INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/7166/1/29.pdf ·...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

“Diseño de un Aislador No-Cerámico con Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

JAVIER JIMÉNEZ MARTÍNEZ ALAN DAVID RODRÍGUEZ CANO

ASESORES: DR. FERMÍN PASCUAL ESPINO CORTES ING. EDUARDO SILVA DORAY ESPINOSA

México, DF, Agosto 2010

-. . ..'-~- .,

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y.ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LOPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRIOSfA POR LA OPCION DE TITULACION TESISCOLECTIVAy EXAMENORALINDIVIDUAL DEBERA(N) DESARROLLAR

c.JAVIERJIMENEZMAlITÍNEZ AlANDAVIDRODRIGUEZCANO

"DISEÑO DE UN AISLADOR NO-CERÁMICO CON SISTEMAS~bE ATENUACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO".

" . ... .

,.•»> :

.... " rl. ,

~ AISLADORES,NO CERAMICOS. .. ' :. .' , " , ~ DISTRIBUCION DEL CAMPO ELECTRICe EN AISLADORES NO-CERAMICOS.

_ . , ~ . . , r '~ c;,. _ _ • :' r ;.:.

~ DISENO DE SIS'FEMAS DE GRADUACION -DEL CAMPO 'EI::ECT RICO EN AISLADORES NOCERÁMICOS. - " . ' ' ,. .

~ JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA

: . A 14 DE JUNIO DE 2010

ASESORES

~Á~ DR. FERM1N PASCUAL ESPINO CORTES

/ "

r ~ )- "",.. " ," "~.\\\\DOS.4f...:~('.,.

~~" ~~, ;e", ~~-e =10/ "' ...

ING. ENRIQUE MARTINEZ ROLDAN lit ~ JEFE DEL DEPARTAMENTO ACADÉMIC' ,- ~

DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. .,,' "'.1 JEFATURADE.... INGENIERIA ELEC11tICA

i

RESUMEN

En el presente trabajo se desarrolla una investigación sistemática que permite obtener

mediante el modelado en un paquete computacional, un diseño de aislador polimérico de

115 kV con las propiedades que permiten atenuar la alta concentración de campo eléctrico

en el extremo energizado del aislador.

Se analizan las propiedades del material polimérico aislante que pueden ayudar a controlar

la intensidad del campo eléctrico en la superficie del aislador.

Determinar dichas propiedades es un proceso que requiere del análisis de datos obtenidos a

partir del modelado del aislador en condiciones normales de operación, magnitudes y

distribución del campo eléctrico tangencial, así como del potencial eléctrico en la superficie

del aislador, indican la efectividad del material.

Se muestra como la incorporación de un anillo equipotencial, la modificación de la

permitividad eléctrica del material y la modificación de la geometría del aislador,

contribuyen a mejorar la distribución del campo eléctrico tangencial, así como hacer más

suave la caída de potencial eléctrico a lo largo de la superficie del aislador.

El modelado del aislador, se realiza empleando el paquete computacional Comsol 3.5, que

emplea el método de elemento finito, el cual es un método numérico para la aproximación

de soluciones de ecuaciones diferenciales parciales.

Los resultados muestran que la permitividad eléctrica del material y la geometría de los

faldones del aislador son determinantes para atenuar la concentración del campo eléctrico,

se necesitan valores muy altos de permitividad eléctrica para lograr resultados aceptables,

sin embargo combinándose con una adecuada geometría en los faldones, la atenuación

mejora satisfactoriamente.

ii

AGRADECIMIENTOS

Primeramente quiero agradecer a Dios por darme la oportunidad de culminar mis estudios a

nivel Licenciatura y compartir este gozo con los míos.

A mi Padres;

Por la motivación que son para mí, porque sus consejos, críticas y demás fueron muy útiles

en mi formación profesional en los momentos más difíciles. Mi admiración a ustedes.

A mis familiares y amigos;

Por el cariño y apoyo mostrado en todo este tiempo.

A mi Asesor;

Gracias por hacerme parte de este proyecto, por su paciencia, interés y dedicación a la

ejecución del mismo y sobre todo por enseñarme que la vida es un constante aprendizaje.

Muchas gracias.

A todos y cada uno de ustedes que me apoyaron y me brindaron su confianza, me encuentro

eternamente agradecido y aquí está el resultado.

iii

ÍNDICE

Capítulo 1 Introducción ..................................................................... 1

1.1. Objetivo General .................................................................................................................................... 2

1.2. Objetivos Particulares. .......................................................................................................................... 2

1.3. Antecedentes .......................................................................................................................................... 3

1.4. Justificación .......................................................................................................................................... 9

1.5. Aportaciones ......................................................................................................................................... 11

1.6. Alcances ............................................................................................................................................... 12

1.7 Estructura del reporte .......................................................................................................................... 13

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos ..............................................14

2.1. Introducción ........................................................................................................................................ 15

2.2. Aisladores para Sistemas Eléctricos de Potencia ............................................................................... 16

2.3. Aisladores Cerámicos .......................................................................................................................... 16

2.3.1. Aislador de Soporte o Rígido ........................................................................................................ 17

2.3.2. Aislador de Cadena o Suspensión ................................................................................................. 18

2.3.2.1. Caperuza-Vástago .................................................................................................................. 21

2.3.2.2. Campana (discos) .................................................................................................................. 21

2.3.2.3. Langstab ................................................................................................................................. 22

2.3.3. Aislador de Tensión o Amarre ....................................................................................................... 23

2.3.4. Aislador Pirex ............................................................................................................................... 24

2.4. Aisladores No-Cerámicos .................................................................................................................... 25

2.4.1. Herraje Terminal ........................................................................................................................... 26

2.4.2. Varilla ............................................................................................................................................ 27

2.4.2.1. Varillas Para la Aplicación de Tensión .................................................................................. 28

2.4.2.2. Varillas Para la Aplicación de Flexión .................................................................................. 28

2.4.3. Revestimiento ................................................................................................................................ 29

2.4.4. Hidrofobicidad .............................................................................................................................. 31

iv

2.4.5. Cualidades de Resistencia al Envejecimiento ............................................................................... 32

2.4.6. Aisladores Poliméricos Para Distribución .................................................................................... 36

2.4.6.1. Aislador de Retención y Suspensión ....................................................................................... 36

2.4.6.2. Aislador Para Montaje Rígido (Tipo Line Post) .................................................................... 36

2.4.6.3. Aislador para Montaje Rígido (Tipo Pin) .............................................................................. 37

2.4.7. Manual de Manipulación Para Aisladores Poliméricos ............................................................... 38

2.4.7.1. Instrucciones .......................................................................................................................... 39

2.4.7.2. Recomendaciones ................................................................................................................... 39

Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-

Cerámicos .........................................................................................41

3.1. Introducción ........................................................................................................................................ 42

3.2. Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos ....................................................... 43

3.2.1. Descargas Parciales ...................................................................................................................... 43

3.2.2. Efecto Corona ............................................................................................................................... 44

3.3. Modelado de la Distribución del Campo Eléctrico a lo Largo del Aislador ...................................... 49

3.3.1. Modelado del Campo Eléctrico en Materiales Atenuadores .......................................................... 50

3.4. Anillos Equipotenciales (Anillo Corona) ............................................................................................ 54

3.5. Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos con Anillo Equipotencial ............. 55

3.6. Modelado de la Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos con Anillo

Equipotencial ............................................................................................................................................... 56

Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo

Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos ...........................................59

4.1. Introducción ........................................................................................................................................ 60

4.2. Materiales Para la Atenuación del Campo Eléctrico ......................................................................... 61

4.2.1. Materiales de Conductividad Eléctrica No-lineal. ........................................................................ 61

4.2.2. Materiales de Alta Permitividad Eléctrica .................................................................................... 63

4.3. Modelado de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico con Alta Permitividad Eléctrica. ......... 65

v

4.4. Distribución del campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos Aplicando el Principio de Refracción

Dieléctrica .................................................................................................................................................... 72

4.5. Modelado de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico con Refracción Dieléctrica .................. 74

Capítulo 5 Justificación Económica ...............................................81

Capítulo 6 Conclusiones y Recomendaciones Para Trabajos

Futuros ..............................................................................................86

6.1. Conclusiones ........................................................................................................................................ 87

6.2. Recomendaciones Para Trabajos Futuros .......................................................................................... 89

Referencias .................................................................................................................................................. 90

vi

Lista de Figuras

Figura 1-1. Diseño típico de un aislador no-cerámico. .................................................................................... 5

Figura 2-1. Diferentes diseños de aislador de porcelana. ................................................................................ 17

Figura 2-2. Aislador rígido. ............................................................................................................................. 17

Figura 2-3. Elementos de un aislador de cadena. ............................................................................................ 20

Figura 2-4. Aislador de suspensión colocado en una línea de transmisión. .................................................... 20

Figura 2-5. Aislador de suspensión tipo caperuza-vástago. ............................................................................ 21

Figura 2-6. a) Aislador de suspensión tipo campana de porcelana y, b) Aislador de suspensión tipo campana

de vidrio. ........................................................................................................................................................... 22

Figura 2-7. Aislador de suspensión tipo langstab. ........................................................................................... 22

Figura 2-8. Aislador de suspensión tipo bola o rótulo. .................................................................................... 23

Figura 2-9. Aislador de tensión o amarre. ....................................................................................................... 24

Figura 2-10. Aislador en cadena de amarre .................................................................................................... 24

Figura 2-11. Elementos de un aislador compuesto. ......................................................................................... 25

Figura 2-12. Modelos típicos de herrajes terminales....................................................................................... 26

Figura 2-13. Ejemplos para dimensiones de varillas. ...................................................................................... 27

Figura 2-14. Con el uso de vidrio E-CR no hay rotura frágil. ......................................................................... 28

Figura 2-15. Corte transversal de un aislador tipo poste para líneas aéreas después del “modo de fallo no

peligroso”. ........................................................................................................................................................ 29

Figura 2-16. Uso de material para el revestimiento para aisladores compuestos > 100 kV. .......................... 30

Figura 2-17. Comportamiento hidrofílico de la superficie............................................................................... 31

Figura 2-18. Comportamiento hidrófobico de la superficie. ............................................................................ 31

Figura 2-19. Comportamiento de erosión de aisladores de hule silicón no cargados (superior) y hule silicón

enriquecida óptimamente (inferior). ................................................................................................................. 33

Figura 2-20. Efecto hidrófobico de la superficie de hule silicón sin contaminación. ..................................... 34

Figura 2-21. Efecto hidrófobico de la superficie de hule silicón con contaminación. ..................................... 34

Figura 2-22. Aislador polimérico tipo retención y/o suspensión. .................................................................... 36

Figura 2-23. Aislador polimérico tipo LP. ....................................................................................................... 37

Figura 2-24. Aislador polimérico tipo pin........................................................................................................ 37

Figura 3-1. Espectro de la radiación emitida por el efecto corona. ............................................................... 46

Figura 3-2. Aislador de 115 kV presentando efecto corona en los faldones 1 y 2. ........................................... 48

Figura 3-3. Aislador de 115 kV presentando mayor efecto corona en el faldón 1........................................... 48

Figura 3-4. Aislador de 115 kV presentando efecto corona en el faldón 1 y en el herraje principalmente. .... 48

Figura 3-5. Distribución de líneas equipotenciales en el extremo energizado de un aislador. ........................ 49

Figura 3-6. Campo eléctrico tangencial sin sistema de atenuación................................................................. 52

vii

Figura 3-7. Potencial eléctrico sin sistema de atenuación............................................................................... 53

Figura 3-8. Aisladores poliméricos con anillo equipotencial en líneas de 115 kV. .......................................... 55

Figura 3-9. Distribución de líneas equipotenciales en el extremo energizado de un aislador con anillo

equipotencial. ................................................................................................................................................... 56

Figura 3-10. Campo eléctrico tangencial con anillo equipotencial como sistema de atenuación. ................. 57

Figura 3-11. Potencial eléctrico con anillo equipotencial como sistema de atenuación. ................................ 58

Figura 4-1. Líneas equipotenciales en un ANC, con un valor de permitividad de 3. ....................................... 65

Figura 4-2. Líneas equipotenciales en un ANC, con un valor de permitividad de 10. .................................... 65

Figura 4-3. Líneas equipotenciales en un ANC, con un valor de permitividad de 20. ..................................... 66

Figura 4-4. Líneas equipotenciales en un ANC, con un valor de permitividad de 100. ................................... 66

Figura 4-5. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 3. ..... 67

Figura 4-6. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 10. .. 67


Figura 4-8. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 100. 68

Figura 4-9. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 3. .............................................. 69

Figura 4-10. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 10 ........................................... 70

Figura 4-11. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 20. ........................................... 70

Figura 4-12. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 100. ....................................... 71

Figura 4-13. Materiales con diferente permitividad situados entre 2 electrodos planos paralelos. ................ 72

Figura 4-14. Líneas equipotenciales en un ANC, modificando la geometría del primer faldón y una

permitividad de 3. ............................................................................................................................................. 74


permitividad de 10. ........................................................................................................................................... 75


permitividad de 20. ........................................................................................................................................... 75


Figura 4-18. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 10. . 76

Figura 4-19. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 20. . 77

Figura 4-20. Campo eléctrico tangencial en la vecindad del punto triple. ...................................................... 78

Figura 4-21. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 3. .............................................................. 79

Figura 4-22. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 10. ............................................................ 79

Figura 4-23. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 20. ............................................................ 80

Figura 5-1. Hoja de características técnicas de aisladores marca Ohio-Brass. .............................................. 83

viii

Lista de Tablas

Tabla 2-1. Comportamiento de la superficie versus material. .......................................................................... 32

Tabla 2-2. Comparación de las propiedades de las diferentes clases de hule silicón. ..................................... 35

Tabla 4-1. Valores de permitividad de materiales sólidos. ............................................................................... 64

Tabla 4-2. Valores de inicio del campo eléctrico tangencial para los diferentes valores de permitividad. ...... 78

Tabla 5-1. Presupuesto requerido para la realización del proyecto. ................................................................ 84

ix

Glosario de Términos

Aislador: Dispositivo de material aislante empleado para soportar los conductores

eléctricos de las líneas eléctricas de transmisión y distribución.

