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Resumen— Con el fin de determinar posibles deficiencias a

nivel de diseño y fabricación, los aisladores poliméricos son sometidos a diferentes pruebas a nivel de laboratorio establecidas en las normas ANSI C29.13-2000 y IEC 61109-1995. Una de éstas son las ambientales, las cuales se realizan a través de simulaciones dentro de los laboratorios; sin embargo, estas nunca llegan a ser tan severas y exigentes como las condiciones reales de operación en campo. Por tal motivo, en esta investigación se desarrolla una metodología con el fin de evaluar diferentes diseños de aisladores poliméricos (goma silicón) del tipo suspensión, con herrajes de acero galvanizado, de aluminio y recubierto con polímero en un ambiente natural. Para esto, se dispuso de una zona específica donde las condiciones ambientales son las más severas de la costa Occidental del Estado Zulia, ubicada en al norte de la Guajira Venezolana estableciéndolo como un Laboratorio Natural. Como resultado se establecieron recomendaciones para las características de los aisladores poliméricos a ser utilizados en la red de Distribución en la región Zuliana, con el fin de obtener la mayor confiabilidad a través de la vida útil.

Palabras Clave— Aislador Polimérico, Laboratorio Natural, Falla de Material, Ambiente Natural.

I. INTRODUCCION

a función principal de los aislamientos externos empleados en líneas aéreas es separar eléctricamente los conductores de las estructuras de soporte (herrajes,

crucetas y postes). Estos elementos están sometidos a condiciones de intemperie y por ende, están expuestos a las condiciones ambientales. Esta situación afecta las características de cada aislamiento, mediante la acumulación de impurezas y humedad sobre la superficie de los mismos, lo que puede provocar desde pequeños flameos hasta arcos completos entre las líneas y las estructuras de soporte.

La zona Nor-Occidental de Venezuela se encuentra altamente influenciada por los vientos provenientes del Nor-Este, con alto contenido de sal del Golfo de Venezuela y del Mar Caribe, siendo la zona mas severa los municipios Mara, Páez y Padilla ubicados en la Guajira (ver figura 1). Adicionalmente, la combinación de la contaminación salina y la humedad generada por el Lago de Maracaibo y el Golfo de Venezuela causa el aceleramiento de procesos de corrosión en elementos metálicos. Otro fenómeno natural que se presenta Augusto Abreu trabaja en la empresa distribuidora de energía eléctrica “Energía Eléctrica de Venezuela (ENELVEN)”, Maracaibo, Estado Zulia, Venezuela, (e-mail: aabreu@enelven.com.ve, augustoabreu@cantv.net). Artículo preparado para el IEEE CONCAPAN XXX 2010.

en la región consiste en fuertes vientos con arena produciendo el efecto de erosión “Sand Blasting” en los materiales.

Fig. 1. Mapa del Estado Zulia, Venezuela.

Por lo general las empresas de distribución eléctrica

ubicadas en zonas conteras toman acciones ante la contaminación utilizando aislamiento cerámico o de vidrio con de mas de 31 mm/kV, en búsqueda de minimizar las fallas por contaminación, acompañado de los planes de mantenimiento de lavado en la época de sequía, los cuales son costosos por el equipamiento y recurso humano. Los aisladores cerámicos poseen la propiedad “hidrofílica”, que produce una capa de agua sobre la superficie del aislamiento, mas los contaminantes forman capas conductivas donde se presenta la circulación de corriente de fuga. Mientras que existen

A. Abreu

Experiencia en la Evaluación de Aisladores Poliméricos para Sistemas de Distribución en Media

Tensión a Través de un Laboratorio Natural

L

Laboratorio Natural. “Caño

2

aisladores fabricados con material poliméricos, los cuales poseen la propiedad “hidrofóbica” esta produce la repelencia de la humedad y agua, lo que evita la formación de una capa conductiva, imposibilitando la circulación de corriente de fuga, evitando con ello que el aislador falle por contaminación.

Los poliméricos (goma silito) es un material orgánico, el cual es susceptible a altas temperaturas y erosión de dicho material por “Sand Blasting”. Por tal motivo de determinar posibles deficiencias a nivel de diseño y fabricación, en los aisladores poliméricos estos son sometidos a diferentes pruebas a nivel de laboratorio establecidas en las normas ANSI C29.13-2000 [1] y IEC 61109-1995 [2]. Una de éstas son las ambientales, las cuales se realizan a través de simulaciones dentro de los laboratorios; sin embargo, estas nunca llegan a ser tan severas y exigentes como las condiciones reales de operación en campo. Por tal motivo, en este artículo se expone la experiencia de la evaluación diferentes diseños (ver figura 2) de aisladores poliméricos (goma silicón) del tipo suspensión, con herrajes de acero galvanizado, de aluminio y recubierto con polímero en un ambiente natural.

