero si la intensidad del campo alcanza la magnitud disruptiva, las partculas cargadas saltan de las posiciones iniciales, lo que conduce a la perforacin del dielctrico. Examinemos ahora la perforacin trmica en los dielctricos slidos Como se sabe, hallndose un dielctrico en un campo elctrico alterno se desprende calor a cuenta de las perdidas dielctricas, siendo negativo el coeficiente de temperatura de la resistencia, el calentamiento del material ir acompaado de la disminucin de la resistencia del dielctrico, esto traer un aumento de la corriente que pasa por el dielctrico y un aumento; de este modo el proceso de calentamiento va creciendo cada ves mas hasta que el material se destruye (carboniza, funde, etc.). La temperatura tambin es importante. El deterioro de los aislantes a temperaturas elevadas es gradual. Se manifiesta principalmente por resecarse o carbonizarse el material, lo que lo hace quebradizo, hacindole perder resistencia mecnica ms que rigidez dielctrica. Tras una carbonizacin severa, la rigidez dielctrica puede quedar muy perjudicada, pero el fallo se asocia ms generalmente a defectos mecnicos del aislante originado por vibraciones o esfuerzos mecnicos en los cortocircuitos.

  • 31

    1.6 PERDIDAS DIELECTRICAS EN LOS AISLANTES SLIDOS La mayora de los aislantes slidos cuando se encuentran bajo la accin de un campo elctrico variable, permite el paso de una corriente pequea ya que se comportan en parte como conductores, esto ocasiona prdidas que se manifiestan en forma de calor. La energa disipada de esta forma se debe a las prdidas dielctricas que son bsicamente de dos tipos:

    a) Prdidas por conduccin ( muy pequeas y de poca importancia) b) Prdidas por polarizacin Las prdidas por conduccin aparecen en los aislantes por efecto de traslacin de cargas elctricas que pueden ser electrones libres o iones. La conduccin elctrica se debe al movimiento de los electrones libres (en pequeas cantidades) que existen en todos los materiales aislantes. La conduccin inica aparece en los materiales capaces de producir iones, que tienen una movilidad que depende en gran parte de la temperatura, la traslacin de los mismos origina una corriente elctrica que engendra calor y prdidas de energa. Prdidas de polarizacin; se deben al movimiento de los dipolos que tienden a orientarse por la accin de un campo elctrico, en estas prdidas la frecuencia es muy importante, ya que para corriente continua o frecuencias muy bajas no hay perdidas considerables, lo mismo ocurre con frecuencias elevadas, pero existe un rango de frecuencias en el que las prdidas si son considerables, debido a que la constante dielctrica vara con la frecuencia, dicha constante afecta tambin a las prdidas por polarizacin. El mximo de las prdidas por polarizacin se presenta a una frecuencia para la cual se tienen mayores variaciones de la constante dielctrica; la variacin de la constante dielctrica con la frecuencia es de la forma:

    fo

    f1

    2 )22.1(

    Donde: y son constantes y 0f es el valor de la frecuencia que

    corresponde a la mxima dispersin.

  • 32

    CONDICIONES GENERALES

    Los conductores empleados en lneas areas, en la mayor parte de los casos, son desnudos; por lo tanto, se necesita aislarlos de los soportes por medio de aisladores, fabricados generalmente con porcelana o vidrio, la sujecin del aislador al poste se realiza por medio de herrajes. Pero adems, un aislador debe tener las caractersticas mecnicas necesarias para soportar los esfuerzos a traccin a los que est sometido.

    2.1 CONCEPTO DE AISLADOR

    Los aisladores son los elementos cuya finalidad consiste en aislar elctricamente el conductor de la lnea de apoyo que lo soporta, al emplearse los conductores, se precisa que los aisladores posean buenas propiedades dielctricas ya que la misin fundamental de este es evitar el paso de la corriente del conductor hacia tierra. La unin de los conductores con los aisladores y de estos con los apoyos se efecta mediante piezas metlicas denominadas herrajes.

    Fig. 2.0 Herrajes para aisladores

  • 33

    El paso de la corriente del conductor al apoyo puede producirse por las causas siguientes:

    Por conductividad del material: es decir a travs de la masa del aislador. Para evitar esto se emplean materiales cuya corriente de fuga es despreciable (Ej.: Vidrio, porcelana, polmeros.)