Aislante: Material que impide la transmisión de la energía en cualquiera de sus formas.

ANC: Aislador No-Cerámico.

Anillo Equipotencial: Elemento metálico que se emplea en aisladores para reducir la

concentración del campo eléctrico y que se encuentra al mismo potencial del herraje por

estar a este mecánicamente sujeto.

ANSI: American National Standards Institute.

Atenuación de Campo Eléctrico: Reducción de la intensidad del campo eléctrico en las

zonas de mayor concentración.

ATH: Alumina Tri-Hidratada.

BaTiO3: Titanato de Bario.

Capacitancia: Razón entre la magnitud de la carga de cualquiera de los conductores y la

magnitud de la diferencia de potencial entre ellos.

CE: Campo Eléctrico.

Componente Tangencial del Campo Eléctrico: Componente local del campo eléctrico

que se encuentra en dirección tangencial a la superficie del material sometido a la acción de

dicho campo.

http://enciclopedia.us.es/index.php/Aislante_el%C3%A9ctrico

http://enciclopedia.us.es/index.php/Conductor_el%C3%A9ctrico

http://enciclopedia.us.es/index.php/Conductor_el%C3%A9ctrico

http://enciclopedia.us.es/index.php?title=Transmisi%C3%B3n_de_electricidad&action=edit&redlink=1

http://enciclopedia.us.es/index.php?title=Distribuci%C3%B3n_de_electricidad&action=edit&redlink=1

x

Compósito: Cualquier material constituido por más de un componente.

Dieléctrico: Material que es mal conductor de la electricidad y que no permite que un

campo eléctrico lo atraviese o penetre.

Descarga Parcial (D.P.): Fenómeno de ruptura eléctrica que está confinado y localizado en

la región de un medio aislante, entre dos conductores que se encuentran a diferente

potencial. Se dice que es parcial, ya que existe un aislamiento sólido en serie y con la parte

defectuosa que evita una ruptura completa del dieléctrico.

Efecto Corona: Es la ionización del aire que rodea a los conductores de alta tensión o

incluso en la superficie de materiales aislantes sólidos con un alto campo eléctrico.

EPDM: Etrileno Propileno Dieneo Monómero.

Herraje: Elemento metálico de sujeción que se emplea para la instalación de un aislador

con la torre y con la línea.

Hidrofobicidad: Capacidad de cualquier material para repeler el agua.

HTV: Vulcanización a Alta Temperatura.

IEC: International Electrotechnical Commission.

Líneas Equipotenciales: Líneas imaginarias que unen los puntos que se encuentran al

mismo potencial eléctrico en un material dieléctrico.

LSR: Silicón Líquido.

Nano Partícula: Partícula microscópica con por lo menos una dimensión menor que 100

nano metros.

xi

Permitividad: Medida de la facilidad de polarización de un material en un C E.

Pultrusión: Proceso productivo de conformado de materiales plásticos termo rígidos para

obtener perfiles de plástico reforzado, de forma continua, sometiendo las materias primas a

un arrastre y parado por operaciones de impregnado, conformado, curado y corte. Este

proceso se caracteriza por un buen acabado superficial.

Punto Triple: Lugar geométrico donde convergen tres materiales con diferente

permitividad.

Refracción Dieléctrica: Fenómeno en el que la componente tangencial del campo eléctrico

disminuye para ángulos menores a 90°, formados entre dos materiales dieléctricos con

diferente permitividad.

RTV: Vulcanización a Temperatura Ambiente

SiC: Carburo de Silicio

Siloxano: Vulgarmente conocido como silicón, es un compuesto que presenta una cadena

de silicio y oxígeno, semejante a los hidrocarburos lineales porque el silicio tiene cuatro

enlaces igual que el carbono. De esta forma, cada átomo de silicio está unido a cuatro

átomos de oxígeno.

Superficie Equipotencial: Lugar geométrico donde el potencial eléctrico tiene el mismo

valor numérico.

Varistor: Material cuya resistencia óhmica disminuye cuando la tensión que se le aplica

aumenta.

ZnO: Óxido de Zinc.

http://es.wikipedia.org/wiki/Termorr%C3%ADgido

http://es.wikipedia.org/wiki/Perfil

Capítulo 1 Introducción

1



2

1.1. Objetivo General

Proponer el diseño y propiedades del material aislante, para la atenuación del campo

eléctrico en la superficie de un aislador no cerámico, por medio de la simulación en

un paquete computacional.

1.2. Objetivos Particulares.

Modelar la distribución del campo eléctrico (CE), en aisladores no cerámicos

(ANC‟s).

Determinar las propiedades de materiales compuestos, que permitan obtener una

distribución más uniforme del CE en la superficie del ANC.

Proponer un diseño de ANC con sistemas que contribuyan a la atenuación del CE.


3

1.3. Antecedentes

Los aisladores no cerámicos (ANC‟s) o poliméricos fueron diseñados en los años sesenta

para remplazar a las pesadas cadenas de aisladores cerámicos en sistemas de ultra alta

tensión. Con el tiempo el interés por construir líneas de ultra alta tensión se fue perdiendo

pero no por los ANC‟s. Con la continua evolución y uso cada vez más frecuente de los

ANC‟s se han ido evidenciado ventajas adicionales a la de su bajo peso. Una de estas

ventajas es su buen desempeño en ambientes contaminados, el cual está asociado a la gran

hidrofobicidad superficial del material polimérico, la cual reduce la formación de películas

continuas de contaminante húmedo. Las películas continuas de contaminante húmedo son

el camino para pequeñas corrientes de fuga que con el tiempo pueden llegar a producir la

falla completa del aislador. Al reducirse las corrientes de fuga se reduce la probabilidad de

falla del aislador. Sin embargo, el envejecimiento de los materiales poliméricos, es decir la

pérdida gradual de sus propiedades, sigue siendo un problema que en cierta medida ha

limitado el remplazo total de los aisladores cerámicos por aisladores poliméricos.

La exposición prolongada a la contaminación y a descargas eléctricas superficiales son dos

de las causas principales del envejecimiento en los aisladores poliméricos. En el caso de las

descargas eléctricas estas son provocadas por distribución no uniforme del campo eléctrico

a lo largo del aislador o por un campo eléctrico local intenso en presencia de contaminante

húmedo. En el primer caso, la distribución del campo eléctrico es determinada por la

geometría y la distribución capacitiva a lo largo del aislador, mientras que en el segundo

caso el reforzamiento del campo eléctrico depende de la formación de bandas secas bajo

humedad y contaminación. Para reducir los problemas ocasionados por descargas

superficiales existen dos opciones: [1]; (1) reducir la intensidad del campo eléctrico en la

superficie del aislador por debajo del valor de incepción de descargas y, (2) modificar las

propiedades de los materiales, mediante la adición de rellenos inorgánicos, para resistir un

posible daño por las descargas.

Dos de los materiales compuestos que pueden ser utilizados para la atenuación del campo

eléctrico son: a) Compósitos con propiedades de varistor y b) Compósitos de alta


4

permitividad. Micro-aglomerados con propiedades de varistor son producidos mediante

métodos químicos utilizando óxidos como precursores. Estos aglomerados son dispersados

en hule silicón para preparar el compósito. Para el caso de materiales compuestos de alta

permitividad, una opción es el uso del Titanato de Bario (BaTiO3) en una matriz

polimérica. Dichas formulaciones son diseñadas para obtener alta permitividad con las

menores perdidas dieléctricas posibles. El tamaño de las partículas influye

significativamente en las propiedades dieléctricas, por lo que actualmente se investiga el

uso de nano-partículas que pudieran representar algunas ventajas sobre el trabajar con

micro-partículas. El polvo cerámico es dispersado en hule silicón para elaborar el

compuesto. Para determinar las condiciones óptimas de dispersión de los rellenos

cerámicos (ya sea el polvo de alta permitividad o varistor) en la matriz de siloxano, las

soluciones se caracterizarán de la manera más completa posible. Existe aun la necesidad de

determinar si los materiales compuestos para la atenuación del campo eléctrico deben de

ser aplicados como una capa continua a lo largo de todo el aislador o si es conveniente

aplicarlos solo en secciones definidas del mismo. Se requiere proponer y probar

experimentalmente nuevos. Los resultados obtenidos durante las investigaciones que se

vayan desarrollando serán de interés para la industria eléctrica nacional, ya que al contar

con un aislador no-cerámico con mejores características y más confiable, fomentará su uso

no solo en puntos con contaminación ambiental extrema, sino en la construcción de nuevas

líneas de transmisión o en el redimensionamiento de las ya existentes, logrando un ahorro

considerable en comparacion con el uso de aisladores cerámicos o de vidrio.

La construcción típica de un aislador no-cerámico (ANC) o polimérico se muestra en la

Figura 1[2]. La cubierta polimérica tiene como objetivo principal proteger a la barra de

fibra de vidrio de la intemperie pero además proporciona una mayor distancia de fuga e

incrementa la rigidez dieléctrica bajo las condiciones ambientales como son humedad,

lluvia, contaminación etc. En aisladores no-cerámicos está cubierta es comúnmente de dos

tipos de materiales: EPDM (Etrileno Propileno Dieneo Monómero) y hule silicón. Existen

diferentes fenómenos que con el tiempo van dañando está cubierta, pero se considera que

las descargas eléctricas superficiales son una de las causas principales de deterioro.


5

Las descargas superficiales son en la mayoría de los casos provocadas por una distribución

no uniforme del campo eléctrico, que se concentra en los extremos, o por intensificación

del campo eléctrico local cuando se combinan contaminación y humedad.

Herrajes

UnionesFaldones

poliméricos

Figura 1-1. Diseño típico de un aislador no-cerámico.

Actualmente, para evitar una rápida degradación de la superficie polimérica por descargas

superficiales se recurre al uso de rellenos tales como sílica y alúmina tri-hidratada. Sin

embargo, la necesidad de mejorar aun más la resistencia a las descargas ha hecho crecer el

interés por el uso de nano compuestos en el aislamiento de sistemas eléctricos de alta

tensión. En los primeros trabajos de investigación se han registrado inconsistencias en

cuanto a las mejoras en las propiedades por lo que estos compósitos no han sido incluidos

aun en los diseños comerciales de aisladores. La discrepancia en cuanto a resultados se ha

adjudicado a que en algunos casos no se ha logrado tener una distribución uniforme del

relleno en el compósito. Es por esto que existe una gran necesidad por encontrar métodos

alternativos para obtener una mejor dispersión de las nano-partículas.

Para llegar a plantear un diseño de aislador con mejoras significativas con el uso de nano

materiales se requiere de una investigación lo más completa posible. Sin embargo, el

incrementar solo la resistencia a las descargas parciales no es suficiente, también se

requiere evitarlas. El uso de materiales atenuadores del campo eléctrico representa una


6

solución complementaria que, junto con el incremento de la resistencia a descargas

superficiales, servirá para obtener diseños de aisladores lo suficientemente confiables.

Ambas soluciones requieren de un trabajo considerable por lo que para poder obtener

avances importantes en un tiempo razonable se requiere del trabajo conjunto de

investigadores con experiencia en todas las áreas de conocimiento involucradas.

Existe una búsqueda continua por realizar mejoras significativas al diseño de ANC que

lleven a generar más confianza en los usuarios de este elemento del sistema de aislamiento.

Una de las contribuciones importantes han sido los resultados obtenidos por investigadores

de Canadá, que han mostrado que la resistencia a las descargas superficiales de compuestos

de hule silicón se mejora incrementando la conductividad térmica de los materiales

[Meyer].

Los rellenos inorgánicos (sílica y ATH) utilizados en una primera fase de su investigación

fueron de tamaño micrométrico, encontrando que la conductividad térmica incrementa con

la cantidad de micro partículas, hasta un punto donde el procesamiento del compuesto lo

permite. Recientemente se han iniciado investigaciones en el uso de nano partículas

mezcladas con micro partículas encontrando resultados prometedores.

Por otro lado, existe poco trabajo enfocado a la investigación y desarrollo de nano y micro

compuestos que puedan ser utilizados para atenuar el campo eléctrico en las superficie del

aislador. Esta alternativa se enfoca en reducir la intensidad de campo eléctrico en la

superficie del aislador.

Aunque el concepto de atenuación del campo eléctrico con materiales compuestos es una

técnica bien conocida en terminales de cables y bobinas de mediana tensión [3,4], este

concepto no ha llegado a ser aplicado todavía en aisladores o boquillas con cubiertas

poliméricas donde las propiedades requeridas son diferentes.

