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Cut-Out poliméricos

La nueva generación: requisitos y ensayos

1 CUT-OUTs POLIMÉRICOS INAEL: VENTAJA COMPETITIVA

La nueva generación de cut-out poliméricos: requisi tos mínimos y ensayos.

Dr. Daniel Fernández Hevia, INAEL Electrical Systems

RESUMEN

Durante la última década, los equipos instalados en redes eléctricas

de distribución han evolucionado hacia el uso generalizado de aislamientos

poliméricos, ganando así en maniobrabilidad, ligereza, y facilidad de

mantenimiento con respecto a los sistemas de aislamiento en porcelana.

Este proceso ha permitido que se introdujeran en el mercado productos

deficientes, en general poco ensayados y, en particular, sin los ensayos

específicos relacionados con la utilización de aislamientos poliméricos.

Los cut-out poliméricos de INAEL presentan una clar a ventaja

competitiva cuando se comparan con el resto de equi pos del

mercado: nuestros cut-out son los únicos que han si do diseñados

para soportar los impulsos de frente escarpado que forman parte del

ensayo llamado “ de los herrajes y las interfases ” .

Todos los fabricantes en el mercado incluyen una pa rte metálica

“escondida” debajo de la silicona en el cuerpo cent ral (véase la Fig. 3

en la pág. 13 de este informe). Ha quedado ampliame nte demostrado

que este estilo constructivo induce una distorisón del campo

electromagnético asociado con los impulsos de frene te escarpado, de

tal modo que dichos impulsos no pueden contornear p or la parte de

fuera del aislamiento (como deben hacer de acuerdo a la norma), sino

que son forzados a penetrar entre el aislamiento de silicona y la barra

de fibra de vidrio. Este fenómeno perfora el aialam iento del cut-out y,

en última instancia, hace que falle en el ensayo de tipo.

El presente artículo ofrece una explicación de este fenónemo y una

descripción teórica y experimental de la evidencia que sooporta sus

principales conclusiones. En la primera parte discutimos la evolución de los

materiales aislantes de alta tensión, desde cerámicos a poliméricos. Se

analiza el desarrollo normativo asociado con el cambio de materiales, y se




comparan las ventajas e inconvenientes de cada uno. En la segunda parte,

se analiza la situación normativa específica de los nuevos cut-out con

aislamiento polimérico recientemente introducidos en el mercado. En la

tercera parte se presentan los resultados de un estudio experimental

exhaustivo sobre el grado de cumplimiento con las normas que presentan

los cut-out poliméricos existentes en el mercado. El estudio se enfocó hacia

aquellos ensayos de diseño específicamente relacionados con la

naturaleza polimérica del aislamiento, y fue motivado por la enorme

variabilidad de prestaciones y de ensayos de respaldo detectada en los

productos colocados en el mercado nacional.




PARTE I: AISLAMIENTO POLIMÉRICO VS. CERÁMICO

I.1 INTRODUCCIÓN

Existen varias razones para el creciente uso de materiales poliméricos en la

fabricación de equipos de alta tensión. Las extraordinarias propiedades de las superficies

de ciertos polímeros [1-6] resultan muy útiles para su aplicación como aislamiento eléctrico

en zonas de media y alta polución. La elección adecuada del polímero permite reducir

sensiblemente las corrientes de fuga, los contorneos, y el fenómeno de “dry band arcing”

(rastreo en bandas secas) [7-11].

El control de las corrientes de fuga es una propiedad básica de ciertos materiales

poliméricos, adecuadamente formulados y desarrollados. Estos mismos materiales

presentan, además, una excelente resistencia a la intemperie y a la degradación por

envejecimiento: cuando la estructura química de un material polimérico se diseña de tal

modo que los enlaces son resistentes a la luz UV, dicho material puede ofrecer una vida útil

superior a los 30 años, como ya se ha comprobado en la práctica en las más de cuatro

décadas de historia del aislamiento polimérico implantado a gran escala.

A nivel microscópico, la cuestión clave son las propiedades físico-químicas de la

superficie del polímero, y la estabilidad de las mismas frente a campos electromagnéticos.