    Por conductividad superficial: se produce cuando una corriente de fuga contornea la parte exterior del aislador por aumento de la conductividad, esto es ocasionado por haberse depositado en la superficie del aislador una capa de polvo o humedad.

    Esta conductividad recibe el nombre de efecto corona y suele reducirse dando un perfil adecuado a la superficie del aislador.

    Por perforacin de la masa del aislador: al ser muy difcil mantener la uniformidad dielctrica de un material en toda su masa, existe el peligro de que se perfore el aislador, sobre todo si el espesor es grande. Por ello, los aisladores suelen fabricarse en varias piezas de pequeo espesor unidas por una pasta especial.

    Por descarga disruptiva a travs del aire: puede producirse un arco entre el conductor y el soporte a travs del aire, cuya rigidez dielctrica a veces no es suficiente para evitar la descarga. Esto suele ocurrir con la lluvia, debido a la ionizacin del aire, y se puede evitar con un diseo adecuado para aisladores de intemperie, tratando de aumentar la distancia entre aislador y soporte de forma que la tensin necesaria para la formacin del arco en el aire sea mayor.

    Aislador flameado

  • 34

    Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, las cualidades especficas que deben cumplir los aisladores son: 1.- Rigidez dielctrica suficiente para que la tensin de perforacin sea lo ms elevada posible. Esta rigidez depende de la calidad del vidrio o porcelana y del grueso del aislador. La tensin de perforacin es la tensin a la cual se ceba el arco a travs de la masa del aislador. 2.- Disposicin adecuada, de forma que la tensin de contorneamiento presenta valores elevados y por consiguiente no se produzcan descargas de contorno entre los conductores y el apoyo a travs de los aisladores. La tensin de contorneamiento es la tensin a la que se ceba un arco a travs del aire siguiendo la mnima distancia entre fase y tierra, es decir, el contorno del aislador. Esta distancia se llama lnea o distancia de fuga. 3.- Resistencia mecnica adecuada para soportar los esfuerzos demandados por el conductor, por lo que la carga de rotura de un aislador debe ser cuanto menos igual a la del conductor que tenga que soportar. 4.- Resistencia a las variaciones de temperatura. 5.- Ausencia de envejecimiento.

    2.2 FUNCIONES DE LOS AISLADORES

    Los aisladores cumplen la funcin de sujetar mecnicamente el conductor mantenindolo aislado de tierra y de otros conductores. Deben soportar la carga mecnica que el conductor transmite a la torre a travs de ellos. Deben aislar elctricamente el conductor de la torre, soportando la tensin en condiciones normales y anormales, y sobretensiones hasta las mximas previstas (que los estudios de coordinacin del aislamiento definen con cierta probabilidad de ocurrencia). La tensin debe ser soportada tanto por el material aislante propiamente dicho, como por su superficie y el aire que rodea al aislador. La falla elctrica del aire se llama contorneo, y el aislador se proyecta para que esta falla sea mucho ms probable que la perforacin del aislante slido. Surge la importancia del diseo, de la geometra para que en particular no se presenten en el cuerpo del aislador campos intensos que inicien una crisis del slido aislante.

  • 35

    2.2.1 FORMA DE LOS AISLADORES La forma de los aisladores est en parte bastante ligada al material, y se puede hacer la siguiente clasificacin: AISLADORES DE CAMPANA: (tambin llamados de disco) Generalmente varios forman una cadena, se hacen de vidrio o porcelana con insertos metlicos que los articulan con un grado de libertad (horquilla) o dos (caperuza y vstago,). AISLADORES DE BARRA: Los hay de porcelana, permiten realizar cadenas de menor cantidad de elementos (mas cortas), la porcelana trabaja a traccin y existen pocos fabricantes que ofrecen esta solucin, especialmente si se requieren elevadas prestaciones, ya que no es una solucin natural para este material, en cambio es la solucin natural de los aisladores de suspensin compuestos. Mientras que para la porcelana se limita la longitud de la barra y en consecuencia para tensiones elevadas se forma una cadena de algunos elementos, para el aislador compuesto siempre se realiza un nico elemento capaz de soportar la tensin total. AISLADORES RIGIDOS: En tensiones bajas y medias tienen forma de campana, montados sobre un perno, y se realizan de porcelana o vidrio. A medida que la tensin crece, tamao y esfuerzos tambin, y se transforman en aisladores de columna aptos para soportar esfuerzos de compresin y de flexin y pueden asumir la funcin de cruceta en lneas de diseo compacto. En estos casos pueden ser de porcelana y modernamente de materiales compuestos, cuando el esfuerzo vertical a que se somete la "viga" aislante es muy elevado se agrega un tensor del mismo material (inclinado 45 grados generalmente) dando origen a una forma de V horizontal. Los aisladores se completan, como ya indicado, con insertos metlicos de formas estudiadas para la funcin, y que tienden a conferir movilidad (en las cadenas) o adecuada rigidez (en las columnas). Para evitar solicitaciones anormales e indebidas de los elementos aislantes, los casos mas comprometidos se resuelven con fusibles mecnicos instalados del lado del conductor o del lado base y que al romperse permiten el giro del aislador, cargndose entonces en forma mas favorable. Al especificar los aisladores se resaltan dos tipos de caractersticas, que deben combinar por su funcin, las mecnicas, y las elctricas.