El uso de compósitos con alta permitividad, basados en materiales ferroeléctricos, se ha

considerado como una buena opción para el control del campo eléctrico en aisladores. Los


7

materiales ferroeléctricos exhiben una muy alta permitividad por lo que se considera que

con la adición de este relleno en cantidades que no comprometan el moldeado y las

propiedades mecánicas del compósito se pueden obtener buenos resultados. Uno de estos

materiales es el Titanato de Bario (BaTiO3) [5]. El BaTiO3 es un material ferroeléctrico

bien conocido que puede llegar a tener un valor de permitividad relativa de alrededor de

6000 para partículas del orden de 1 μm de tamaño, reduciéndose a 1500 – 2000 para

partículas más grandes [6]. El dopaje del BaTiO3, con diferentes elementos, es utilizado

para modificar sus propiedades dieléctricas [6,7]. El dopaje se obtiene usualmente mediante

un proceso de difusión térmica en un horno con lo cual se pueden modificar la permitividad

relativa y las perdidas dieléctricas del BaTiO3. Se han reportado valores de permitividad de

hasta del orden de 105 en BaTiO3 dopado [6,7,8], aunque muy probablemente con pérdidas

dieléctricas considerables. En el caso de atenuación del campo eléctrico, a diferencia de

otras aplicaciones, ciertas pérdidas dieléctricas pueden ser aceptables. Modificando el

dopaje del BaTiO3 se puede llegar a obtener materiales compuestos con características

interesantes para ser usados en el control del campo eléctrico. Un trabajo realizado en la

Universidad de Waterloo [5], demostró que incrementando la permitividad relativa de un

compuesto de hule silicón con BaTiO3 se puede reducir la intensidad del campo eléctrico en

la superficie del aislador. No obstante, debido a que el valor máximo de permitividad

relativa obtenido sin incrementar considerablemente la fracción volumétrica de relleno o las

pérdidas dieléctricas fue de 15, no se obtuvo una reducción significativa. El material

utilizado no fue dopado por lo que la opción de modificar las propiedades del polvo, previo

a la producción del compósito, requiere de ser investigada.

Otro tipo de material compuesto que ha sido propuesto para el control del campo eléctrico

en aisladores es el oxido de zinc como varistor [9]. Micro-aglomerados con propiedades de

varistor, basados en ZnO, son actualmente utilizados en compuestos poliméricos en

terminales de cables de mediana tensión. El material varistor de ZnO se caracteriza por

tener una marcada dependencia de su conductividad eléctrica con la intensidad del campo

eléctrico. Este material se comporta como aislante para una baja tensión o campo eléctrico,

pero comienza a conducir a cierto valor. Esta característica fue descubierta por Matsuoka

[10] en los años setenta. Varistores de ZnO han sido ampliamente usados para estabilizar la


8

tensión y suprimir sobretensiones en circuitos electrónicos y sistemas eléctricos de potencia

(apartarrayos). El oxido de zinc es el componente principal (98% Mol); sin embargo, los

aditivos (2% Mol) son una parte esencial para producir el comportamiento de varistor del

material [11]. El ZnO como varistor es usualmente preparado con polvo de ZnO mezclado

con los aditivos en agua, entonces la solución es molida para obtener el tamaño de

partículas requerido. El material es entonces secado al vacío para obtener aglomerados de la

mezcla que se comprimen para formar discos o tabletas. Estos comprimidos son

sinterizados en un horno a temperaturas de 973 a 1173 K. Durante este último proceso, los

granos de ZnO son rodeados por capas delgadas de óxidos de los aditivos, formando una

capa aislante en las fronteras de los granos [12]. La fronteras aislantes que se forman son

barreras de potencial que requieren de una tensión de aproximadamente 3V entre granos

para que, por efecto túnel, electrones puedan cruzarla incrementando rápidamente la

conductividad del material.

El uso de materiales compuestos con ZnO como varistor en aisladores requiere de un

trabajo extenso, pues hasta ahora solo se han discutido las posibles ventajas del uso de este

material, pero no se han realizado una investigación sistemática que verifique su viabilidad

en aisladores para sistemas eléctricos de potencia.


9

1.4. Justificación

Las salidas de líneas de transmisión y distribución pertenecientes al sistema eléctrico

nacional de nuestro país, tienen como una de sus principales causas la falla del sistema de

aislamiento, el cual se encuentra conformado por el conjunto de aisladores con sus

respectivos accesorios.

La ruptura eléctrica en la superficie de aisladores, muchas veces facilitada por la

contaminación ambiental, se ha reportado como una causa común de interrupción del

servicio eléctrico. Las compañías de transmisión de energía eléctrica, en busca de reducir

las salidas de su sistema y las grandes pérdidas económicas asociadas a ello, han tomado

como alternativa el cambio de los aisladores cerámicos o de vidrio por aisladores no-

cerámicos o poliméricos. El uso creciente de ANC‟s ha llevado a que en países como

Estados Unidos ya no se fabrique aisladores cerámicos o de vidrio, y solo existan

fabricantes de aisladores poliméricos.

Aunque con ANC‟s se ha mejorado la continuidad del servicio en algunos puntos

determinados de nuestro sistema eléctrico, se han llegado a tener problemas con estos

aisladores, que evidencian la necesidad de producir mejoras a esta tecnología. El trabajo de

investigación propuesto resulta oportuno y original ya que con el auge de la

nanotecnología, existe bastante interés por los fabricantes de aisladores en utilizar

materiales nano-compuestos, para producir mejoras en sus productos.

Los trabajos relacionados con el uso de nano-compuestos en ANC‟s, se han concentrado en

mejorar la resistencia a las descargas superficiales; sin embargo esto no es suficiente para

un óptimo desempeño del mismo, en cuanto no se logre disminuir la concentración de

campo eléctrico en determinadas zonas del aislador.

Los ANC‟s proporcionan diversas ventajas respecto a los aisladores cerámicos, sin embargo

aún no se ha podido reemplazar al 100% estos últimos. Lo anterior se debe a que con los

aisladores cerámicos se tiene una larga experiencia y en muchas ocasiones no se desea


10

correr riesgos con nuevas tecnologías. Para poder entonces emplear ANC‟s con mas

confianza en su desempeño es necesario al igual que con sus antecesores, determinar diseño

y parámetros que les permitan tener un desempeño más adecuado.

Recientemente la Comisión Federal de Electricidad (CFE), elaboró una especificación para

aisladores no cerámicos, basada en los requerimientos de prueba establecidos por la norma,

IEC1109, en adición a algunos criterios dimensionales (longitud, distancia de fuga, valores

dieléctricos y mecánicos, etc.) que deben tomarse en cuenta.


11

1.5. Aportaciones

Se presenta un modelo de aislador no cerámico, en el cual mediante la aplicación de

sistemas de atenuación combinados, se busca una mejor distribución del campo eléctrico en

toda la longitud del aislador. De acuerdo a los datos analizados, el uso del anillo

equipotencial mejora la distribución del campo eléctrico. Por otro lado, el modificar las

características de los materiales compuestos para lograr valores altos de permitividad, es

buena opción, pero ésta por sí sola no representa gran mejoría, debido a los valores bajos

que se pueden conseguir actualmente y por último al modificar la geometría del aislador,

también se obtiene una mínima mejoría.

Los resultados analizados individualmente, muestran en general una mínima mejoría, sin

embargo haciendo combinaciones con las opciones antes mencionadas, se puede lograr una

distribución de esfuerzos eléctricos en el aislador aceptable y así lograr una mayor vida útil

sin el uso de accesorios extras. Esto es de interés ya que en la actualidad existe una

tendencia de sustituir los aisladores cerámicos por no cerámicos, por lo que las deficiencias

que presentan los aisladores poliméricos deberán reducirse y quizá en un futuro cercano

eliminarse.


12

1.6. Alcances

Con la presente investigación se busca contribuir en el desarrollo de sistemas para atenuar

el campo eléctrico en aisladores no cerámicos. Para este propósito se propone el uso de

materiales compuestos y la modificación del perfil del aislador. Los materiales compuestos

considerados en el trabajo fueron de alta permitividad y bajas pérdidas dieléctricas.

Las características dieléctricas de los materiales propuestos fueron utilizadas para modelar,

en un paquete computacional que utiliza el método del elemento finito, la distribución del

campo eléctrico en la superficie del aislador.

La principal contribución de este trabajo consiste en una propuesta de diseño de un aislador

polimérico que de acuerdo a los resultados de simulación reduce considerablemente los

esfuerzos eléctricos.

Para lograr lo anterior, se requiere de materiales de alta permitividad, sin embargo, esta

característica se encuentra limitada en la práctica, ya que aun no se cuenta con materiales

con la permitividad necesaria para lograr una buena atenuación del campo eléctrico. Por lo

que se recurre a la modificación del perfil del aislador aprovechando el principio de

refracción dieléctrica, con lo que se consigue una reducción del campo eléctrico más

significativa. También se analiza la instalación de un anillo equipotencial, opción con la

cual se mejora la distribución del campo eléctrico, sin embargo tiene los siguientes

inconvenientes: a) reduce la distancia de arco en seco, b) Incrementa el peso

considerablemente, c) Incrementa el precio y d) Debido a la falta de experiencia del

personal o a especificaciones poco claras se instala incorrectamente.


13

1.7 Estructura del reporte

El capítulo 1 inicia con la introducción referente al origen y antecedentes de los aisladores

no cerámicos, se mencionan algunas de las ventajas por las que han ido sustituyendo a los

aisladores cerámicos, así como problemas que han presentado una vez en uso. También se

definen los materiales que actualmente están empleando para la fabricación de ANC‟s y

estudios realizados para corregir las deficiencias mostradas.

En el capítulo 2 se mencionan los diferentes tipos de aisladores utilizados en los sistemas

eléctricos de potencia, así como sus respectivas características y especificaciones.

En el capítulo 3 se realizan comparaciones de la distribución del campo eléctrico en

aisladores poliméricos sin anillo y con anillo equipotencial realizadas con el simulador

Comsol 3.5 y con el paquete computacional OriginPro 8, con el fin de observar la

diferencia entre estos 2 casos.

En el capítulo 4 se expone la distribución del campo eléctrico con diferentes sistemas de

atenuación, nuevamente empleando el simulador Comsol 3.5, y el paquete computacional

OriginPro 8.

En el capítulo 5 se realiza un presupuesto aproximado sobre el costo para la realización del

proyecto, por lo que los recursos utilizados fueron divididos en recursos materiales y

recursos humanos.

El capítulo 6 presenta las conclusiones derivadas de este trabajo de investigación y se

presentan recomendaciones para trabajos futuros.

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

14



15

2.1. Introducción

Los aisladores sirven de apoyo y soporte a los conductores de fase en líneas de transmisión

y distribución en sistemas eléctricos de potencia, al mismo tiempo que los mantienen

aislados de tierra.

El buen funcionamiento de una línea de transmisión depende en gran escala de su

aislamiento. En la práctica se requiere que la tensión de arco en seco de los aisladores

completos sea de tres a cinco veces mayor que la tensión nominal de funcionamiento, y que

la longitud de la distancia de fuga sea aproximadamente el doble de la menor distancia en

aire entre puntos energizados. La necesidad de transmitir energía en grandes niveles trae

consigo la necesidad de utilizar muy altas tensiones (> 230 kV). Lo anterior junto con

problemas de contaminación, cada vez más frecuentes en las instalaciones eléctricas, trae

consigo el reto de contar con mejores aisladores [13].

Los aisladores no sólo deben tener resistencia mecánica suficiente para soportar con amplio

margen las cargas debidas al hielo y al viento que puedan razonablemente esperarse, sino

que deben ser construidos de manera que puedan resistir condiciones mecánicas muy

severas, descargas atmosféricas y arcos alimentados por la corriente de servicio, sin dejar

caer el conductor. La producción de un arco eléctrico a través del contorno del aislador

debe ser evitada en todos los casos, con la sola excepción de sobretensiones por rayo,

cualquiera que sean las condiciones de humedad, temperatura, lluvia o nieve, y con la

cantidad de polvo que habitualmente se acumula hasta ser limpiada por las lluvias.


16

2.2. Aisladores para Sistemas Eléctricos de Potencia

El aislamiento de los sistemas eléctricos se diseña de forma tal que los valores de las

sobretensiones esperadas estén por debajo de su capacidad de soporte. Las sobretensiones

que determinan el nivel de aislamiento en los sistemas eléctricos a la intemperie, con

tensión de operación continua inferior a 245 kV, son las sobretensiones de corta duración a

frecuencia del sistema y las sobretensiones de frente rápido, debidos a las descargas

atmosféricas [14]. Para sistemas de más de 245 kV las sobretensiones por maniobra son

también consideradas. El tipo de aislador a usar en una aplicación determinada depende de

varios factores tales como: nivel de tensión, nivel de contaminación en el lugar de

instalación, carga mecánica etc. A continuación se describen los diferentes tipos de

aisladores utilizados en sistemas eléctricos de potencia, y aunque el presente trabajo es

fundamentalmente sobre aisladores no-cerámicos, se inicia con una descripción de los

diferentes aisladores cerámicos para poder tener un punto de comparación para los ANC‟s.

2.3. Aisladores Cerámicos

Estos aisladores se construyen con vidrio, pastas o “compound” patentadas y porcelana.

Para líneas de transmisión los aisladores de vidrio solo son recomendables si están

construidos con vidrio especial resistente al calor, tal como el Pirex. Los productos

orgánicos, incluyendo los compuestos o pasta “compound” de origen orgánico, no resisten

la acción prolongada de altas tensiones, especialmente si están expuestos a la intemperie,

por lo cual su uso queda limitado a instalaciones de baja tensión al interior de edificios

[14].


17

Figura 2-1. Diferentes diseños de aislador de porcelana. [14]

2.3.1. Aislador de Soporte o Rígido

Estos aisladores se construyen para tensiones de arco hasta 200 kV a 60 Hz, si bien es raro

usarlos para tensiones de arco superiores a 180 kV (tensión nominal 75 kV). Estos últimos

son equivalentes en tensión de arco, a algo menos de tres elementos de cadena de

suspensión del tipo de 5 ¾ de pulgada (14.6 cm). Lo reducido del margen de aislamiento y

el riesgo de aplicar tensiones tan altas sobre un solo aislador, relativamente frágil, hace que

estos aisladores no se usen con tensiones superiores a 66 kV [15].

Figura 2-2. Aislador rígido. [15]


18

2.3.2. Aislador de Cadena o Suspensión

Están constituidos por un número variable de elementos según la tensión de servicio; estas

cadenas son móviles alrededor de su punto de unión al soporte, y además, las articulaciones

entre elementos deben tener bastante libertad para que los esfuerzos de flexión queden

amortiguados; estas articulaciones suelen ser de rótula.