Estas propiedades son: (1) estructura electrónica superficial [12, 13]; (2) reconstrucción

superficial de enlaces químicos [14, 15]; y (3) energías de adsorción y barreras de difusión

para diversas especies químicas [16, 17]. Estas características microscópicas son las que

dotan a la superficie polimérica de sus propiedades termodinámicas útiles: elevada tensión

superficial, hidrofobicidad, y capacidad de auto-limpieza y auto-regeneración.

I.2 EVOLUCIÓN HISTÓRICA Y PRINCIPALES DESARROLLOS

A finales de los 50, con las líneas eléctricas de transmisión en constante

crecimiento, se presentó la necesidad de desarrollar aisladores no cerámicos (ANC’s) para

las nuevas de líneas de 1000 kV en EEUU. Dicha necesidad surgió inicialmente por

razones de manipulación, montaje, y mantenimiento. En 1959, General Electric desarrolló




el primer ANC, pero este primer modeló presentó graves problemas de rastreo y erosión en

la superficie de las aletas, realizada mediante resinas epoxídicas. En Europa, AEG en

Alemania asumió el liderazgo de estos desarrollos y, a principios de los años 60, los

europeos introdujeron la primera generación de aisladores poliméricos modernos,

fabricados a partir de una barra de fibra de vidrio, recubierta con varios tipos de aletas

poliméricas y equipada con herrajes metálicos en sus terminaciones. En la Feria de

Hannover de 1964, Siemens presentó el primer aislador polimérico fabricado en Europa.

No obstante, las tecnologías de base necesarias no estaban aún maduras y los productos

no resultaban plenamente satisfactorios. Para conseguir elementos con la funcionalidad y

fiabilidad necesarias hizo falta que, a lo largo de los años 60 y 70, se desarrollaran

fuertemente tres áreas de conocimiento que formaron los pilares sobre los que se asentó el

desarrollo de esta nueva generación de aisladores:

- El conocimiento de los materiales apropiados;

- El conocimiento de los procedimientos de ensayo apropiados; y

- El conocimiento de las tecnologías de producción apropiadas.

I.2.1 Los materiales apropiados

Los primeros prototipos de ANCs fabricados a partir de los años 60 se realizaron mediante

un núcleo de plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV) y una envolvente de resina epoxy

cicloalifática (REC). La tecnología de producción de las barras de PRFV fue desarrollada ad hoc,

mientras que la tecnología de montaje de los herrajes se reconoció como un “problema nuevo”,

asociado con la tecnología de ANCs. En los primeros prototipos, los herrajes quedaban unidos

mediante anillos de fibra de vidrio que corrían a lo largo del cuerpo del aislador, por debajo de la

envolvente. Pero esta estructura presentó resultados negativos en todas las pruebas, tanto

mecánicas como eléctricas. En un siguiente paso, se desarrollaron herrajes cónicos o en forma de

cuña, pero entonces la envolvente de REC fallaba durante cualquier ensayo que afectara a la

inferfase herraje-núcleo, como los ensayos de liberación brusca de la carga, o los de impulsos de

tensión de frente escarpado. Se comprendió que la envolvente rígida de REC presentaba graves

problemas de adherencia con el núcleo, y el espacio bajo el aislador indebidamente adherido al

núcleo llevaba a punciones y fallos en cualquier ensayo eléctrico. Los ensayos exhaustivos

desarrollados entre 1970 y 1972 permitieron comprender que el material de la envolvente debía ser

una goma flexible con excelentes propiedades en los siguientes aspectos: (1) Intemperización y




envejecimiento; (2) Resistencia al efecto corona; (3) Flexibilidad a bajas temperaturas / fragilización;

y (4) Resistencia a la erosión. Se identificaron diversos tipos de materiales como posibles

candidatos hasta que, en los 90, numerosos resultados publicados en revistas científicas y

congresos establecieron inequívocamente que los ANCs deberían basarse exclusivamente en

elastómeros de silicona. Otros materiales plásticos populares (y más baratos) como el EPDM, o

incluso las mezclas de EPDM y silicona, se encontraron inadecuados por presentar propiedades

eléctricas insuficientes [18].