Fig 2. Diferentes Diseños de Aisladores Poliméricos Tipo Suspensión.

Para esto, se dispuso de una zona específica donde las

condiciones ambientales son las más severas de la zona Nor-Occidental de Venezuela en la Guajira estableciéndolo como un Laboratorio Natural. Como resultado se establecieron recomendaciones para las características de los aisladores poliméricos a ser utilizados en dicha región, con el fin de obtener la mayor confiabilidad a través de la vida útil.

II. AISLADORES POLIMÉRICOS

TIPO SUSPENSIÓN O AMARRE

Los tres (3) diseños de aisladores del tipo suspensión o amarre (ver figura 3), probados han sido: Modelo , este es un diseño normalizado en la C29.13-

2000 [1], el cual posee los herrajes de acero galvanizado.

Modelo , este es un diseño especial el cual posee los herrajes recubiertos totalmente de material polimérico (goma silicón).

Modelo , este es otro diseño especial el cual posee los herrajes de aleación de aluminio recubiertos parcialmente de material polimérico.

Fig. 3. Diseños de Aisladores Tipo Suspensión y Amarre.

Los aisladores poliméricos tipo suspensión están

generalmente, constituidos de una sola pieza que se conforma con una barra de epoxi-fibra de vidrio recubierta exteriormente con un material de goma silicón, y se le adicionan en sus extremos las terminaciones metálicas con las cuales se une por medio de herrajes al conductor y a la cruceta del poste.

III. FALLAS TÍPICAS DE AISLADORES POLIMÉRICOS

Dentro de las fallas típicas de los aisladores poliméricos se encuentran caracterizados en la norma IEC 61109-1995 [2] los cuales son: Tracking (caminos conductivos), Craking (grietas mayores a 1 mm), Erosión (es una pérdida de material polimérico por un efecto no conductivo) y Degradación por rayos ultra violeta UV (agrietamiento masivo de la superficie) y fenómeno de hidrolisis. La mayoría de estos problemas han sido superados con los nuevos diseños y compuestos; no obstante cuando ocurren son por: deficiencias del material con que es fabricado el aislador, poca experiencia del uso en campo, o por que las condiciones ambientales donde se utiliza, ha superado los parámetros de diseño, por lo cual pueden aparecer estas fallas. Por esto cobra importancia probar en campo los diferentes diseños, mediante un laboratorio natural donde se presentan las condiciones más severas de la región donde serán implementados los aisladores poliméricos.

IV. METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN

A. Laboratorio natural

La zona geográfica seleccionada “Caño Sagua” se encuentra en las cercanías del pueblo Paraguaipoa en la región de la Guajira Venezolana, ubicada en el Municipio Páez del Estado Zulia. Su escogencia obedece a sus condiciones ambientales (dada a su cercanía con el Golfo de Venezuela). Para esto se ubicó una derivación (ramal) de un circuito en 23,9 kV con

A B C

A

B

C

3

una baja densidad de carga, lo que permitió sacarlo de servicio para examinar las de aisladores muestras bajo estudio (ver figura 4). Como se muestra en la figura, parte del circuito pasa en forma paralela a la playa y la otra parte de manera perpendicular.

Fig. 4. Infografía del Laboratorio Natural.

En esta zona, las condiciones ambientales son extremas

(vientos fuertes, contaminación salina, corrosión y sand blasting) por lo que se pueden encontrar resultados acelerados en corto tiempo comportándose como un laboratorio natural. Con el fin de obtener resultados del comportamiento de aisladores de diferentes diseños, se instalaron muestras a lo largo de todo el ramal. En la Tabla I, se muestra un resumen de las condiciones ambientales de este laboratorio natural, donde se destaca el resultado del nivel de contaminación, el cual se realizó con la metodología del DESD (Densidad Equivalente de Sal Depositada) por un período de 5 años.