Estos aisladores se usan casi exclusivamente en líneas de tensión superior a 66 kV, en

vanos largos y con conductores pesados. Las unidades o discos modernos de caperuza y

vástago han dado resultados muy satisfactorios y se han adoptado progresivamente para

hacer frente a las necesidades de las más altas tensiones y de la construcción más pesada,

con simplicidad y economía.

La tensión de arco por contorno en cadenas de aisladores de suspensión es casi

proporcional a la distancia a tierra en el aire y aproximadamente igual a la tensión de arco

entre varillas con la misma distancia, a 60 Hz y con las sobretensiones que se originan en

las maniobras [16].

En la práctica, el número de discos o unidades que conforman la cadena de aisladores es

aproximadamente proporcional a la tensión, con ligero aumento para las tensiones más altas

y con cierto margen en la longitud de cada unidad.

Para la tensión de 66 kV se usan de 4 a 5 unidades, para 110 kV de 7 a 8, para 132 kV de 8

a 10, para 154 kV de 9 a 11, para 220 kV de 14 a 20.

Las unidades o discos más modernos tienen una resistencia máxima de 6800 kg. El

promedio de cualquier partida de estos discos resiste generalmente una prueba a la tracción

de 6800 kg y muchas unidades alcanzan un 25% más que dicha cifra. Es probable que uno

de estos discos, bien construido, resista una carga de 4.536 a 5.400 kg durante varios días

sin fallar. Se recomienda una carga máxima de seguridad 2.270 a 2.700 kg, lo que

representa un factor de seguridad de 2 sobre el mínimo de la prueba carga-tiempo [17].


19

Este tipo de aislador es el más empleado en media y alta tensión, ya que

presenta las siguientes ventajas:

Permite elevar la tensión de funcionamiento con sólo aumentar la longitud de la

cadena, es decir, colocando más elementos.

No se interrumpe el servicio por rotura de un aislador, ya que la cadena sigue

sustentando al conductor.

Presenta una gran economía en la reparación de las cadenas, pues solamente es

necesario cambiar el elemento averiado.

Existen diversos tipos de aisladores de cadena, que se detallan en las siguientes secciones.


20

Figura 2-3. Elementos de un aislador de cadena. [17]

Figura 2-4. Aislador de suspensión colocado en una línea de transmisión. [17]


21

2.3.2.1. Caperuza-Vástago

Este aislador se compone de una campana de porcelana o vidrio templado, en forma de

disco y que lleva en su parte inferior algunas ondulaciones. En la parte superior de la

campana está empotrada una caperuza de fundición o acero, y en su parte inferior en un

hueco bastante reducido, lleva un vástago sellado al aislador [18].

Figura 2-5. Aislador de suspensión tipo caperuza-vástago. [18]

2.3.2.2. Campana (discos)

Está constituido por un núcleo cilíndrico de porcelana de diámetro comprendido entre 60 y

85 mm., y provisto de dos faldas anchas. La unión de los aisladores campana entre sí se

hace con un pequeño vástago cilíndrico terminado en dos rótulas. La diferencia esencial

entre el aislador campana y el elemento caperuza-vástago, reside en el hecho de que el

primero es rigurosamente imperforable en servicio, mientras que el segundo puede, en

ciertas circunstancias, perforarse antes de ser contorneado, especialmente por la acción

simultánea de esfuerzos mecánicos y acciones eléctricas [16].


22

Figura 2-6. a) Aislador de suspensión tipo campana de porcelana y, b) Aislador de suspensión tipo

campana de vidrio. [19]

2.3.2.3. Langstab

Este modelo es un mejoramiento del aislador Motor y se denomina Langstab (larga línea de

fuga). Está constituido por un largo cilindro de porcelana de 80 a 100 cm., con

ondulaciones bastante profundas y terminado en dos caperuzas [14].

Figura 2-7. Aislador de suspensión tipo langstab. [20]


23

Figura 2-8. Aislador de suspensión tipo bola o rótulo. [14]

2.3.3. Aislador de Tensión o Amarre

Un conjunto de unidades de suspensión dispuestas al extremo o final de una línea, en una

estructura, se denomina aislador de amarre o de tensión. Estos aisladores deben soportar el

pleno esfuerzo de tracción y han de ser calculados con un amplio factor de seguridad para

la máxima cantidad de hielo y presión de viento; el esfuerzo máximo que pueden resistir los

aisladores y sus herrajes debería ser equiparado al del conductor, con el fin de tener en

cuenta posibles cargas externas, superiores a las supuestas en el proyecto general. Es

común proteger las cadenas de amarre o final de línea, especialmente contra deterioro

debido a arcos, empleando dos o tres discos adicionales e instalando cuernos o anillos de

guardia.

En casos de esfuerzos muy elevados o conductores muy pesados, se disponen cadenas

dobles y triples en paralelo mediante piezas especiales (culatas) de acero (muy conocidas

por su denominación inglesa “yoke”). Se construyen piezas de esta clase para doble y triple

cadena, como accesorios o herrajes corrientes de aisladores. Para esfuerzos superiores sería

preciso un estudio especial [13,17].


24

Figura 2-9. Aislador de tensión o amarre. [13]

Figura 2-10. Aislador en cadena de amarre. [13]

2.3.4. Aislador Pirex

El aislador de suspensión de caperuza y perno con disco Pirex, emplea una aleación

metálica en sustitución del cemento. Los constructores afirman que gracias al estudio de la

distribución de esfuerzos, que solo es posible por la transparencia de semejante material, y

también por el cuidadoso tratamiento térmico, estos aisladores alcanzan esfuerzos de

tracción próximos al doble de los conseguidos con los aisladores corrientes del tipo de

caperuza y perno [13].


25

2.4. Aisladores No-Cerámicos

Los aisladores compuestos fueron introducidos a finales de la década de los sesenta. La

idea básica consiste en la combinación de varios materiales que cumplen los diferentes

requerimientos en el funcionamiento del aislador. La Figura 2-11 muestra los elementos

que constituyen un aislador compuesto.

Figura 2-11. Elementos de un aislador compuesto. [21]

Los herrajes terminales son de material metálico, como acero forjado o aluminio. Para

garantizar que los aisladores cerámicos instalados en líneas de transmisión puedan ser

sustituidos fácilmente, se ha conseguido un alto grado de estandarización de los mismos

debido a que se encuentran incorporados a la estructura del aislador compuesto.

La varilla de resina reforzada con fibra de vidrio absorbe las cargas mecánicas que se

pueden presentar, como: tensión, flexión o compresión. Aunque también puede ser una

combinación de las tres cargas dependiendo de la aplicación y las variaciones de carga.

Los materiales para el revestimiento son tan diversos como los correspondientes métodos

de fabricación. No obstante, la experiencia presente en servicio ha demostrado que ciertos

materiales muestran un comportamiento óptimo [21].


26

2.4.1. Herraje Terminal

En la Figura 2-12 se muestran modelos típicos de herrajes terminales. Las dimensiones

corresponden a las normas IEC 60120, IEC 60471 o IEC 61466 así como a las normas

equivalentes de ANSI [21].

Figura 2-12. Modelos típicos de herrajes terminales. [21]

Para la red de distribución, se pueden aplicar herrajes terminales de acero fundido, debido a

que se presentan fuerzas con un valor de hasta 70 kN y para fuerzas mayores se emplean

herrajes terminales de acero forjado.

Para aplicaciones especiales, como herrajes para sistemas de catenaria ferroviaria, se aplica

a menudo aluminio de fundición en coquilla de alta resistencia [21].

Los herrajes terminales de acero están galvanizados en caliente. El espesor de la

galvanización se efectúa según las recomendaciones de la IEC 60383. Bajo pedido, se

suministran mayores espesores por ejemplo, para condiciones de empleo altamente

corrosivas o aplicaciones de corriente continua [21].


27

2.4.2. Varilla

La varilla de resina reforzada con fibra de vidrio es el componente fundamental del aislador

no cerámico, tal como se aprecia en la Figura 2-11. Generalmente, es producida mediante

un proceso continuo de pultrusión, obteniéndose diferentes diámetros (Figura 2-13), los

cuales dependen de la aplicación o carga a la que vaya a estar sujeto el aislador.

Figura 2-13. Ejemplos para dimensiones de varillas. [21]

La dimensión de las fibras de vidrio es importante para la adhesión a la matriz de resina. La

matriz de resina tiene que ser formulada para aplicaciones eléctricas para garantizar una

baja absorción de humedad y cambios insignificantes de las propiedades eléctricas y

mecánicas en servicio. El alargamiento de rotura de la resina deber estar equilibrado con el

alargamiento de rotura de las fibras de vidrio para impedir fisuras y fracturas en el

momento de ser sometido a cargas mecánicas. Hoy en día, se suelen utilizar generalmente

resinas epoxi [21].

La varilla puede tener un aspecto opaco o trasparente, debido a que por diversos motivos

es necesario añadirle a la matriz de resina, algún material de relleno.

Las varillas de resina epoxi y de fibra vidrio, presentan un comportamiento en servicio muy

bueno y fiable, siempre que se lleve cuidadosamente el control de la materia prima, se


28

seleccionen exactamente los parámetros del proceso y se apliquen controles de rutina

determinados mediante estadísticas.

2.4.2.1. Varillas Para la Aplicación de Tensión

La elección de la fibra de vidrio determina la susceptibilidad de la varilla para la corrosión

de tensión electrolítica (rotura frágil). Este fenómeno se da por un ataque ácido destructivo

sobre la fibra de vidrio, seguido por un defecto mecánico del aislador cuando las restantes

fibras no son capaces de seguir soportando las cargas de tensión en servicio.

Investigaciones recientes en CIGRE e IEEE, así como las experiencias en el campo, han

demostrado que la probabilidad de una rotura frágil se reduce significativamente con el uso

de fibras de vidrio especiales (con un contenido de boro reducido o bien libre de boro,

llamado vidrio E-CR) (Figura 2.14) [21].

Figura 2-14. Con el uso de vidrio E-CR no hay rotura frágil. [21]

2.4.2.2. Varillas Para la Aplicación de Flexión

Los diámetros de las varillas se eligen considerando la carga en servicio, la resistencia a la

rotura por flexión así como el movimiento admisible a carga en servicio.


29

Como ventaja del aislador tipo poste se ha revuelto el llamado “modo de fallo no peligroso”

al sobrecargar la solicitación de flexión máxima. Esto significa que un aislador compuesto

tipo poste diseñado apropiadamente no fallará a causa de una rotura completa sino

solamente por una rotura por cizallamiento interlaminar en la zona neutra de la flexión

(Figura 2-15) [21].

Este “modo de fallo no peligroso” tiene las siguientes ventajas respecto al aumento del

valor y rendimiento en comparación con aisladores tipo poste de porcelana [21]:

Ninguna rotura relacionada con la caída inmediata del conductor

Identificación fácil gracias al movimiento sobredimensionado

Alta capacidad de resistencia residual del aislador sobrecargado

Figura 2-15. Corte transversal de un aislador tipo poste para

líneas aéreas después del “modo de fallo no peligroso”. [21]

2.4.3. Revestimiento

Un aislador tiene por objetivo aislar la formación de arcos eléctricos entre conductor-tierra

o conductor-conductor, dicho arco se puede producir debido a una sobretensión o por

contaminación.

Como se comento en los antecedentes, desde la introducción de los aisladores poliméricos,

se han realizado una gran cantidad de ensayos y pruebas para obtener el material dieléctrico


30

que presente las mejores propiedades para el revestimiento del núcleo de fibra de vidrio o

de resina epoxi.

Una encuesta llevada a cabo por el grupo de trabajo CIGRE [21], demostró que, en la

mayor parte de los aisladores compuestos se emplea hule silicón ( ) como material de

revestimiento, seguido del EPDM ( ), mientras que otros materiales ( ) desempeñan

un papel menos importante (Figura 2-16)

Mientras que la distancia de arco determina el comportamiento durante una sobretensión, la

geometría (de faldones) y el comportamiento con humedad en su revestimiento son los

factores decisivos del comportamiento en caso de contaminación [21].

Figura 2-16. Uso de material para el revestimiento para aisladores

compuestos > 100 kV. [22]


31

2.4.4. Hidrofobicidad

En general, los aisladores compuestos para líneas aéreas tienen menor diámetro que los

aisladores de porcelana o de vidrio. Esta diferencia en la geometría y una superficie

preferiblemente no mojada (hidrofobicidad) llevan a un comportamiento en servicio más

fiable en caso de contaminación en comparación con los aisladores convencionales. La

humectabilidad caracteriza el comportamiento de dispersión del agua y puede ser

categorizada principalmente en el estado hidrofílico (Figura 2-17) e hidrófobo (Figura 2-

18) [21].

La experiencia en servicio ha mostrado que la cualidad de hidrofobicidad es un factor

decisivo para un funcionamiento fiable en condiciones de contaminación y sin medidas de

mantenimiento preventivo.

Como referencia, se puede comparar el hule silicón con otros materiales poliméricos y no

poliméricos, dicha comparación se muestra en la siguiente Tabla:

Figura 2-17. Comportamiento hidrofílico de la

superficie. [21]

Figura 2-18. Comportamiento hidrófobico de la

superficie. [21]


32

Tabla 2-1. Comportamiento de la superficie versus material. [21]

Clases de

material de

revestimiento

Comportamiento hidrófobo de la

Superficie

Comportamiento hidrofílico de la

superficie

Nuevo

Viejo

Contaminado

Nuevo

Viejo

Contaminado

Hule silicón

Si

Si, después de

recuperación*

Si, después del

proceso de

transferencia**

No

No, solo

temporalmente

No, solo

temporalmente

Otros materiales

poliméricos

Si

No

No

No

Si

Si

Vidrio/porcelana

No

No

No

No

Si

Si

* La recuperación es un proceso bien documentado del hule silicón y significa que las cualidades hidrófobas

suelen volver con la reorientación de grupos metilos en la superficie de la masa del material.