  • 36

    2.3 CARACTERISTICAS DE LOS AISLADORES

    2.3.1 CARACTERISTICAS MECANICAS Los aisladores de cadena deben soportar solo cierta traccin 7000, 16000 o ms Kg., los aisladores rgidos deben soportar cierta compresin, y/o cierta flexin. Los ensayos de caractersticas mecnicas se hacen con solicitacin elctrica simultnea, al estar sometidos a las inclemencias del tiempo una caracterstica muy importante es la resistencia al choque trmico (que simula el pasar del pleno sol a la lluvia), tambin por los sitios donde se instalan, los aisladores son sometidos a actos vandlicos (tiros con armas, proyectiles ptreos o metlicos arrojados), es entonces importante cierta resistencia al impacto. Frente a estas solicitaciones el comportamiento de los tres tipos de materiales es totalmente distinto, el vidrio puede estallar, siendo una caracterstica muy importante que la cadena no se corte por este motivo. La porcelana se rompe perdiendo algn trozo pero generalmente mantiene la integridad de su cuerpo, mecnicamente no pierde caractersticas, solo son afectadas sus caractersticas elctricas.

    2.3.2 CARACTERISTICAS ELECTRICAS Los aisladores deben soportar tensin de frecuencia industrial e impulso (de maniobra y/o atmosfricos), tanto en seco como bajo lluvia, influyen en la tensin resistida la forma de los electrodos extremos del aislador. Una caracterstica importante es la radi interferencia, ligada a la forma del aislador, a su terminacin superficial, y a los electrodos (herrajes), en las cadenas de aisladores, especialmente cuando el nmero de elementos es elevado la reparticin de la tensin debe ser controlada con electrodos adecuados, o al menos cuidadosamente estudiada a fin de verificar que en el extremo crtico las solicitaciones que se presentan sean correctamente soportadas. La geometra del perfil de los aisladores tiene mucha importancia en su buen comportamiento en condiciones normales, bajo lluvia, y en condiciones de contaminacin salina que se presentan en las aplicaciones reales cerca del mar o desiertos, o contaminacin de polvos cerca de zonas industriales.

  • 37

    La contaminacin puede ser lavada por la lluvia, pero en ciertos lugares no llueve suficiente para que se produzca este efecto beneficioso, o la contaminacin es muy elevada, no hay duda de que la terminacin superficial del aislante es muy importante para que la adherencia del contaminante sea menor, y reducir el efecto (aumentar la duracin).La resistencia a la contaminacin exige aumentar la lnea de fuga superficial del aislador, esta se mide en mm/kv (fase tierra), y se recomiendan valores que pasan de 20, 30 a 60, 70 mm/kv segn la clasificacin de la posible contaminacin ambiente.

    2.3.3 Propiedades conservadoras de los aisladores:

    El aislador debe ser impermeable, para evitar que penetre agua en su cuerpo.

    El aislador no debe ser poroso, para evitar que penetre a su cuerpo sustancias no aislantes,

    Debe ser muy liso, para presentar gran dificultad a la formacin de depsitos sobre la superficie del aislador y adems, para en caso de lluvia, el agua no escurra por el cuerpo del aislador de manera contina y as pueda el aislador bajo estas condiciones mantener la lnea aislada.

    El aislador debe tener una forma especial que tiene que ver fundamentalmente con la conservacin de la resistencia elctrica, bajo condiciones de lluvia y tambin que ver con la resistencia mecnica del aislador, pero no en su conservacin.