TABLA I

CARACTERÍSTICAS DEL LABORATORIO NATURAL

Parámetro Lab. Natural

“Caño Sagua”

Clima Árido

Rango de Temperatura °C 27 – 32 °C

Nivel de Precipitación 400 a 800 mm

Humedad 75 a 80%

Velocidad del Viento 4 a 6 m/seg

Presencia de “Sand Blasting” Si

Máximo Nivel Medido de DESD (mg/cm²) 0,4406

Nivel de Contaminación según la IEC 60815 Por Arriba de Muy Alto (0,3000 mg/cm² )

Nivel de Tensión Nominal (f-f) 23,9 kV

Máximo Nivel de Tensión (f-f) 25 kV

Inicio del Laboratorio Julio del 2002

B. Inspección Visual del Material Polimérico y Herrajes

Dentro de la metodología de evaluación de los aisladores de prueba montados en campo, la inspección visual consiste en detectar fallas en el asilamiento polimérico, así como de las partes metálicas (herrajes). Para esto se estableció una matriz de evaluación cualitativa. En las Tablas II y III se establece el

patrón de evaluación del material aislante y metálico del aislador polimérico.

TABLA II ESTADO DEL ELEMENTO AISLANTE

Elemento Aislante

Bueno No presenta rastros visuales de decoloración, endurecimiento, fragilidad, ó pérdida de brillo.

Regular Se observa degradación debido al proceso de degradación como cambios de decoloración y pérdida de brillo.

Malo Presenta degradación, pérdida de hidrofobicidad, descargas localizadas, fragilidad, endurecimiento, erosión y pequeñas grietas.

Crítico Daño en el aislamiento, descargas superficiales, efectos de erosión, grietas profundas y ruptura del aislante.

TABLA III

ESTADO DEL ELEMENTO METÁLICO

Elemento Metálico

Bueno Los herrajes están en condiciones óptimas. No presentan corrosión.

Regular Los herrajes presentan pérdida de galvanizado o perdida de material, con manchas de oxidación hasta el surgimiento de burbujas.

Malo Hay presencia de corrosión. En los herrajes de la cadena comienza la aparición de escama y la expansión de la sección.

Crítico Hay presencia de corrosión. El herraje presenta una pérdida de espesor, hasta la pérdida casi completa del elemento.

C. Disección de los Aisladores

El objetivo de esta disección es evaluar el resultado del proceso de fabricación y validar si existe una asimetría entre el núcleo de fibra de vidrio y la cubierta polimérica. Adicionalmente, se evalúa el espesor de la cubierta polimérica donde lo recomendable es que ésta deba tener como mínimo 2 mm de espesor sobre el núcleo de fibra de vidrio, para aisladores de hasta 34,5 kV (ver figura 5).

Fig. 5. Corte Transversal de un Aislador.

D. Unión Polímero – Fibra de Vidrio – Herraje

Este es uno de los puntos más críticos de los aisladores poliméricos, ya que en este convergen tres materiales generándose una interfaz. Dicha unión se inspecciona visualmente y se valida si hubo alguna deformación o penetración de humedad. En las figuras 6, 7 y 8 se muestran los tres (3) tipos.

Falda del Aislador

Cubierta Polimérica

Núcleo de Fibra de Vidrio Centrada Simétricamente

4

Fig. 6. Unión Herraje - Polímero y Barra de Fibra de Vidrio para el modelo .

Fig. 7. Unión Herraje - Polímero y Barra de Fibra de Vidrio para el modelo .

Fig. 8. Unión Herraje - Polímero y Barra de Fibra de Vidrio para el modelo .

E. Análisis de las Distancias de Fuga y de Arco Seco

Se realiza una inspección visual con el fin de detectar huellas de Traking o Craking generados por corrientes de fuga externos al material polimérico y que pudiesen ser causados por la circulación de corriente de fuga. Adicionalmente, se pueden observar posibles huellas de flameo en el material polimérico o en herrajes, típicos de una descarga eléctrica.

V. RESULTADOS

A continuación se muestra las condiciones encontradas en las muestras sometidas a las condiciones ambientales del laboratorio natural.

A. Aislador con Herrajes de Acero Galvanizado (Modelo )

Los aisladores utilizados fueron modelo DS-28 establecidos en la norma [1], con distancias de fuga desde 550 mm hasta 660 mm y con herrajes de acero galvanizado con un mínimo de 95 micras de espesor. Para el caso de aisladores con exposiciones por 4 años se encontraron los herrajes en avanzado estado de deterioro, presentando corrosión y desprendimiento de la capa galvanizada tal como se establece en la Tabla III. Fig. 9. Aislador modelo expuesto por 4 años.