**

La transferencia es la difusión de moléculas de cadenas de bajo peso molecular del hule silicón en la capa

de contaminación de la superficie del aislador. En cantidades suficientes de estas moléculas, la capa de

contaminación se vuelve hidrófoba y se comporta, en el caso ideal, como un aislador no contaminado.

2.4.5. Cualidades de Resistencia al Envejecimiento

La hidrofobicidad es considerada una de las propiedades más importantes del material de

revestimiento aislante, por lo que la formulación del material dieléctrico, la tecnología de

elaboración, y la pérdida temporal de hidrofobicidad debida a los procesos dinámicos, son

aspectos que presentan una constante optimización. Por ejemplo, se han realizado

investigaciones científicas con el objetivo de definir un método de ensayo para medir la

transferencia de propiedades hidrófobas a una capa contaminada definida [21].

Si se pierde la hidrofobicidad, un segundo “mecanismo de protección” del material contra

el envejecimiento intensivo (erosión de la masa) deberá proteger al aislador. Este

mecanismo se evalúa en particular mediante ensayos que valoran el comportamiento de

erosión y tracking (por ejemplo IEC 60587) (Figura 2-19) [21].


33

Figura 2-19. Comportamiento de erosión de aisladores de

hule silicón no cargados (superior) y hule silicón

enriquecida óptimamente (inferior). [21]

En cuanto al comportamiento de erosión y tracking, el hule silicón vulcanizado a alta

temperatura (HTV, High Temperature Vulcanizing) y enriquecido con trihidrato de

aluminio, presenta menos fallas en relación al hule silicón vulcanizado a temperatura

ambiente (RTV, Room Temperature Vulcanizing) y al hule silicón de baja viscosidad, como

el silicón vulcanizado a temperatura ambiente (RTV) o silicón líquido (LSR).

Mientras que al principio el material de relleno podía tener influencia diametral en la

dinámica de la hidrofobicidad, los materiales HTV actuales combinan de forma óptima la

resistencia excelente a la erosión y con el comportamiento de la hidrofobicidad dinámica

una rápida recuperación y un corto tiempo de transferencia (Figura 2-20 y Figura 2-21)

[21].


34

Figura 2-20. Efecto hidrófobico de la superficie

de hule silicón sin contaminación. [21]

Figura 2-21. Efecto hidrófobico de la superficie

de hule silicón con contaminación. [21]

Hoy en día, alrededor de un 95 % de aisladores se fabrican con la Tecnología HTV. El

factor decisivo es, principalmente, la mejor resistencia al envejecimiento del hule silicón.

En la Tabla 2-2 se muestra una comparación entre las tres clases de hule silicón (HTV, LSR

y RTV).


35

Tabla 2-2. Comparación de las propiedades de las diferentes clases de hule silicón. [21]

Propiedad

Hule silicón HTV*

Silicón RTV/LSR**

Viscosidad

30…45 Mooney (estable)

30000…150000 mPa

Resistencia al

envejecimiento

Tracking/Erosión Alto Medio

Resistencia a rayos UV Alto Alto

Inflamabilidad*** Alto Alto

Hidrofobicidad

Recuperación Veloz Veloz

Transferencia Veloz Veloz

* HTV = High Temperature Vulcanizing (vulcanización a alta temperatura)

**RTV = Room Temperature Vulcanizing (vulcanización a temperatura ambiente)

***Propiedad del material por ejemplo importante para el comportamiento de arco voltaico y situaciones

de fuego


36

2.4.6. Aisladores Poliméricos Para Distribución

2.4.6.1. Aislador de Retención y Suspensión

Como su nombre lo indica, este aislador se emplea habitualmente como retención o

suspensión en líneas aéreas de distribución y ocasionalmente se emplea para

seccionamiento en poste simple [22].

Figura 2-22. Aislador polimérico tipo retención y/o suspensión. [22]

2.4.6.2. Aislador para Montaje Rígido (Tipo Line Post)

Se emplea habitualmente como aislador soporte (PR) sobre crucetas de madera, hormigón o

metal. Ocasionalmente se utiliza para fijar puentes al vuelo o bajadas en subestaciones

aéreas.

Como permite la construcción de redes más compactas y estéticas, se recomienda darle una

inclinación de 12º respecto a la horizontal, ubicar el conductor en la posición lateral y

utilizar como elemento de fijación la atadura elástica suministrada [22].


37

Figura 2-23. Aislador polimérico tipo LP. [22]

2.4.6.3. Aislador Para Montaje Rígido (Tipo Pin)

Se le emplea habitualmente como aislador perno rígido en líneas de distribución de 15 kV,

en especial para conductores protegidos. Ocasionalmente se utiliza para fijar bajadas en

subestaciones y seccionamientos [22].

Figura 2-24. Aislador polimérico tipo pin. [22]


38

2.4.7. Manual de Manipulación Para Aisladores Poliméricos

Las características eléctricas y mecánicas de un aislador quedan definidas por los ensayos

de tipo que establece la normativa de aplicación y se verifican en general en el proyecto de

la línea donde será empleado mediante el cumplimiento de la norma.

En el caso de estos aisladores la norma mas empleada es la IEC 1109, y en ella se define

como ensayo de tipo eléctrico la determinación del valor de la tensión resistida a frecuencia

industrial bajo lluvia y el de la tensión critica de impulso para una sobretensión del tipo

atmosférica. Este último valor también define el nivel básico de aislación (BIL) del

sistema. En cuanto a ensayos del tipo mecánico se verifica la carga mecánica nominal

CMN (SML) en una prueba carga-tiempo.

Para el cumplimiento de estos requisitos y de acuerdo con el tipo de utilización, el

proyectista define 2 parámetros geométricos que a su vez determinaran otras características

del aislador: la distancia de arco y la distancia de pérdida o fuga.

Con este último se tienen en cuenta las condiciones particulares de la zona de instalación,

existiendo como referencias normas y recomendaciones internacionales como la IEC 815.

Idénticas consideraciones se tienen en cuenta ante la necesidad de reemplazo de un aislador

o cadena de aisladores existentes.

Sin embrago, en la vida útil y correcta prestación en servicio de un aislador polimérico, no

solo influyen la correcta elección, el diseño, calidad de materiales y cuidados en su

elaboración, sino también, y de manera fundamental, el manipuleo, estiba, traslado y

montaje de los mismos [23].


39

2.4.7.1. Instrucciones

Embalaje

Mantener el embalaje original cerrado y bajo techo hasta su traslado al lugar de

montaje

Cuidar al abrir el embalaje de no dañar el revestimiento con objetos cortantes o

punzantes (cuchilla, barreta, clavos, etc.)

Si el embalaje original fue retirado, prever un transporte adecuado que preserve

al producto de suciedad, raspaduras, cortes o esfuerzos inadecuados.

Manipulación e instalación

Los aisladores fuera de su embalaje deben protegerse de golpes, aplastamientos,

raspaduras o cortes que pudieran dañar el revestimiento o su estructura.

No deberán ser pisados, ni usados como apoyo de objetos o personas.

Se los izara evitando roces y golpes con la estructura, morsetería, herramientas,

etc.

2.4.7.2. Recomendaciones

1. No es conveniente que el aislador sea removido de su embalaje hasta el momento

previo a su instalación.

2. Durante la espera de ser instalado, si el aislador ha sido retirado de su embalaje

original, debe estar apoyado en posición vertical y nunca horizontal (sobre el piso)

por riesgo a ser pisado y/o aplastado.

3. Los aisladores se deberán armar con morsetería final al pie de la torre y se elevaran

a su ubicación de amarre lo mas rígidamente evitando golpes o arrastres contra la

torre o poste.


40

4. Los aisladores de alta tensión (138 kV o mayores) no deben ser izados por ambos

extremos para evitar los daños producidos por una excesiva flexión.

5. No deberá usarse un aislador instalado como punto de anclaje, soporte de

herramientas o cinturones de seguridad.

6. Al tensionar la línea, un aislador de retención, deberá estar sujeto mediante cuñas

que lo mantengan en posición horizontal mientras dura el proceso, para evitar

esfuerzos mecánicos indeseados.

7. Ningún cable, yugo o parte de morsetería deberán apoyarse sobre las campanas del

núcleo.

8. El montador es el responsable de controlar que el mismo no tenga daño externo

visible. Un aislador que muestre signos de deterioro debe ser inmediatamente

separado o identificado como tal. No instalar.

Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos

41

Capítulo 3 Distribución del Campo

Eléctrico en Aisladores

No-Cerámicos


42

3.1. Introducción

En condiciones secas, la distribución de campo eléctrico en aisladores de alta tensión está

determinada por la geometría y la capacitancia a lo largo del aislador. En el caso de los

aisladores cerámicos, formados por discos de gran capacitancia, la caída de potencial es

gradual a lo largo de la cadena. Lo anterior ayuda a reducir la intensidad del campo

eléctrico en la cercanía de los extremos de la cadena. Por otro lado, en el caso de aisladores

no-cerámicos, la baja permitividad del material y su geometría continua, permiten que la

tensión cambie rápidamente desde los extremos del aislador. Esta distribución de potencial

trae consigo que el campo eléctrico en la vecindad de los herrajes alcance valores

considerablemente altos con respecto a otras secciones del aislador. Es conocido que si el

campo eléctrico local llega a alcanzar valores por encima de 30 kV/cm, se generará una

descarga eléctrica parcial que paulatinamente irá dañando la superficie del material

polimérico [24]. En un trabajo reciente se ha considerando que incluso con valores de

campo eléctrico menores, el material polimérico puede ver acelerado su envejecimiento.

[25].


43

3.2. Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos

Como se ha mencionado, los aisladores no-cerámicos presentan diversas ventajas en su

utilización, sin embargo también son susceptibles a fallas, las cuales se deben al

envejecimiento del material, lo que provoca la pérdida de sus propiedades.

En este tipo de aisladores, la exposición prolongada a la contaminación y las descargas

parciales, son las principales causas de envejecimiento.

En la presente sección, únicamente se hablará acerca del fenómeno de descargas parciales.

3.2.1. Descargas Parciales

Una descarga parcial es un fenómeno de ruptura eléctrica que está confinado y localizado

en la región de un medio aislante, entre dos conductores que se encuentran a diferente

potencial [26]. Se dice que es parcial, ya que existe un aislamiento solido en serie y con la

parte defectuosa que evita una ruptura completa del dieléctrico [27].

La aparición de la descarga puede ser la consecuencia de un aumento del campo eléctrico

en un determinado espacio, relativamente pequeño, comparado con las dimensiones del

medio aislante. El aumento del campo puede ser debido a cambios bruscos en la naturaleza

del aislante, que pueden ser provocados por burbujas en un medio sólido o por espacios de

gas entre las superficies de un aislante con un conductor o con otro aislante.

El proceso de descargas parciales es característicamente pulsante y se manifiesta como

unos pulsos de corriente en un circuito externo; este proceso está catalogado como

estocástico porque sus propiedades son descritas en función de variables aleatorias

dependientes del tiempo.


44

El tiempo transcurrido entre la aparición de las descargas parciales y la perforación del

dieléctrico varía entre unos cuantos minutos hasta varios años. La completa perforación del

aislante depende de la severidad de su solidificación y del material que lo constituye, pero

tarde o temprano se presenta [27].

Las descargas eléctricas en el caso de un aislador pueden ser provocadas por:

a) Distribución no uniforme del campo eléctrico a lo largo del aislador

b) Campo eléctrico local intenso en presencia de contaminante húmedo.

En cuanto respecta a la distribución no uniforme del campo eléctrico a lo largo del aislador,

la distribución del campo eléctrico es determinada por la geometría y la distribución

capacitiva a lo largo del aislador, mientras que en presencia de contaminante húmedo, el

reforzamiento del campo eléctrico depende de la formación de bandas secas bajo humedad

y contaminación.

Cuando la actividad de la D.P. se produce en aislantes poliméricos esta normalmente

asociada a la formación de „arborescencias‟ que lo degradan. Estas „arborescencias‟ están

compuestas por micro-canales con material o de material con baja densidad que puede ser

rápidamente vaporizado.

3.2.2. Efecto Corona Las descargas por efecto corona se producen en la proximidad de la superficie de los

materiales cuando la intensidad de campo eléctrico “E” posee un valor tal que supera la

rigidez dieléctrica del aire, por lo tanto, el efecto corona se define como sigue:

“Es la ionización del aire que rodea a los conductores de alta tensión. Este fenómeno tiene

lugar cuando el gradiente eléctrico supera la rigidez dieléctrica del aire y se manifiesta en

forma de pequeñas chispas o descargas a escasos centímetros de los cables”. [28]


45

Los mencionados efluvios eléctricos comienzan cuando un electrón libre es acelerado a

través de un gas por acción del campo eléctrico. Un electrón acelerado por el campo

eléctrico puede adquirir energía suficiente para provocar la aparición de nuevos electrones

libres, mediante su colisión con átomos del gas. Dicho proceso se llama ionización por

impacto de electrón.

También se produce la foto-ionización, en la cual un fotón proveniente de una fuente

distante impacta con un átomo, entregando una cantidad de energía tal que permite la

liberación de un electrón y la creación de un ion positivamente cargado. Los electrones así

liberados se desplazan a través del aire, siendo acelerados por acción del campo eléctrico, y

pueden colisionar con átomos de nitrógeno, oxígeno y otros gases presentes [28].