  • 38

    2.4 CLASIFICACION DEL AISLAMIENTO ELCTRICO Generalmente los aisladores se clasifican de acuerdo al nivel de voltaje y tipo de instalacin en la cual son utilizados, por ejemplo existen aisladores para lneas de transmisin, redes de distribucin y subestaciones. Los aisladores empleados en lneas de transmisin son fabricados usualmente de porcelana, vidrio templado y materiales sintticos. Los aisladores de porcelana vidriada por lo general contiene un 50% de caoln, un 25% de feldespatos y un 25% de cuarzo, la porcelana debe ser moldeada por procedimientos en hmedo, debe ser compacta y su superficie debe ser vitrificada, la porcelana elctrica posee excelentes propiedades para ser utilizada como aislante elctrico, tales como alta resistencia dielctrica, alta resistencia mecnica, elevado punto de fusin, inercia qumica, etc. La resistencia dielctrica de los aisladores de porcelana es del orden de los 60 a los 70 KV/ cm y su resistencia mecnica varia de unos 40,000 a 65,000 lbs/plg2 a la compresin y de 1500 a 12,500 lbs/plg2 a la tensin. Por su parte los aisladores fabricados a base de vidrio templado, tienen una resistencia dielctrica del orden de 140 KV/cm, estos aisladores son mecnicamente ms fuertes que los de porcelana a la compresin y tiene aproximadamente la misma resistencia mecnica a la tensin que los de porcelana. Segn su forma los aisladores de vidrio se subdividen en: estndar, utilizados en lneas de baja polucin, anticontaminacin con dos formas distintas y mayor lnea de fuga, aerodinmicos, de forma plana para facilitar su autolimpiado por la lluvia y el viento, y esfricos, de las mismas caractersticas que el anterior pero ms resistentes al vandalismo. En trminos generales, estos tipos de aisladores presentan ciertas ventajas unos con respecto a otros, as entonces los aisladores de vidrio templado tienen las siguientes ventajas sobre, los de porcelana:

    Debido a su composicin se pueden observar las perforaciones y constituciones no homogneas a simple vista.

    Despus de una onda de sobrevoltaje en un aislador deteriorado se puede identificar ms fcilmente, debido a que el vidrio se estrella y la porcelana se rompe cuando falla el dielctrico.

    El vidrio tiene un menor coeficiente de expansin trmica, lo cual minimiza los esfuerzos por cambios sbitos en la temperatura ambiente.

  • 39

    2.4.1 TIPOS DE AISLADORES AISLADOR TIPO CAPERUZA Y VASTAGO Este tipo de aislador se encuentra sometido principalmente a esfuerzos de tensin su forma fsica esta caracterizada por estar formada por una caperuza y un vstago de acero galvanizado, unidos a los extremos de un disco elaborado con un material aislante (generalmente de porcelana o vidrio templado), mediante un resistente cementado. Caperuza. Es una pieza de fundicin maleable o dctil galvanizada en caliente, est ensamblada con la pieza de vidrio de forma adecuada (cemento, etc.) para soportar las solicitaciones termomecnicas. En la parte superior de la caperuza tiene un alojamiento de rtula comprendiendo adems el dispositivo de enclavamiento mediante un pasador sencillo de acero inoxidable tipo R para asegurar el acoplamiento con otras unidades. Vstago. Es una pieza de acero forjado galvanizado en caliente, est ensamblada con la pieza de vidrio mediante cemento aluminoso, colocado sobre el vstago puede montarse el electrodo de sacrificio, consiste en un manguito de zinc utilizado como proteccin frente a la contaminacin salina o industrial. Se les encuentra instalados principalmente en forma vertical (suspensin), los principales modelos usados en el mundo son el estndar, niebla, superniebla, aerodinmico, etc.

    Fig.2.1 Aislador tipo caperuza y vstago

  • 40

    2.4.2 AISLADOR TIPO SUSPENSIN Se encuentra sometido principalmente a esfuerzos de tensin, su concepcin fsica es parecida a la del aislador tipo caperuza y vstago, presentando variantes en las dimensiones y en la forma del vstago; generalmente se les encuentra suspendido en forma horizontal, y al material empleado en su fabricacin es por lo regular el vidrio templado. Estos aisladores se usan casi exclusivamente en lneas de tensin superior a 66 kv, en vanos largos y con conductores pesados. Las unidades o discos modernos de caperuza y vstago han dado resultados muy satisfactorios y se han adoptado progresivamente para hacer frente a las necesidades de las ms altas tensiones y de la construccin ms pesada, con simplicidad y economa. Una unidad aisladora del tipo suspensin, segn la norma ANSI C29.1, es un ensamble de una pieza de porcelana y herrajes metlicos, provista de medios de acoplamiento no rgidos a otras unidades o herrajes terminales segn se muestra en la Fig.2.2, un aislador de suspensin tpico se distingue los siguientes elementos:

    1. ESMALTE 2. ARENA CERAMICA 3. CEMENTO 4. OJAL O CUENCA 5. PINTURA BITUMINOSA 6. CUERPO CERAMICO 7. PERNO METALICO (POSADOR O BOLA)

    Figura 2. 2. Componentes de un aislador tipo suspensin

  • 41

    Las lneas de transmisin areas en alta tensin se aslan por medio de estos aisladores, debido a que al aumentar las tensiones de operacin de las lneas, el costo de los aisladores tipo alfiler aumenta, por lo que resulta antieconmico su uso en tensiones elevadas. Tal como su nombre lo indica, en este tipo de aisladores de suspensin el conductor se suspende por debajo del soport por medio de estos aisladores. La tensin de arco por contorno en cadenas tipo suspensin, casi proporcional a la distancia a tierra en el aire y aproximadamente igual a la tensin de arco entre varillas con la misma distancia, a 60 hz y con las sobretensiones que se originan en las maniobras. En la prctica, el nmero de discos o unidades que conforman la cadena de aisladores es aproximadamente proporcional a la tensin, con ligero aumento para las tensiones ms altas y con cierto margen en la longitud de cada unidad. Para la tensin de 69 kv se usan de 4 a 6 unidades, para 115 kv de 7 a 9, para 138 kv de 8 a 10, para 161 kv de 12 a 14, para 230 kv de 14 a 20.

    TENSIN NOMINAL

    ( KV)

    NBI AL IMPULSO (KV)

    NUMERO DE AISLADORES STNDAR TIPO SUSPENSION RECOMENDADO (254mm x 145mm) Df 305mm

    69

    115

    138

    161

    230

    400

    350

    500

    650

    750

    900

    1250

    4 -6

    7 -9

    10 -12

    12 - 14

    14 20

    20 24

    Tabla 2.1 Nmero de aisladores estndar (254x146mm) tipo suspensin para diferentes tensiones de transmisin usadas en Mxico.

  • 42

    2.4.3 AISLADORES DE TENSIN O AMARRE Un conjunto de unidades de suspensin dispuestas al extremo o final de una lnea, en una estructura, se denomina aislador de amarre o de tensin, estos aisladores deben soportar el pleno esfuerzo de traccin y han de ser calculados con un amplio factor de seguridad para la mxima cantidad de hielo y presin del viento; el esfuerzo mximo que pueden resistir los aisladores y sus herrajes debera ser equiparado al de los conductores. Es prctica corriente proteger las cadenas de amarre o final de la lnea, especialmente contra el deterioro debido a arcos, empleando dos o tres o discos adicionales e instalando cuernos a anillos de guarda.

    Figura 2. 3 Forma de las cadenas de aisladores

  • 43

    2.5 Ensayos de aisladores

    Someter a los aisladores a una serie de ensayos nos permite comprobar si poseen

    las caractersticas mecnicas y elctricas para las que han sido fabricados.

    Analizaremos la calidad de la porcelana o del vidrio, la tensin de contorneamiento

    en seco o en lluvia, la tensin de perforacin y la resistencia mecnica del aislador.

    2.5.1Ensayo de la calidad de la porcelana y del vidrio

    Un ensayo elemental para darnos cuenta de la calidad de la porcelana y de su

    buena vitrificacin consiste en romper el aislador y examinar las superficies de

    fractura, que deben ser brillantes y homogneas y en ningn caso presentarn

    fisuras, oquedades o burbujas, se comprueba tambin que el esmalte superficial

    est exento de grietas, sea duro e inatacable por los agentes atmosfricos.

    Tambin resulta interesante estudiar la porosidad de la porcelana y su variacin

    con los cambios de temperatura.

    Los aisladores de vidrio se analizan con luz ordinaria y polarizada, comprobando la

    ausencia de fisuras y de burbujas.