I.2.2 Las técnicas de ensayo adecuadas

La preparación de normas internacionales sobre aisladores poliméricos ha llevado mucho

tiempo, y se han publicado miles de artículos científicos sobre metodologías de ensayo que

permitan verificar la calidad, durabilidad, y fiabilidad de los ANCs. Se identificaron desde el principio

tres áreas de preocupación en las que fue necesario desarrollar y evaluar ensayos completamente

nuevos: (1ª) La robustez mecánica y eléctrica de las diferentes interfases presentes en el sistema

(interfases entre el núcleo de PRFV, los herrajes, y la envolvente polimérica). (2ª) La calidad y

fiabilidad del núcleo de PRFV (a fin de garantizar que no se producirían fenómenos de fractura

frágil, corrosión, o pérdida de propiedades mecánicas). (3ª) La degradación del material polimérico

y el envejecimiento del aislador, para cuya evaluación se desarrollaron diversos procedimientos de

envejecimiento acelerado, a fin de garantizar una vida en servicio mínima de 25-30 años.

Finalmente, hoy por hoy existe un conjunto exhaustivo de normas que fijan los ensayos y

requisitos, de modo que el éxito en los ciclos de ensayo en laboratorio se ha podido

correlacionar inequívocamente con el éxito en servi cio real del aislador . Los ensayos

prescritos se basan en tres décadas de experiencia acumulada y permiten realizar la identificación

“éxito en los ensayos = éxito en servicio”, otorgando a los ANCs una fiabilidad y durabilidad igual o

superior a la de cualquier aislador cerámico o vítreo. El corpus normativo actual está formado por:

• IEC 61109: Edición 2.0 (2008-05)

Aisladores para líneas aéreas – Aisladores de suspensión y tensión fabricados en composite para

sistemas de corriente alterna con tensión superior a 1 000 V – Definiciones, métodos de ensayo, y

criterios de aceptación.

• IEC 62217: Edición 1.0 (2005-10)

Aisladores poliméricos de interior y exterior con tensión superior a 1 000 V – Definiciones generales,

métodos de ensayo, y criterios de aceptación.

• IEC/TS 62073: Edición 1.0 (2003-06)

Guía para medir la mojabilidad de superficies aislantes.




I.2.3 La adecuada selección de las tecnologías de producc ión

Algunas técnicas de fabricación inicialmente utilizadas, como la “tecnología de aleta

individual” (producción individual de aletas que, posteriormente, se pegan una a una sobre una

barra polimérica plana que envuelve al núcleo de PRFV), se revelaron económicas pero muy poco

fiables, causando frecuentes punciones en los puntos débiles que aparecen en las uniones entre

las aletas y el cuerpo polimérico cilíndrico. Poco a poco estas técnicas fueron evolucionando hacia

otras, más maduras. Finalmente, el moldeo por inyección [19] se estableció como el método por

excelencia, combinando una alta eficiencia, bajo coste, una conformación del aislador de alta

calidad, flexibilidad en el diseño de la geometría del aislador, y unas prestaciones excelentes tanto

en ensayos como en campo.

I.3 LO QUE LA EXPERIENCIA NOS HA ENSEÑADO

Cualquier aislador polimérico moderno presenta un diseño básico que se

corresponde con el mostrado en la Figura 1. Todos los sistemas comprenden un núcleo

mecánico interno (una barra de PRFV), rodeado por una envolvente polimérica aislante.

Pero esta breve descripción es todo lo que los distintos diseños tienen en común: a partir

de ahí, se abre un mundo de diferentes estructuras, estilos de fabricación, y materiales,

que marcan enormes diferencias entre unos productos y otros.




Figura 1.- Elementos generales de un aislador polimérico moderno.

Lo que la experiencia nos enseña, tras 50 años de desarrollos, ensayos, y

acumulación de resultados, tanto en laboratorios como en campo, es que existen un

conjunto de reglas relativas a cualquier diseño válido de aislador polimérico con el fin de

que funcione exitosamente en una aplicación real en un sistema de alta tensión. Son las

siguientes:

• El material aislante debe ser silicona de alta calidad. EPDM, mezclas silicona-EPDM,

o resinas cicloalifáticas, no ofrecen las prestaciones necesarias que garantizan la

vida en servicio mínima [20-22].