La mayoría de las colisiones son de tipo elásticas y los electrones pierden sólo una pequeña

parte de su energía cinética en cada una de esas colisiones. Ocasionalmente, un electrón

puede impactar a un átomo con la energía suficiente para excitarlo. Cuando esto sucede el

átomo adquiere un nivel de energía superior: uno o más de sus electrones pasan a un nivel

orbital superior, por lo que el electrón que lo impactó pierde parte de su energía cinética al

crear dicho estado. Más tarde, el conjunto de átomos excitados volverá a su estado normal,

irradiando este exceso de energía en forma de luz, calor y ruido audible. Esta liberación de

energía corresponde a la emisión de radiación electromagnética. Asimismo, un electrón

puede impactar con un ion positivamente cargado, neutralizándolo. Este proceso se

denomina recombinación y también produce liberación de energía o emisión de radiación.

Durante la mayor parte de su viaje el electrón no produce ionización, colisiona con los

átomos que están en su camino en forma elástica y pierde sólo una pequeña parte de su

energía cinética. El electrón puede sufrir otros dos procesos de pérdida de energía cinética:

difusión y captura.

El proceso de difusión se produce en forma permanente, los electrones se desplazan desde

zonas de mayor concentración hacia las zonas de menor concentración. Por otra parte,

cuando un átomo neutro captura a un electrón se crea un ion negativamente cargado y se

libera energía, se emite radiación. Este ion es una partícula relativamente inmóvil y


46

voluminosa, por lo que no ionizará el gas por colisión, salvo en casos de energía

sumamente elevada. El efecto corona es la emisión de radiación, la cual en el rango Ultra

Violeta posee longitudes de onda que van desde los 230nm hasta los 405nm (Figura 3-1)

[29].

Figura 3-1. Espectro de la radiación emitida por el efecto corona. [29]

La radiación emitida por el efecto corona, cuya longitud de onda se encuentra dentro del

rango de la radiación visible, tiene una intensidad mucho menor a la de la radiación que se

recibe del sol y, por lo tanto, resulta invisible al ojo humano durante el día.

Durante la operación y en un efecto combinado de humedad y contaminación superficial,

las líneas de campo se deforman. Esta acumulación de contaminación superficial

distorsiona el campo eléctrico creando superficies aleatorias. Si aumenta el campo

eléctrico, aumenta la energía de desplazamiento de los electrones hasta llegar a una

acumulación de energía capaz de producir efluvios, que no finalizan como descargas

completas debido a que la disminución del campo eléctrico, no uniforme, hace que la

partícula se desacelere y se extinga la descarga iniciada.

Estos efluvios van aumentando el deterioro superficial y el material va perdiendo sus

aglomerantes cuando los efluvios evolucionan en descargas, lo que provoca cambio del

color superficial del aislante, tendiendo en algunas ocasiones al blanco al comenzar a


47

aparecer el relleno de arena sílica, el que a su vez contribuye a la extensión de la zona de la

descarga. Si este efecto no es detectado a tiempo, comienzan a producirse pequeños

caminos carbonizados, los que pueden llegar al cabo de algunos meses a producir una falla

[29].

El comienzo de la descarga por elevado campo eléctrico puede producirse del lado de la

fase o del lado de tierra indistintamente, dependiendo fuertemente de la geometría de los

elementos metálicos involucrados y en consecuencia de su influencia en los perfiles de

campo. El efecto corona puede ocasionar la falla del aislador, por lo que es un factor

importante a considerar, desafortunadamente cuando este es perceptible, a simple vista (en

la oscuridad, por ejemplo) el aislador ya ha sufrido severos daños y habrá que sustituirlo

urgentemente [29].

Debido a que esta descarga no es fácilmente observada por el ojo humano (solo es

perceptible en la penumbra y con un nivel alto de tensión), es necesario contar con cámaras

que sean capaces de captar este efecto a plena luz del día, tal como se puede apreciar en las

siguientes fotografías, las cuales fueron capturadas empleando la cámara UVollé de la

empresa Ofil ltd, a un aislador de la marca Ohio-Bras de 115 kV, en el laboratorio de Alta

Tensión de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Zacatenco.


48

Figura 3-2. Aislador de 115 kV presentando

efecto corona en los faldones 1 y 2.


mayor efecto corona en el faldón 1.


efecto corona en el faldón 1 y en el

herraje principalmente.


49

3.3. Modelado de la Distribución del Campo Eléctrico a lo Largo

del Aislador

Debido a que los aisladores poliméricos presentan baja permitividad y una geometría

continua, permiten que la tensión rápidamente cambie desde los extremos del aislador, por

lo que la distribución de potencial es no uniforme y dicho campo eléctrico, se concentra en

la cercanía de los herrajes, donde alcanza valores considerablemente altos, en relación con

otras secciones del aislador (Figura 3.5). Si el campo eléctrico local llega a alcanzar valores

por arriba de 30 kV/cm, se generará una descarga eléctrica parcial, que irá dañando la

superficie del material polimérico.

Figura 3-5. Distribución de líneas equipotenciales en el

extremo energizado de un aislador.


50

3.3.1. Modelado del Campo Eléctrico en Materiales Atenuadores

Partiendo de la primera ecuación de Maxwell, la ley de Ampere, se tiene que:

Ecuación 3-1.

donde

Siendo JR la densidad de corriente eléctrica de conducción y

la densidad de corriente de

desplazamiento.

Aplicando la divergencia en ambos lados de la igualdad se tiene que:

ó

Y considerando que en este tipo de problemas la inducción magnética es despreciable, es

decir:

Ecuación 3-2.


51

Se tiene que

La ecuación anterior se puede reescribir como

Ecuación 3-3.

Para el dominio del tiempo o para el dominio de la frecuencia:

Ecuación 3-4.

Las ecuaciones (3-3) y (3-4) fueron resueltas mediante el método del elemento finito

utilizando COMSOL® 3.5. El problema fue resuelto como un problema cuasiestacionario

con geometría axial-simétrica. La geometría corresponde a un aislador de 115 kV con 28

faldones.


52

Figura 3-6. Campo eléctrico tangencial sin sistema de atenuación.

En la figura 3-6 se muestra la distribución del campo eléctrico en su componente

tangencial, típica en la superficie de un ANC sin algún sistema de atenuación del campo

eléctrico, dicha componente es de suma importancia, debido a que esta afecta a los

materiales dieléctricos. En la gráfica se puede observar que la concentración de campo

eléctrico es alta en los herrajes, particularmente en el herraje del lado línea (pico izquierdo

de la gráfica). Cuando la concentración de campo eléctrico es superior a los 22.2 kVrms/cm,

se presenta efecto corona


53

Figura 3-7. Potencial eléctrico sin sistema de atenuación.

En la figura 3-7 se grafica el potencial eléctrico a lo largo de la superficie del ANC sin

algún sistema de atenuación, donde se puede observar que la caída de potencial es muy

abrupta en el herraje del lado línea (pendiente izquierda de la gráfica), lo que representa una

alta concentración de líneas equipotenciales en dicha sección del material.


54

3.4. Anillos Equipotenciales (Anillo Corona)

Los anillos equipotenciales son electrodos que se conectan en la vecindad de los

extremos del aislador para reducir la intensidad del campo eléctrico. A continuación se

dan algunos criterios y recomendaciones para su aplicación.

Generalidades

Los aisladores de retención y de suspensión poliméricos para operación a partir de

220 kV deberán ser diseñados con dispositivos reguladores o repartidores del

gradiente de potencial, conectados a los extremos metálicos del aislador próximo al

conductor [30].

Los herrajes y anillos deben estar marcados mostrando la correcta ubicación y

orientación.

El número de anillos por aislador, su tamaño y su ubicación deberán ser

determinados por el fabricante para evitar el arqueo de banda seca en la proximidad

de los herrajes, y prevenir la formación de efecto corona en los herrajes. El

fabricante deberá adjuntar el sustento y justificación de uso de estos elementos [30].

Los anillos equipotenciales deben ser diseñados para poder efectuar su instalación

y/o remoción sin que se tenga la necesidad de desarmar alguna parte del aislador.

El diseño de los herrajes y los anillos equipotenciales de los aisladores será tal que

el anillo se pueda instalar solamente en la posición determinada por el fabricante,

sin posibilidad de instalación en otra posición [30].


55

3.5. Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos

con Anillo Equipotencial

Los aisladores poliméricos presentan alta concentración de campo eléctrico en la cercanía

de los herrajes, por lo que anillos equipotenciales suelen ser utilizados para controlar su

magnitud. Dependiendo del diseño del aislador no-cerámico y de la forma en que será

instalado, los anillos equipotenciales normalmente se colocan en el lado energizado para

tensiones menores o iguales a 230 kV. Para tensiones mayores a 230 kV los anillos se

instalan tanto del lado energizado como del lado conectado a tierra

En esta sección, se hace referencia a este accesorio instalado en el herraje del aislador que

mejora la distribución del campo eléctrico. El anillo equipotencial tiene como principal

tarea la de evitar que el material polimérico se degrade, para lo cual es necesario reducir la

intensidad del campo eléctrico en la superficie del aislador. Esta alternativa del uso de

anillos equipotenciales en los extremos del aislador se puede observar en la Figura 3-8.

Figura 3-8. Aisladores poliméricos con anillo equipotencial en líneas de 115 kV. [31]


56

3.6. Modelado de la Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores

No-Cerámicos con Anillo Equipotencial

El uso de anillos equipotenciales, ha mostrado su efectividad para evitar la aparición de

descargas corona. Estos anillos modifican la distribución de la tensión cerca de los

extremos del aislador (Figura 3-9), reduciendo la intensidad del campo eléctrico en dicha

zona. Al evitar las descargas, se reducen los niveles de radio interferencia y se evita la

degradación del material polimérico.

Figura 3-9. Distribución de líneas equipotenciales en el extremo

energizado de un aislador con anillo equipotencial.

Dependiendo del diseño del aislador y de la forma en que será instalado, los anillos

equipotenciales normalmente se colocan:

1) En el lado energizado para tensiones menores o iguales a 230 kV.

2) Para tensiones mayores a 230 kV tanto del lado energizado, como del lado

conectado a tierra.

Cada vez, es más común ver anillos equipotenciales instalados en secciones de líneas de

115 kV, en las cuales se requiere evitar la presencia de descargas en la superficie del


57

aislador. Sin embargo, el uso del anillo puede no ser efectivo para ciertas aplicaciones

especiales, por ejemplo; donde un diseño estándar no ayuda a evitar descargas superficiales.

Además, el uso de anillos equipotenciales reduce la distancia de arco en seco, lo cual obliga

en algunos casos, a incrementar la longitud del aislador, situación que puede complicar la

sustitución directa de estos aisladores. La instalación en una posición incorrecta de los

anillos equipotenciales es también causa común de que éstos no desempeñen correctamente

su función.

Figura 3-10. Campo eléctrico tangencial con anillo equipotencial

como sistema de atenuación.

En la Figura 3-10 se muestra la distribución del campo eléctrico en su componente

tangencial, se puede ver que la concentración del campo eléctrico en el herraje lado línea

(lado izquierdo de la gráfica) disminuyo considerablemente, debido al uso del anillo

equipotencial.


58

Figura 3-11. Potencial eléctrico con anillo equipotencial

como sistema de atenuación.

En la Figura 3-11 se grafica el potencial eléctrico en la superficie del ANC con anillo

equipotencial, donde se observa que la razón de cambio del potencial en el herraje lado

línea (lado izquierdo de la gráfica), es menos abrupta respecto a la Figura 3-7 lo que

implica que al usar el anillo corona se tiene una distribución más uniforme de las líneas

equipotenciales a lo largo de la superficie del aislador.

Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos

59

Capítulo 4 Diseño de Sistemas de

Atenuación del Campo

Eléctrico en Aisladores

No-Cerámicos


60

4.1. Introducción

Debido a la problemática planteada en torno a la distribución del campo eléctrico en un

ANC, un diseño en el cual se tenga una mejor distribución a lo largo de su superficie, sin

necesidad de implementar accesorios extras, tales como los anillos equipotenciales, es una

alternativa necesaria. En esta sección se analiza el uso de materiales compuestos con como

una opción para atenuar el campo eléctrico en la superficie del aislador.

Con el fin de mejorar la distribución del campo eléctrico en la superficie del aislador y por

ende reducir los esfuerzos a los que el material de la misma se ve sujeto, en esta sección se

presenta la simulación del modelo, modificando la permitividad del material compuesto.

También se muestra como el modificar la geometría del primer faldón del aislador (lado

línea) ayuda a determinar el comportamiento de la distribución del campo eléctrico.

Para justificar la modificación de los dos parámetros antes mencionados, en este capítulo se

presenta teoría acerca de los materiales compuestos empleados en la fabricación de ANC‟s

y el fenómeno de refracción dieléctrica.


61

4.2. Materiales Para la Atenuación del Campo Eléctrico

Como se mencionó en la sección 1.3 la atenuación del campo eléctrico con materiales

compuestos aun no es empleado en aisladores con cubiertas poliméricas, pero se ha

analizado modificar la permitividad del compósito con materiales ferroeléctricos, ya que

estos materiales presentan una alta permitividad, por lo que es posible que adicionando este

relleno se puedan obtener resultados prometedores.

Cabe recalcar que el relleno del compósito para mejorar la atenuación del campo eléctrico,

es empleado básicamente para modificar el parámetro de permitividad del material. Uno de

los materiales empleados para este fin, es el Titanato de Bario (BaTiO3), el cual es un óxido

de Bario y Titanio con una permitividad que puede llegar a 6000 para partículas del orden

de 1 μm de tamaño. Estudios han demostrado que incrementando la permitividad relativa

de un compuesto de hule silicón con BaTiO3 se puede reducir la intensidad del campo

eléctrico en la superficie del aislador.

4.2.1. Materiales de Conductividad Eléctrica No-lineal.

Otro material empleado para el control del campo eléctrico es el Oxido de Zinc (ZnO)

como varistor, el cual es un material poco soluble en agua, con una marcada dependencia

de su conductividad eléctrica respecto a la intensidad del campo eléctrico [9].

El Oxido de Zinc como varistor es ampliamente conocido y ha sido utilizado para

estabilizar la tensión y suprimir sobretensiones en sistemas eléctricos de potencia, como

ejemplo de su aplicación tenemos los apartarrayos.