    2.5.2 Ensayo de contorneamiento

    En este ensayo se comprueba si la tensin de contorneamiento es realmente la

    especificada por el fabricante. Esta tensin es aquella en la que se produce un arco

    o descarga disruptiva por la superficie del aislamiento entre el soporte metlico y el

    conductor.

    El ensayo se realiza sometiendo al aislador a una tensin cada vez ms elevada

    entre la caperuza y el vstago, hasta que se produce el arco elctrico; en ese

    momento estaremos ante la tensin de contorneamiento.

    El ensayo se realiza tambin bajo lluvia artificial controlada con una inclinacin de

    45 sobre el aislador. La tensin de contorneamiento bajo lluvia es menor que en

    condiciones normales pero siempre debe ser superior a la tensin nominal de

    empleo del aislador.

    Los aisladores se fabrican con el interior ondulado con el fin de aumentar la longitud

    que debe recorrer el arco elctrico para que salte. Esta distancia se llama lnea de

    fuga y es una caracterstica fundamental en los aisladores.

  • 44

    Fig. 2.3.1. Ensayo de contorneamiento

    2.5.3 Ensayo de perforacin

    La tensin de perforacin es aquella en que se produce la rotura del aislador, ya

    que el arco elctrico atraviesa el vidrio o la porcelana.

    Con frecuencia industrial, la perforacin del aislador no puede ser obtenida estando

    rodeado de aire, ya que saltara el arco por la superficie y no por el interior. Por lo

    tanto se impide la formacin del arco de contorneo sumergiendo el aislador en

    aceite mineral, con lo cual se puede elevar la tensin de prueba hasta obtener la

    rotura o la perforacin del aislador.

  • 45

    2.6 CONDUCTANCIA O PERDITANCIA

    Ningn aislador es perfecto todos dejan pasar una pequea corriente (corriente de fuga), esta corriente puede pasar a travs del volumen del aislador o a travs de su superficie llamndose respectivamente corriente de fuga volumtrica y corriente de fuga superficial. Los valores de estas corrientes son muy pequeos, sin embargo en clculos estrictos es necesario tomarlos en cuenta. Al paso de estas corrientes se oponen una resistencia caracterstica: Una resistencia volumtrica y una resistencia superficial, estas resistencias se encuentran en paralelo por lo que la resistencia equivalente esta dada por: .. EC 2.0

    Figura 2.4. Circuito equivalente de un aislador

    Donde:

    = corriente de fuga en el aislador = Angulo de prdidas dielctricas

    RsRv

    RsRvq

    Re

    V

    'I

    I

    'I

  • 46

    2.7 DISTRIBUCION DE TENSIONES EN UNA CADENA DE AISLADORES GRADIENTE DE POTENCIAL En el diseo del aislamiento en sistemas de alta tensin, tanto por razones econmicas como de seguridad, es necesario conocer la distribucin del campo elctrico y del potencial del elemento dominante, cosa que ha tomado vital importancia con la tendencia y la necesidad actual de incrementar las tensiones en la transmisin de la energa elctrica. Se observar que la distribucin de potencial y del campo elctrico no es lineal, esto quiere decir que cada aislador esta sometido a un valor diferente de tensin dependiendo de su ubicacin en la cadena. En una cadena de aisladores el gradiente de potencial no es el mismo en todas las unidades o elementos, debido a la capacitancia de los herrajes de cada unidad respecto a tierra, las corrientes capacitivas no son iguales entre una unidad y otra, y el gradiente de potencial a lo largo de la cadena no es uniforme, la cada de tensin es mxima en la unidad contigua al conductor, y conforme se alejen los aisladores del conductor ser ms dbil. Un aislador puede representarse elctricamente por un condensador formado a su vez por otros en serie y cuyos dielctricos son la porcelana y el vidrio, tal condensador es imperfecto y la corriente que lo atraviesa tiene una componente activa (en fase con la tensin) debido a varios tipos de prdidas y otra componente en cuadratura con la anterior, producida por la capacidad. Cuando los aisladores se encuentran a la intemperie, por efectos de la contaminacin, la superficie conductora aumenta y con esto la capacidad, aumentando de manera simultanea la corriente de prdidas por la reduccin de la distancia de flameo o fuga, resaltando as una disminucin en la tensin de formacin del arco, en comparacin con la de un aislador limpio y seco.