• La envolvente debe estar siempre químicamente unida al núcleo. Si no es así, el

sistema es fuertemente proclive a la degradación de la inferfase, lo cual conduce al

fallo del aislador.

• El material plástico reforzado con fibra de vidrio que conforma el núcleo mecánico

debe ser fabricado mediante una matriz de resina epoxy y una suspensión de fibras

de vidrio de grado “ECR” (Electrical and Chemical Resistant” ó resistentes eléctrica y

químicamente), lo cual se consigue fundamentalmente mediante la utilización de

vidrios libres de boro [23]. Otras fibras de vidrio, que no sean de grado ECR, llevan a




fenómenos de fractura frágil y a fallos catastróficos. En particular, barras producidas

a partir de vidrios borados son proclives a la fractura frágil.

• Los herrajes deben quedar siempre sellados herméticamente.

• Los herrajes nunca deben “sobremoldearse” con la envolvente o embeberse en la

silicona. Al hacerlo, aparecen puntos de enorme campo electric dentro de la

envolvente que la degradan, deshacen el sellado hermético y, en última instancia,

llevan al fallo del aislador.

• Las “aletas” y el “cuerpo” deben ser uno y lo mismo. Técnicas de “aleta individual”

(aletas pegadas a un cuerpo polimérico cilíndrico liso) deben evitarse debido a una

tendencia clara al fallo eléctrico (por contorneo o por punción) en torno a las uniones

de las aletas individuales con el cuerpo.

Y, lo más importante con enorme diferencia…

• TODO lo anterior debe demostrarse con ensayos (i.e., no vale con, simplemente,

“asegurarlo”). Los ensayos deben ser los recogidos en las normas antes citadas, sin

excepción, y deben haberse realizado exactamente sobre el producto en cuestión (y

no sobre “otro parecido”).

I.4 COMPARACIÓN ENTRE AISLADORES POLIMÉRICOS Y CERÁM ICOS

Los aisladores poliméricos presentan muchas ventajas sobre aisladores cerámicos o

de vidrio: excelentes prestaciones en entornos contaminados, ligereza, sencillez y

comodidad de manipulación, bajo mantenimiento… Baste pensar que, en muchos entornos

de fuerte polución, es práctica habitual recubrir con silicona a los aisladores cerámicos,

proceso costoso, difícil, y bastante ineficiente cuando se compara con lo que constituye la

solución natural: la sustitución de dichos aisladores por modernos aisladores poliméricos.

Las ventajas de los aisladores poliméricos están relacionadas con un conjunto

específico de propiedades materiales, que dependen tanto del polímero concreto con el

que estén fabricados, como del diseño y del proceso de fabricación:

• Ligereza, facilidad de manipulación y montaje.

• Propiedades superficiales → Hidrofobicidad estable:

“Hidrofobicidad” significa que la superficie del ai slador se resiste a ser mojada,

i.e., se resiste a la formación de películas contin uas de humedad [24-26]. Esto se

debe a que su elevada tensión superficial retiene e l agua en forma de gotas

aisladas, separadas las unas de las otras, evitando así la formación de canales




conductores que puenteen el aislamiento a través de la superficie. Ciertos

elastómeros (v.g. EPDM o sus mezclas) pueden presen tar hidrofobicidad cuando

acaban de ser fabricados, pero su exposición al cli ma y las solicitaciones

eléctricas degrada rápidamente esta propiedad, haci endo que la superficie se

vuelva hidrófila y contornee fácilmente bajo tensió n. Hasta hoy, solo los

elastómeros de silicona de alta pureza han demostra do poseer una hidrofobicidad

estable, independiente de las condiciones ambiental es y de las solicitaciones

eléctricas. La hidrofobicidad estable implica:

- Excelentes prestaciones bajo condiciones de polució n severa.

- Capacidad de auto-limpieza, puesto que la suciedad queda atrapada y aislada,

sin posibilidad de que forme caminos secos conducto res.

- Gran resistencia a fenómenos de contorneo o de rast reo en caminos secos

(“dry-arcing”).

- Libre de operaciones de mantenimiento.

La silicona de alta calidad es, hasta hoy, el único material que presenta todas estas

propiedades en grado máximo y de forma estable.