Alternamente al ZnO como varistor se tiene el Carburo de Silicio (SiC), el cual es un

material semiconductor y refractario que presenta muchas ventajas para ser utilizado en

equipos expuestos a condiciones extremas de temperatura, tensión y frecuencia. En cuanto


62

a las condiciones de tensión ser refiere, este puede soportar un alto gradiente de tensión o

campo eléctrico sin que sobrevenga la ruptura

Estos dos materiales pueden ser empleados para obtener compuestos que permitan diseñar

un aislador que no requiera anillos equipotenciales, para atenuar su campo eléctrico.

Además, su aplicación puede mejorar el desempeño de los aisladores no-cerámicos bajo

condiciones de contaminación.

Estudios han mostrado que el uso de materiales conductores contribuye con una reducción

del campo eléctrico por debajo de los 30kV/cm en tensiones de 115 kV. Esta reducción se

debe al incremento de la conductividad en las zonas de mayor campo eléctrico. Ya que a

mayor conductividad, la caída de tensión a lo largo de estas zonas del aislador es menos

pronunciada, por lo que el campo eléctrico tangencial se ve reducido. Por otro lado este tipo

de materiales presentan una desventaja, generan calor resistivo debido al hecho de ser

materiales conductores hasta cierto punto, aspecto que se considera como pérdidas por

calor, que a su vez al estar presente por largos periodos, tiende a degradar el material del

aislador [31].


63

4.2.2. Materiales de Alta Permitividad Eléctrica

También conocida como constante dieléctrica (ε), la permitividad es una medida de la

facilidad de polarización de un material en un campo eléctrico (dipolos atómicos y

moleculares). Mientras mayor sea su valor, mayor será la cantidad de carga depositada

sobre las placas y en consecuencia, mayor la densidad de flujo para un área fija. Cuantifica

el efecto del medio sobre las fuerzas de atracción de dos placas cargadas con polaridad

diferente. La unidad de medida es el Farad/metro [F/m] [32].

Frecuentemente es expresada por su valor relativo con respecto a la del vacío, es decir:

0

r

Ecuación 4-1.

Donde:

εr: Permitividad relativa (Comparación de la permitividad del dieléctrico con la del aire).

ε: Permitividad del dieléctrico.

ε0: Permitividad del vacío (8.85X10-12

F/m).

En la tabla siguiente se muestra algunos valores de permitividad relativa para materiales de

estado sólido.


64

Tabla 4-1. Valores de permitividad de materiales sólidos [33].

Material

Permitividad relativa (ε/ε0)

Oxido de Aluminio (corindón) Carbonato de Calcio (calcita) Fluoruro de cálcico (fluorita) Dióxido de silicio (cuarzo)

Cloruro sódico (sal) Dióxido de Titanio (rutilo)

13.27 8.5

7.36 4.34 6.12 86

- - - -

11.28 8.0

4.27

170

Vidrio Pirex Vidrio de silicio Vidrio de Vycor

4.0 3.81 3.8

- -

6.0

3.9

Acrílicos (plexiglás, lucita) Fluorosplásticos (teflón)

Nylon Policarbonatos (lexan, merlón)

Poliésteres (mylar) Polietilenos

Polipropilenos Poliestirenos (dylene, styron)

Polímeros de vinilo

3.5 2.1 3.7 3.1 3.6 1.6 2.2 2.4 3.2

- - - - - -

5.5

5.5

2.4 2.6 4.8 3.6

En la Tabla 4.1 [33] las permitividades están expresadas a temperatura ambiente de ciertos

minerales, vidrios y plásticos. Cuando se dan 2 valores para un sólido cristalino, el primero

se toma perpendicular al eje óptico y el segundo, paralelo al mismo.


65

4.3. Modelado de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico con

Alta Permitividad Eléctrica.

Modificando el valor de la permitividad del material de relleno empleado en la superficie

del aislador, se puede observar que mejora la distribución de las líneas equipotenciales, para

valores bajos de permitividad, entre 3 y 20 (valores alcanzados actualmente en materiales

sin dopar) la mejoría es mínima, sin embargo, para valores altos es decir mayores a 20, las

líneas equipotenciales se distribuyen mucho mejor en la superficie.

Figura 4-1. Líneas equipotenciales en un

ANC, con un valor de permitividad de 3.




66

Desde la Figura 4.1 hasta la Figura 4.4 se puede ver cómo se van separando

progresivamente las líneas equipotenciales al aumentar los valores de permitividad de: 3,

10, 20 y 100. El valor de permitividad de 3 es del silicón puro, los valores de 10 y 20 son

alcanzados en laboratorio con materiales sin dopar, y el valor de permitividad de 100 es

solo ilustrativo, puesto que no se han alcanzado valores de permitividad tan altos y solo se

presenta a fin de mostrar que al incrementar el valor de permitividad, las líneas

equipotenciales o en si el campo eléctrico, se distribuye de manera más uniforme.

Si se compara la Figura 4.1 con la Figura 4.4, se observa que en la primera, las líneas

equipotenciales se concentran en el herraje y el primer faldón del aislador, en la segunda,

las líneas equipotenciales se distribuyen de mejor manera reduciendo considerablemente la

concentración del campo eléctrico, ya que se necesitarían valores de permitividad muy altos

para lograr este fin, o modificando otro parámetro, el cual será abordado más adelante

(sección 4.4).

La componente tangencial del campo eléctrico o campo eléctrico tangencial, es un factor

que afecta en mayor medida a los materiales aislantes, al reducir la concentración del

campo eléctrico en el herraje energizado del aislador, se reduce dicha componente.






67

Figura 4-5. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador

con un valor de permitividad de 3.




68






69

Como se puede observar, desde la Figura 4.5. el campo eléctrico tangencial es alto (lado

izquierdo de la gráfica), a medida que la permitividad aumenta (Figura 4.6 y 4.7), se puede

observar que para los valores de 10 y 20, el campo eléctrico tangencial en este punto no

disminuye sino que aumenta, sin embargo, para un valor idealizado de 100, ( figura 4.8) el

campo eléctrico en este punto disminuye drásticamente.

Si se aumenta la permitividad del material se observa que para valores bajos, el campo

eléctrico se concentra en la parte inferior del primer faldón, y para valores muy altos de

permitividad el campo eléctrico se distribuye de mejor manera, lo cual sirve entonces para

determinar, que el aumento en la permitividad a valores prácticos no es suficiente por si

solo para atenuar el campo en dicha región.

A continuación se muestra como cambia el potencial eléctrico a lo largo de la superficie del

aislador, las gráficas brindan una idea de la razón de cambio del potencial.

Figura 4-9. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de

permitividad de 3.


70

Figura 4-11. Potencial eléctrico en un ANC con un valor

de permitividad de 10.


de permitividad de 20


71

Se observa que de la Figura 4.9 a la Figura 4.12 el potencial eléctrico cambia menos

abruptamente, a medida que el valor de la permitividad aumenta, para un valor muy alto de

permitividad (100), la gráfica se suaviza, lo que indica que la razón de cambio del potencial

eléctrico es casi similar a lo largo de la superficie, con respecto a la gráfica de un valor de

permitividad de 3, donde los cambios son muy agudos en los extremos del aislador.


de permitividad de 100.


72

4.4. Distribución del campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos

Aplicando el Principio de Refracción Dieléctrica

Cuando se tienen dos materiales dieléctricos con diferente permitividad, ambos a un ángulo

diferente a 90°, los ángulos de incidencia y refracción se encuentran relacionados de la

siguiente forma:

2

1

1

1

2

2

2

1

1

2

n2

t1

2

1 EE

tan

tan

n

n

n

n

n

t D

D

E

E

EE

Ecuación 4-2.

En la Figura 4-13 se muestran dos materiales dieléctricos con diferentes permitividades

situados entre dos electrodos planos paralelos, la interfaz no es perpendicular a la superficie

de los electrodos por lo que se puede observar una compresión de las líneas equipotenciales

en el punto P.

Figura 4-13. Materiales con diferente permitividad situados entre 2 electrodos

planos paralelos. [34]

Si el ángulo entre la interfaz y el electrodo es menor a 90°, la magnitud del campo eléctrico

tangencial en el punto P teóricamente tiende a ser infinita. La ley de la refracción


73

representada por la ecuación 4-2, puede ser utilizada para controlar el campo eléctrico, con

el fin de mejorar las capacidades de los materiales dieléctricos.

Cuando se tiene un arreglo de interfaz menor a 90°, la magnitud del campo eléctrico es

igual a la que se tendría con una interfaz totalmente perpendicular a los electrodos, sin

embargo al realizar este cambio, la componente tangencial del campo eléctrico, que es la

que más influye en el deterioro de los aislamientos, se ve considerablemente reducida.

Aumentando el valor de la permitividad del compósito de relleno del aislador, mejora la

distribución del campo eléctrico, las líneas equipotenciales se distribuyen de mejor manera,

la componente tangencial del campo eléctrico en la vecindad del herraje disminuye y el

potencial eléctrico decae más suavemente [34].


74

4.5. Modelado de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico con

Refracción Dieléctrica

Modificando la geometría del primer faldón, se obtienen mejores resultados en la

atenuación del campo eléctrico, lo cual se basa en el fenómeno de la refracción dieléctrica

principalmente, esta modificación aunada al aumento en la permitividad ayuda a atenuar el

campo eléctrico en el herraje energizado del aislador, con una modificación práctica y

viable.

Figura 4-14. Líneas equipotenciales en un ANC, modificando

la geometría del primer faldón y una permitividad de 3.

Como se observa en la Figura 4.14, con esta nueva geometría, las líneas equipotenciales se

encuentran más espaciadas en el herraje energizado, en comparación con la geometría

original (Figura 3.5), ambas para un valor de permitividad de 3, lo cual indica que con el

hecho de aplicar el principio de refracción dieléctrica se atenúa el campo eléctrico presente

en dicha zona.


75

A continuación se presenta como se espacian las líneas equipotenciales cuando se eleva la

permitividad, empleando el cambio en la geometría del aislador.


ANC, modificando la geometría del primer

faldón y una permitividad de 10.


ANC, modificando la geometría del primer

faldón y una permitividad de 20.

Como se puede observar las líneas equipotenciales ya se encuentran más espaciadas con la

nueva geometría y con un valor de permitividad razonable Figura 4.15.

Al distribuirse mejor las líneas equipotenciales se distribuye mejor el campo eléctrico

tangencial, que se representa en las siguientes gráficas, para los diferentes valores de

permitividad empleados.


76






77

En las gráficas anteriores da la impresión de que el campo eléctrico tangencial en el herraje

energizado, no disminuye sino que por el contrario aumenta. Un análisis más detallado

muestra que el campo eléctrico tangencial si disminuye en este punto, por lo que en la

Figura 4.20 se muestra en una sola gráfica, el campo eléctrico tangencial para los valores de

permitividad de 3, 10 y 20, enfocándose en el punto donde se unen el compósito aislante, el

herraje energizado y el aire (también denominado punto triple).




78

En la Figura 4.20 se grafica el campo eléctrico tangencial en la vecindad del punto triple,

donde se puede ver que el valor del campo eléctrico tangencial si disminuye, al aumentar la

permitividad de material, ver Tabla 4.2.

Tabla 4-2. Valores de inicio del campo eléctrico tangencial para los diferentes

Valores de permitividad.

Valor de la permitividad Valor de inicio del Campo eléctrico tangencial [kV/cm]

3 2.46

10 0.59

20 0.26

Se puede concluir entonces, que al aumentar la permitividad, si disminuye el campo

eléctrico tangencial dentro de las cercanías del primer faldón y más específicamente en el

punto triple y a su vez, el campo eléctrico que fue atenuado en esta zona, es desplazado y

distribuido a lo largo de la superficie del aislador, es decir el campo eléctrico que es

disminuido en una zona aumentara en otras. Ahora se muestra la caída de potencial

eléctrico para los diferentes valores de permitividad del aislador con la modificación en la

geometría.

Figura 4-20. Campo eléctrico tangencial en la vecindad del

punto triple.


79

Figura 4-21. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 3.



80

En estas últimas tres gráficas se puede observar que la curva de potencial eléctrico se

suaviza al aumentar la permitividad del compósito o material de relleno del aislador, en la

Figura 4.23 obtenemos una curva aceptable, con un valor de permitividad alcanzable y con

una geometría viable.


Capítulo 5 Justificación Económica

81



82

Debido a los materiales, los métodos de fabricación y la investigación requeridos para la

fabricación de un aislador polimérico, un análisis costo-beneficio mostraría que este

representa una buena inversión cuando se busca practicidad, funcionalidad, longevidad,

factibilidad y por supuesto confiabilidad en los sistemas eléctricos.

La instalación de aisladores en un sistema eléctrico genera un costo por concepto de

instalación, es una práctica común el empleo de grúas para sujetar una cadena de aisladores

cerámicos, lo cual se refleja en un alza en el costo. Por otro lado, un ANC al ser un solo

cuerpo mucho más liviano, es también mas practico en su instalación y sujeción, esto es

una característica muy importante cuando se busca minimizar costos, sobre todo en

sistemas eléctricos de muy alta tensión donde se requieren altos niveles de aislamiento.

En este caso particular se modeló un aislador polimérico de la marca OHIO BRASS

empleado en sistemas de transmisión en 115 kV, del cual se presenta a continuación la ficha

técnica que contiene sus especificaciones técnicas, el importe que se tiene que pagar por

una pieza con dichas características es de $ 750.00 la compra se encuentra sujeta a un cierto

número de piezas como mínimo, el precio no incluye los gastos de envío y la fecha de

cotización corresponde a octubre del 2009).