Con respecto al material polimérico el mismo no presentó

ningún tipo de degradación encontrándose en buen estado. En líneas generales, con los resultados obtenidos con este modelo de aislador, se puede concluir que en la Zona Norte del Zulia este aislador tendría una vida útil aproximada de unos 5 años por degradación de los herrajes a causa de la corrosión. De experiencias de campo, la degradación encontrada en los herrajes se llega a alcanzar en Maracaibo y en el resto del Zulia con un tiempo de exposición de más de 30 años. Por lo cual, se recomienda su utilización para todo el Zulia excepto en la zona norte.

B. Aislador con Herrajes Cubierto Totalmente por el Aislamiento Polimérico (Modelo )

El diseño de estos aisladores presentan los extremos recubiertos de polímero y aros de amarre (herraje) con la línea, en acero galvanizado y el material de aislamiento utilizado es de goma silicona. Se probaron aisladores con distancias de fuga desde 670 mm hasta 840 mm. Estos aisladores fueron instalados en Agosto del 2002. Luego de 18 meses instalados, mediante una inspección visual se encontró una serie de grietas profundas, roturas y desgastes del material polimérico. Una vez identificadas dichas anomalías se procedió a examinar los aisladores fallados (ver figura 10) mediante disección. Se detectó que las roturas del material polimérico fue causado por el roce de una de las terminaciones del aislador con el herraje de la cruceta (figura 10 B-6). La falla por erosión fue motivada al roce con el material arenoso en combinación con fuertes vientos (Sand Blasting) (figura 10 B-7). La tercera falla son las grietas profundas (craking) (figura

Goma Silicón

DiscosBarra de Fibra

de Vidrio

Herraje tipo horquilla con ojo

Herraje de Acero Galvanizado

Interfaz Herraje – Fibra de Vidrio – Polímero

Herraje Cubierto Totalmente de Material

Polimérico

Aro de Acero Inoxidable

A

A

B

C

Barra de Fibra de Vidrio

Polimérico Goma Silicón

Herraje Cubierto Parcialmente de

Material Polimérico

A

B

5

10 B-5), las cuales se inician en el extremo donde el aislador se encuentra con el conductor y en el herraje tipo aro de acero galvanizado. De los cortes realizados se detectó que la corriente de fuga circula entre la barra de fibra de vidrio y la cubierta polimérica (figura 10 B-2 y B-3) En función de las evidencias recabadas la mejor hipótesis planteada para esta grieta es que debido a los esfuerzos mecánicos se rompe el sello presente entre el aro de acero galvanizado y la cubierta polimérica, causando la entrada de la humedad y provocando descargas parciales entre la capa polimérica y la barra de fibra de vidrio.

Es de resaltar que estas fallas fueron repetitivas en todos los aisladores probados con este tipo de diseño. Adicionalmente al seccionar el aislador se encontró una asimetría en la inyección de la cubierta polimérica (figura 10 B-4). Como resultado, se obtuvo que el elemento aislante presenta un estado crítico al igual que los elementos metálicos (aro de acero galvanizado). Este análisis corrobora lo desarrollado en una investigación preliminar [4] sobre el comportamiento de este diseño de estos aisladores. A raíz de las fallas de los aisladores con herrajes cubiertos totalmente por polímero y aro de acero galvanizado, en el año 2005 se instalaron aisladores similares pero con aros de acero inoxidable.

Fig. 10. Aislador fallado modelo diseccionado.

A mediados del año 2007, se examinaron en campo encontrándose las mismas fallas que se presentaron con los aisladores con los herrajes en acero galvanizado. Como se observa en la figura 11, en ambos aisladores se presentan las

grietas profundas, a pesar que se utilizó un herraje de acero inoxidable. Como resultado se obtuvo que el elemento aislante presentó un estado crítico por tal motivo se descarta totalmente el uso de estos modelos de aisladores.

Fig. 11. B-1 Aro de Acero Galvanizado, B-2 Aro de Acero Inoxidable.

C. Aislador con Herrajes de Aleación de Aluminio Recubierto Parcialmente por el Aislamiento Polimérico (Modelo “C”)

El tiempo de exposición de este aislador fue de 4 años. Se utilizó un aislador modelo DS-46 con una distancia de fuga de 950 mm. La intención de probar este diseño, fue la de someter los herrajes de aleación de aluminio a las condiciones reales de la zona. Como se observa en la figura 12 los elementos metálicos se encontraron en un estado regular, presentando una pequeña pérdida de material y una coloración de corrosión por efectos del roce con el herraje de acero galvanizado corroído.