  • 47

    2.7.1 Mtodo del circuito equivalente Con el objeto de ilustrar el comportamiento de una cadena de aisladores durante su operacin en un lnea de transmisin, es conveniente llevar a cabo el estudio de la distribucin de tensiones a lo largo de una cadena de aisladores, tomando en cuenta la capacitancia que se forma en el aire, entre cada unin y la de las torres que estn conectadas a tierra. En una cadena de aisladores se manifiestan varios grupos de capacidades, asociadas a las diferentes partes que la constituyen, tales son:

    1. La capacidad debida al dielctrico del aislador (porcelana, vidrio o material

    del que este hecho) entre la cuenca y el pin de cada unidad, siendo la

    capacitancia de cada aislador del orden de los 30 Pf (pico faradios) la cual

    representaremos por la letra (C).

    2. La capacidad entre las partes metlicas (herrajes) y el terminal de tierra

    (torre), debida principalmente al dielctrico del aire, siendo capacidades de

    dispersin, esta capacitancia esta dada para el mas alto valor de tensin del

    sistema y la mayor distancia entre la cadena y la torre y es del orden de 3

    a 6 Pf . Por lo general la capacitancia formada entre el conductor y la torre

    es muy pequea y no tiene efecto en la distribucin de potencial de la

    cadena de aisladores, esta capacidad la representaremos por (Ce).

    3. La capacidad entre cualquier elemento metlico de la cadena y todos los

    dems elementos metlicos de la misma.

    4. La capacidad entre las partes metlicas (herrajes) y el conductor de fase, (k).

    La determinacin exacta de Cpm es muy compleja y su efecto aunque notorio no es de los mas significativos, por lo general suele despreciarse en la mayora de los casos, segn las mediciones la capacidad K es muy pequea comparada con la capacidad Ce siendo siempre menor que el 10 % con lo cual, al despreciarla, se simplifica mucho el circuito equivalente.

  • 48

    La siguiente figura muestra un arreglo de capacitancias para el caso terico de una cadena de 4 aisladores, la cual tomaremos de ejemplo para nuestro estudio. En est figura se omiten por razones de simplicidad las capacitancias entre los elementos metlicos de la torre (Cpm) y la capacitancia entre los herrajes y el conductor (K), pero en clculos estrictos debe ser tomado el valor de dicha capacitancia, para mejores resultados.

    Fig. 2.4. Arreglo de capacitancias para el caso de 4 aisladores.

    Como se deduce de la simple inspeccin de la figura, la corriente de capacidad a travs del elemento ms prximo a la lnea es mayor que la de todos los dems y va disminuyendo en cada uno de ellos con su lugar de colocacin, en el orden conductor-soporte, sucediendo lo mismo con la diferencia de potencial sufrida por los mismos y cuya expresin es:

    ZIV . 2.1

    Cj

    IV

    . 2.2

    C

    jZ

    2.3

  • 49

    Donde: i Corriente capacitiva

    C= Capacitancia que representa a cada aislador Frecuencia natural, ( f2 )

    Ce = capacitancia de cada elemento a tierra Vn = potencial de la lnea Vn-1= potencial en la unin de los dos ltimos elementos De la figura anterior se deduce que, las corrientes de capacidad estn en fase (adelantadas 2/ ), aplicando las leyes de Kirchhoff a cada unin de la torre, se tiene el siguiente sistema de ecuaciones:

    i1 = i1 + i1. 2.4 i1 = i2 + i2 .. 2.5 i2 = i3 + i3. 2.6 Como en general se verifica que CVI , el sistema anterior se transforma como sigue:

    1211 )()( nnnnn cVVVCVVC 2.4

    23221 )()( nnnnn cVVVCVVC 2.5

    34332 )()( nnnnn cVVVCVVC 2.6

    Dividiendo el sistema anterior por C y haciendo C

    cK , obtenemos:

    1211 )()( nnnnn KVVVVV .. 2.4

    23221 )()( nnnnn KVVVVV 2.5

    34332 )()( nnnnn KVVVVV 2.6

  • 50

    Finalmente despejando los valores de voltaje deseados, se obtiene el siguiente sistema de ecuaciones:

    21)2( nnn VVKV . 2.4

    321 )2( nnn VVKV 2.5

    432 )2( nnn VVKV 2.6 Una vez determinadas las ecuaciones caractersticas para el clculo del potencial en una cadena de aisladores, procederemos a resolver un ejemplo sencillo. Sea una cadena de aisladores de tipo suspensin con tres unidades sometidos a una tensin de 75 KV, para un valor constante de K = 0.2, determine la tensin que soporta cada aislador. Supngase para fines prcticos de estudio, el siguiente arreglo de capacitores mostrado en la siguiente figura.