83

Figura 5-1. Hoja de características técnicas de aisladores marca Ohio-Brass. [35]

Nota: La fila sombreada corresponde a las características del aislador polimérico con el que

cuenta el laboratorio de Alta Tensión, de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y

Eléctrica unidad Zacatenco, el cual fue empleado en este trabajo.


84

Para la ejecución de un proyecto, es necesario contabilizar el monto al que ascienden los

recursos que se emplean en el, los recursos necesarios para este proyecto los clasificamos

en:

Recursos Materiales.

Recursos Humanos.

Con la clasificación anterior se puede estimar el presupuesto requerido para desarrollar

este proyecto, el cual se desglosa a continuación:

Tabla 5-1. Presupuesto requerido para la realización del proyecto.

Recurso

Número Unidades /colaboradores

Costo Unitario

Costo Total

Equipo de cómputo

Computadora

Impresora

Programas Computacionales

Comsol 3.5

Origin pro 8

Microsoft Office Profesional 2007

2

2

2

2

2

$ 15,499.00

$ 679.00

$138,500.00*

$ 34,625.00*

$ 6,605.00

$ 30,998.00

$ 1,358.00

$277,000.00

$ 69,250.00

$ 13,240.00

Mobiliario

2

$ 1,799.00

$ 3,598.00

Consumibles

2

$ 5,445.00

$ 10,890.00

Gastos Operación

Servicios

Sueldos y Salarios

Doctor en Ciencias en Ingeniería

Eléctrica, Investigador Nivel I

Ingeniero Electricista

2

1

2

$ 12,545.00

Costo por hora

$ 1,000.00

$ 200.00

$ 25,090.00

$ 96,000.00

$128,000.00

Gran Total

$655,424.00


85

Notas:

1) Las cifras con *

representan que el monto fue convertido de dólares americanos a

pesos mexicanos, considerando el tipo de cambio a $13.85 correspondiente al día 13

de Octubre del 2009.

2) Lo anterior es referido a que el costo de los paquetes computacionales, Comsol 3.5

y Origin Pro 8 es de $10,000 y de $ 2,500.00 dólares americanos respectivamente.

3) El doctor laboró un total de 96 horas durante el periodo de Marzo a Noviembre del

año 2009, mientras que los ingenieros laboraron 640 horas en el mismo periodo.

Capítulo 6 Conclusiones y Recomendaciones Para Trabajos Futuros

86

Capítulo 6 Conclusiones y

Recomendaciones Para

Trabajos Futuros


87

6.1. Conclusiones

Los aisladores no cerámicos son una alternativa que presenta diversas ventajas con respecto

a los aisladores cerámicos, como lo son: su bajo peso, fácil instalación, y su buen

comportamiento en ambientes contaminados, entre otros. Por otra parte representan un

desafío para la ingeniería debido a su naturaleza, es decir presentan una alta concentración

del campo eléctrico en ciertas zonas, por lo que es necesario desarrollar sistemas de

atenuación del campo eléctrico. Además tiene el problema de que los materiales envejecen,

perdiendo sus propiedades originales.

En este trabajo se modelaron diferentes casos de distribución de campo eléctrico en

aisladores no cerámicos (en lo subsecuente se menciona solo como “aislador”). Primero se

modelo la distribución del campo eléctrico en la superficie del aislador sin algún medio de

atenuación. Se muestra la alta concentración del campo eléctrico en ambos herrajes, pero

presentándose una concentración mucho mayor en el herraje del lado línea, donde el campo

eléctrico decae muy rápido y alcanza valores superiores al valor de incepción por corona

(30 kVpico/cm). Por lo anterior seguramente se presentaran descargas superficiales, lo que

provocara una acelerada degradación del material, debido al esfuerzo al que se ve sometido.

Empleando anillo equipotencial como sistema de atenuación en el herraje energizado, se

encontró que la concentración del campo eléctrico es menor respecto al caso anterior,

teniéndose en esta zona un valor del campo eléctrico tangencial por debajo del valor de

incepción por corona. Con el anillo equipotencial el potencial eléctrico decae suavemente a

lo largo de la superficie. Sin embargo la instalación de anillo equipotencial trae consigo

algunas desventajas como reducción de la distancia de arco en seco, la probabilidad de una

incorrecta instalación y peso extra.

Otra de las posibilidades para mejorar la distribución del campo eléctrico, se encuentra en

el modelado del aislador variando dos parámetros: la permitividad del compósito y la

geometría del primer faldón.


88

Se eligió trabajar con materiales de alta permitividad en lugar de materiales con

propiedades de varistor, debido a que estos últimos presentan perdidas por efecto joule, las

cuales se traducen en calor en diversas zonas de la superficie del material, lo que produce

paulatinamente su degradación.

Para valores muy altos de permitividad (cercanos a 100), la distribución del campo eléctrico

mejora idealmente, sin embargo los valores de permitividad más altos registrados son

cercanos a 20, por lo que se recurrió a aplicar el principio de refracción dieléctrica para

modificar la geometría del aislador.

Entonces, con un valor de permitividad no muy alto pero práctico y con una geometría del

primer faldón diferente, se obtuvo una concentración de campo eléctrico en el herraje

energizado por debajo del valor de incepción por corona.

Con los datos obtenidos se determina que con un valor de permitividad alcanzable y una

geometría adecuada se puede disminuir la componente tangencial del campo eléctrico en el

extremo energizado. El diseño de un aislador de este tipo es viable además de que conserva

sus ventajas fundamentales.


89

6.2. Recomendaciones Para Trabajos Futuros

Debido a que los aisladores poliméricos se encuentran remplazando progresivamente a los

antiguos aisladores cerámicos, será necesario seguir mejorando sus características. Algunas

recomendaciones para trabajos futuros son:

Se recomienda que se analicen otras geometrías para los faldones cercanos al herraje

energizado, además de considerar el desarrollo de materiales con alta permitividad que

permitan mejorar su desempeño.

Trabajar en la obtención de materiales con mayor permitividad sin incrementar su

conductividad eléctrica en base al dopaje del BaTiO3.

Referencias

90

Referencias

[1] E.A. Cherney, “Silicone Rubber Dielectrics Modified by Inorganic Fillers for Outdoor

High Voltage Insulation Applications”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical

Insulation, Vol 12, No. 6, Pp 1108-1115, 2005.

[2] E. A. Cherney, J. T. Burnham and R. S. Gorur , “Outdoor Insulators “ , Editorial: Ravi S

Gorur Inc , May 31, 1999.

[3] F. P. Espino-Cortes, Edward A. Cherney, y Shesha H. Jayaram, “Impact of Inverter

Drives Employing Fast Switching Devices on Form-Wound AC Machine Stator Coil Stress

Grading ”, IEEE Electrical Insulation Magazine, Volumen 23, No. 1, Pp. 16-28, 2007.

[4] F. P. Espino-Cortes, E. A. Cherney, y S. Jayaram, “Effectiveness of Stress Grading

Coating on Form Wound Stator Coil Groundwall Insulation under Fast Rise Time Pulse

Voltages”, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 20, No. 4, pag. 844- 851, 2005.

[5] Y. Shen, E. A. Cherney and S. H. Jayaram, “Electric stress grading of composite

bushings using high dielectric constant silicone compositions” IEEE International

Symposium on Electrical Insulation, Pp. 320-323, Sept. 2004.

[6] Dong-Hau Kuo, Chien-Chin Chang, Te-Yeu Su, Wun-Ku Wang, Bin-Yuan Lin,

“Dielectric Behaviours of multiple-doped BaTiO3/epoxy composites”, Elsevier, Journal of

the European Ceramic Society , Vol 21 Pp. 1171-1177, 2001.

[7] I.A. Velasco Davalos, C. Gómez -Yañez, J.J. Cruz-Rivera, “Mechanical Doping

Applied in Electroceramic Processing”, 5to Congreso Internacional de Ingeniería Mecánica

y de Sistemas, ESIME-IPN, Ciudad de México, Nov. 2008.

[8] J. Robertson and B.R. Varlow, “Particle Size Dependence on the AC and DC

Conductivity Characteristics of Barium Titanate Filled Acrylic Resin”, 2004 International

Confirence on Solid Dielectrics, Toulouse, France, July 5-9, 2004.

[9] Daniel Weida, Thorsten Steinmetz, and Markus Clemens, “Electro-Quasistatic High-

Voltage Field Simulations of Insulator Structures Covered with Thin Resistive Pollution or

Nonlinear Grading Material”, IEEE 2008, International Power Modulator Conference P.p.

580-583, 2008

[10] P.R. Emtage, “The Physics of Zinc Oxide Varistors”, J. of Appl. Phys. Vol. 48,

numero 10, Pp. 4372-4375, 1977.

[11] R. Rivas-Marquez, C. Gómez -Yañez, J.J. Cruz-Rivera, “Mechanical Activation of

ZnO Varistor Formulation”, 5to Congreso Internacional de Ingeniería Mecánica y de

Sistemas, ESIME-IPN, Ciudad de México, Nov. 2008.

Referencias

91

[12] B. C. H., “Electronic Ceramics”, Elsevier Applied Science, 1991.

[13] “Aislamiento de las líneas”, Textos Científicos Transmisión de Energía eléctrica,

Disponible en: http://www.textoscientificos.com/fisica/transmision-energia/aislamiento

[14] Patricio Concha, “Capitulo 2 Aisladores”, [20 Párrafos], Seminario de Titulación

Distribución de la energía Eléctrica Universidad del Bío Bío, Disponible en:

http://patricioconcha.ubb.cl/eleduc/_www/capitulo2/ailsadores.html.

[15] “Aisladores de Porcelana”, [3 párrafos], Global Soluciones, Disponible en:

http://globalsoluciones.cl/aisaldores%20polimericos.php.

[16] Gilberto Henriquez Harper, “Elementos de Diseño de subestaciones Eléctricas”, Pp.

363-365, 2000.

[17] “Líneas Aéreas”, http://miro.h3m.com/~s04be433/lineas/aereas/lineasaereas.html.

[18] “Aisladores de vidrio de caperuza y vástago para líneas eléctricas aéreas de alta

tensión”, [3 párrafos], Norma Iberdrola NI 48.10.01, 2002, Disponible en:

http://www2.iberdrola.es/DIEFI/928Norm.nsf/0/8386a8c9de96df27c1256b64005daebd/$FI

LE/48-10-01(3-0)nw.pdf.

[19] Ingeniería Eléctrica Explicada, “Ventajas del aislador de vidrio respecto al de

porcelana en líneas eléctricas”. Disponible en:

http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/2009/10/ventajas-del-aislador-de-

vidrio.html.

[20] GLOBAL Soluciones, “Aisladores de Porcelana”, Disponible en:

http://www.globalsoluciones.cl/noticias/foto_noticia/aisladores%20porcelana.JPG.

[21] PFISTER I SEFAG,”Sistemas de Líneas Aéreas, Datos Técnicos Aisladores de

Silicona SILCOSIL”, [20 hojas], Composite Insulators, 2008.

[22] SITECE, “Sistemas de Retención y Suspensión”, AVATOR, Disponible en:

http://www.ubemo.com.ar/avator/index.html

[23] SITECE, “Aisladores Poliméricos, Instrucciones y recomendaciones”, AVATOR

[24] Ravi S.Gorur, Edward A. Cherney and Jeffrey T. Burnham, Outdoor Insulators, 1999.

[25] A. J. Phillips et al , “Electric Field on AC Composite Transmission Line Insulators“,

IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 23, No. 2, Pp. 823-830, Abril 2008.

[26] “Capitulo2 Descripción del Fenómeno de Descargas Parciales”, [12 hojas], Disponible

en: http://echivo.uc3m.es:8080/bitstream/10016/624/14/Cap1y2.pdf

http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/2009/10/ventajas-del-aislador-de-vidrio.html

http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/2009/10/ventajas-del-aislador-de-vidrio.html

http://www.globalsoluciones.cl/noticias/foto_noticia/aisladores%20porcelana.JPG

Referencias

92

[27] Jony G. Oscar, “¿Por qué son Impregnadas las Secciones Metalizadas de un

Capacitor?, Las descargas Parciales y su Efecto en los Capacitores ”

[28] Proyecto SIEPAC Línea de Transmisión Eléctrica 230 kV- Tramo Nicaragua, “”Efecto

Corona”, Documento de Impacto Ambiental, Disponible en:

http://www.iadb.org/exr/pic/environmental/EIA_NI_web/DIA/DIA_B.pdf

[29] Andrade Marcos, Liptching Ariel, Gómez María Eugenia, “Detección de Efecto

Corona en Aislamientos de media y Alta Tensión ”, 1º Congreso uruguayo de

Mantenimiento , Gestión de Activos y Confiabilidad, Montevideo-Uruguay,2005

[30] División de Ingeniería y Obras. Gerencia de Distribución CODENSA,

“Especificación Técnica: Aisladores Poliméricos Para Líneas Aéreas de Alta Tensión”,

página 8, 2003

[31] Vázquez Ramírez I, Espino Cortes Fermin P., “Uso de Materiales con Conductividad

No-Lineal para Atenuar la Intensidad del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos”,

RVPAI2009.

[32] Moreno Ospina Germán, Valencia Velásquez Jaime Alejandro, Cárdenas Agudelo

Carlos Alberto, Villa Acevedo Walter Mauricio, “Fundamentos e Ingeniería de las Puestas a

Tierra Respuestas Ante Fallas Eléctricas y Rayos”, Universidad de Antioquia, Página 18,

2007.

[33] A.M. PORTIS, “Campos Electromagnéticos”, Reverté, P. 133, 1985.

[34] Kuffel E, Zaengl W.S., Kuffel J, “High Voltage Engineering”, Platna Tree, Pp. 232-

235, 2000.

[35] Catálogo de productos Ohio-Brass, Disponible en : www.hubbell.com.mx

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/7166/1/29.pdf ·...

Documents

Transcript of INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/7166/1/29.pdf ·...