Establecidas estas bases, pasamos a describir las ventajas más relevantes ofrecidas

por los aisladores poliméricos frente a los cerámicos o de vidrio.

Ventajas asociadas con las prestaciones bajo polución:

• Los diseños basados en elastómeros de silicona han demostrado sin duda

alguna que ofrecen mejores prestaciones que los aisladores cerámicos. Esta

“mejora” en las prestaciones se cuantifica como una menor probabilidad de

contorneo bajo cualesquiera condiciones ambientales, medida tanto en el

laboratorio como en campo, tanto para aisladores nuevos como para productos

envejecidos en laboratorio o en campo tras décadas de servicio.

• Los registros actualmente disponibles demuestran que los diseños basados en

elastómeros de silicona han ofrecido excelentes prestaciones en campo durante

más de 30 años. No obstante, los mismos registros demuestran también que esto

solo ocurre con aisladores que hayan superado los ensayos de envejecimiento

acelerado de 5 000 horas, descritos en IEC 61109 and IEC 62217.




• Los diseños basados en EPDM han demostrado ofrecer prestaciones similares a

las de los aisladores cerámicos con respecto a contorneos en condiciones de

polución severa. También se ha encontrado que estos diseños envejecen y se

degradan en campo, lo cual correlaciona con sus dificultades para superar los

conjuntos completos de ensayos según IEC 61109 and IEC 62217.

Ventajas asociadas con la manipulación, mantenimiento, y vandalismo:

• Los diseños poliméricos ofrecen hasta un 90% de reducción de peso respecto a

los productos cerámicos.

• Los diseños cerámicos requieren frecuentes lavados para retirar depósitos de

contaminación, mientras que los poliméricos no necesitan mantenimiento.

• Los diseños cerámicos suelen ser recubiertos de silicona para mejorar sus

prestaciones bajo polución, operación que requiere trabajo y dedicación de

personal.

• Los aisladores poliméricos resisten el vandalismo y no se fragmentan al ser

disparados con armas de fuego.

PARTE II: REQUISITOS Y ENSAYOS DE CUT-OUT POLIMÉRICOS

II.1 INTRODUCCIÓN

Debido a las ventajas que presenta el aislamiento polimérico frente al cerámico en sistemas

de alta tensión, su uso se ha extendido a un gran número de productos, más allá de los aisladores

per se. Quizá los dos productos más importantes que han incorporado las ventajas de un

aislamiento externo de tipo polimérico sean los pararrayos, en todo el rango de tensiones desde

1000 V hasta 400 kV, y los cortacircuitos fusibles de expulsión (los comúnmente llamados “cut-

out”), en todo su rango de aplicación hasta 36 kV.

En ambos casos, la implantación del aislamiento polimérico cogió al traspié a la normativa

nacional e internacional, forzando a los usuarios a desarrollar imaginativas especificaciones,




basadas únicamente en la intuición y el buen conocimiento ingenieril de sus redactores, pero sin

base en documentos normativos de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) o de AENOR. Y,

en ambos casos, la reacción por parte de la CEI no se hizo esperar, aunque los resultados han sido

sustancialmente distintos.

En el caso de los pararrayos, por su naturaleza y función (muy diferente de la de un aislador

polimérico de líneas aéreas), el TC 28/37 de CEI optó por preparar una norma totalmente nueva,

que recogiera explícitamente todos los requisitos de ensayo exigibles a pararrayos con envolvente

polimérica. Las ediciones de la IEC 60099-4 publicadas a partir del año 2000 contienen todo lo

necesario para ensayar pararrayos con envolvente polimérica desde todos los posibles puntos de

vista.

En cambio, en el caso de los cortacircuitos fusibles de expulsión la situación es distinta:

ciertamente, las bases soporte de un cut-out son más parecidas a un aislador de línea de lo que lo

es un pararrayos. Por tanto, en este caso, el TC 32 de CEI optó por revisar la norma base de cut-

out (la CEI 60282-2) para incluir menciones explícitas a las normas base de aisladores poliméricos,

y establecer su obligado cumplimiento, pero sin repetir en la 60282-2 las prescripciones de ensayo

y los requisitos que ya están suficientemente bien establecidos en las CEI 61109 y CEI 62217.