    Figura 2.5 Arreglo de capacitores para el ejemplo estudiado

    e

    e

  • 51

    Aplicando las formulas obtenidas anteriormente se tiene:

    21)2( nnn VVKV . 2.4

    321 )2( nnn VVKV 2.5

    432 )2( nnn VVKV 2.6 Por tratarse de una cadena de solo 3 aisladores, se sabe por deduccin que el

    voltaje 03 nV , por lo que el sistema se reduce solo a:

    21)2( nnn VVKV 2.7

    21 )2( nn VKV 2.8 Sustituyendo valores y realizando las operaciones correspondientes, queda:

    Si KVVn 75 y 2.0K .

    Sustituyendo en la EC 2.7

    21)2.2(75 nn VVO .. 2.7

    212.275 nn VV . 2.7

    Sustituyendo en la EC 2.8

    21 )2.02( nn VV 2.8

    21 )2.2( nn VV . 2.8

    Sustituyendo la ECU 2.8 en la EC 2.7, se obtiene:

    22 )2.2(2.275 nVVn

    2284.475 nn VV

    284.375 nV , Por lo tanto al despejar la incgnita se tiene:

    KVVn 5.1984.3

    752

  • 52

    Sustituyendo este valor en la ECU. 2.8 se tiene:

    21 )2.2( nn VV ;

    KVVn 9.42)5.19)(2.2(1

    Por lo tanto de acuerdo a los resultados anteriores podemos establecer lo siguiente: El aislador ms cercano a la torre (apoyo) soporta una tensin de: KV5.19

    El siguiente aislador soporta una tensin igual a:

    KVVV nn 4.235.199.4221

    Y por ultimo el aislador ms cercano al conductor soporta una tensin igual a:

    KVVV nn 10,329.42751 .

    Con este ejemplo queda demostrado lo estudiado anteriormente, en lo cual se estableci que el reparto de potencial en una cadena de aisladores no es lineal, y que por lo tanto existir una desigual reparticin de voltaje, siendo esta menor en el aislador mas cercano a la torre incrementndose su magnitud a lo largo de la cadena y teniendo un potencial mximo en el aislador ms cercano al conductor. Otro concepto interesante y que tiene gran importancia en el diseo del aislamiento de lneas de transmisin es el de eficiencia de la cadena, que no es ms que una medicin de la utilizacin del material en la cadena, y esta dada por la siguiente expresin: Tensin de arqueo para n aisladores Eficiencia de la cadena = 2.9 n (tensin de arqueo para cada aislador) Tambin suele expresarse como: Tensin en una cadena de aisladores Eficiencia de la cadena = . 2.10 n (tensin en cada aislador) De acuerdo a lo anterior la eficiencia de la cadena para el ejemplo estudiado ser igual a:

    Eficiencia de la cadena %88.777788.01.323

    75000

  • 53

    2.8 Dispositivos de proteccin El dao recibido por los aisladores en caso de arco es un serio problema de mantenimiento, y se han ideado diferentes dispositivos para conseguir que en caso de saltar el arco, se mantenga apartado de la cadena de aisladores. Tales dispositivos han resultado tiles, pero los adelantos en los mtodos de proteccin de lneas areas mediante cable a tierra y el uso limitado, pero relativamente afortunado, de los tubos de explosin, no solo han reducido los daos en los aisladores, sino que han mejorado el comportamiento del conjunto de la lnea. La primera medida de precaucin consisti en pequeos cuernos o antenas fijados a la grapa se encontr sin embargo, que para obtener resultados eficaces era necesario disponer de antenas bien abiertas, no solo en la grapa, sino tambin en la parte superior del aislador, bajo tensiones de choque o descargas atmosfricas, especialmente, el arco tiende a saltar en cascada en la cadena de aisladores, y las pruebas demostraron que la separacin entre los cuernos deba ser considerablemente inferior a la longitud de la cadena de aisladores. Por ello, la proteccin con cuernos o antenas produce una reduccin de la tensin de arco o exige un aumento del nmero de unidades y de la longitud de la cadena de aisladores.

    Fig. 2.6 cuernos de arqueo para un aislador

  • 54

    2.8.1 AROS EQUIPOTENCIALES Son anillos que dan la misma proteccin que las puntas de arqueo al aislamiento de las lneas