Por tal motivo se recomienda el uso de herrajes de aleación de aluminio para región Nor-Occidental de Venezuela.

Fig. 12. Herrajes de aleación de aluminio expuesto por 4 años.

Con respecto al material polimérico el mismo presentó una mala condición de erosión (Fig. 13 C-1), una perforación del aislamiento (Fig. 13 C-2) y separación de la capa polimérica del herraje (Fig. 13 C-3 y C-4). Tal como se muestra en la figura 13. Por la motivo no es recomendado el uso de aisladores poliméricos con el herraje recubierto parcialmente ya que presenta problemas de adhesión lo cual permite la entrada de humedad.

B

6

Fig. 13. C-1 Erosión, C-2 Perforación,

C-3 y C-4 Separación de la capa polimérica del herraje de aluminio.

VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El uso de materiales aislantes con las propiedades hidrofóbicas permite reducir la distancia de fuga, mejorar la coordinación de aislamiento y reduce los costos del mantenimiento ya que no requiere lavado artificial.

En función del aprendizaje obtenido a través de las pruebas de campo en aisladores poliméricos tipo suspensión o amarre se encontró un buen comportamiento con respecto al material aislante de goma silicón, y con las características establecidas en los aisladores modelo el cual corresponde al DS-28 de la norma ANSI C29.13-2000.

Para el caso evaluado y en función de los resultados obtenidos se decidió reducir la distancia de fuga de 863,60 mm utilizada con dos campanas cerámicas a 550 mm con un aislador polimérico sin la necesidad de hacer mantenimientos preventivo (lavado).

Se recomienda el uso de los aisladores con herrajes en acero galvanizado con 95 micras de espesor para toda la región Nor-Occidental de Venezuela excepto para región de la Guajira, siendo lo recomendado la utilización de aisladores poliméricos con herrajes en aleación de aluminio por los altos niveles de corrosión.

Queda descartada el uso de aisladores con sus terminaciones (herrajes) cubiertos por polímero totalmente tanto con buje de acero galvanizado y en acero inoxidable motivado una falla de origen mecánico presentadas en la unión polímero – fibra de vidrio – herrajes (bujes) (modelo ).

No es recomendado el uso de aisladores con herrajes recubiertos por material polimérico de manera parcial ya que como se demostró se presentó problemas de adhesión entre ambos materiales (modelo ).

Se recomienda aplicar la metodología desarrollada en este trabajo en regiones del mundo donde las condiciones ambientales tales como contaminación ambiental, corrosión y “sand blasting” estén presente de manera extrema, y se requiera implementar nuevos diseños de aisladores poliméricos, con el fin de de detectar fallas y puntos de mejora antes de una implementación masiva.

VII. REFERENCIA

Normas: [1] ANSI C29.13-2000, “American Nacional Standard for Insulator –

Composite Distribution Deadend Type”. [2] IEC 61109-1995, “Composite insulators for A.C. overhead lines with a

nominal voltage greater than 1000 V, Definitions, Test Methods and Acceptance Criteria”.

[3] IEC 60815-1986, “Guide for the selection of insulators in respect of polluted conditions“.

Artículo Publicado en Congreso: [4] C. Blanco, C. Vásquez, M. Carrillo, G. Gonzalez, C. Alfonso,

“Caracterización de Fallas en la Interfase de Materiales en Aisladores no Cerámicos”, ALTAE 2005.

VIII. BIOGRAFÍA

Augusto Abreu. Ingeniero Electricista de la Universidad Rafael Urdaneta. Su experiencia profesional abarca la Planificación de redes de Distribución y Transmisión, Calidad de Potencia Eléctrica, Ingeniería Forense, Ingeniería de Mantenimiento, Diseño de Especificaciones Técnicas de Materiales y Equipos. Actualmente desempeña como

Jefe del área de Ingeniería de Transmisión en la empresa CORPOELEC - C.A. ENERGÍA ELECTRICA DE VENEZUELA (ENELVEN). Correos electrónicos: aabreu@enelven.com.ve augustoabreu@cantv.net augustoabreu@hotmail.com Teléfonos: 58-0261-7901332 (Oficina) 58-0416-6609133 (Móvil)

A

B

C

7

Artículo publicado y presentado en el “XXX Congreso Centro Americano y Panamá (XXX CONCAPAN 2010)” en la ciudad de San José, Costa Rica. Congreso organizado por la sección IEEE de Costa Rica (www.concapan.com)