En todo caso, la norma CEI 60282-2 es muy clara con respecto a los ensayos que debe

cumplir un cut-out polimérico, y al “objeto de ensayo” que debe haber cumplido esos ensayos.

Nuestra picaresca nacional ha inventado diversas argucias para intentar subvertir estas

prescripciones, que son claras e inequívocas. Por ello dedicaremos esta sección a explicar lo que

norma dice y exige, sin ambigüedad y más allá de toda duda.

II.2 LAS EXIGENCIAS ESPECÍFICAS DE ENSAYO DE CUT-OUT POLIMÉRICOS

Antes que nada, conviene decir que la norma es clarísima respecto a lo que hay que

ensayar: un cut-out polimérico. Evidente, podría decir el amable lector; pues bien, por desgracia no

lo es tanto. Los principales usuarios están inundados de “carpetas de ensayo” para “cut-out” que,

examinadas siquiera superficialmente, revelan hechos sorprendentes: el objeto bajo ensayo para

los ensayos específicos del polímero no es un cut-out, sino un aislador de suspensión o de apoyo, y

los ensayos de poder de corte no están realizados sobre el cut-out polimérico, sino sobre uno

cerámico. Asombroso pero cierto: así, con estos ensayos, han homologado numerosos

importadores en España, y nuestras líneas están llenas de cut-out poliméricos homologados con

este tipo de “carpetas de ensayo”. Situación no sólo injusta sino especialmente inútil: si se quiere




rebajar el listón y declarar innecesaria la realización de ensayos, hágase oficialmente y para todos

por igual, de manera que todos los fabricantes puedan competir en igualdad de condiciones, en

beneficio de todos.

Para argumentar por qué razón los ensayos deben realizarse sobre el propio cut-out, y no

sobre un aislador de suspensión (u otra “cosa parecida”), y por qué los ensayos de poder de corte

deben realizarse sobre el propio cut-out polimérico, y no sobre uno cerámico, bastaría con ofrecer

dos razones: 1º Por que la norma lo dice, y eso debería bastar: los normalizadores no establecen

requisitos por capricho sino tras cuidadosa evaluación de aquello que realmente importa. 2º

Porque, en realidad, es un requisito obvio y de sentido común. No obstante, no nos conformaremos

aquí con esta argumentación y, en lo que sigue, desarrollaremos brevemente las razones técnicas

de fondo por las que la norma “pide lo que pide” (i.e., exige que tanto los ensayos de poder de corte

como los de envejecimiento de la envolvente se realicen sobre la propia base aislante del cut-out, y

no sobre otros productos “parecidos”), desmontando los endebles argumentos con los que

fabricantes temerosos de las malas prestaciones de sus productos defienden su carencia de

ensayos adecuados.

II.2.1 Sobre los ensayos específicos de la envolvente poli mérica.

Los ensayos de diseño desarrollados en las normas CEI 61109 y CEI 62217 validan: (1) el

material polimérico; (2) la barra de vidrio; (3) el diseño, especialmente en lo referente a la

adherencia polímero/barra y a las técnicas de sellado utilizadas; y (4) la metodología de fabricación,

especialmente las técnicas de fijación de los herrajes. Estos cuatro elementos forman un conjunto

inseparable y fuertemente interrelacionado: los ensayos someten a examen a dicho conjunto, y no

sólo a alguna parte del mismo. Sólo uno de los ensayos prescritos en CEI 61109 puede

considerarse como relacionado únicamente con una de las partes: el ensayo químico y mecánico al

que se somete el material de las barras de vidrio. En particular, es estrictamente falso que los

ensayos de envejecimiento acelerado examinen sólo el material polimérico y que, por tanto,

probado dicho material en un aislador, debe aceptarse como probado para cualquier producto

fabricado con el mismo material. El éxito o el fracaso en los ensayos de envejecimiento no sólo

depende del material polimérico, sino, fundamentalmente, de la distribución de campo eléctrico

sobre la superficie del aislador, i.e., de su diseño geometría, y del cuidado que se haya tenido para

minimizar los puntos intensificadores de campo eléctrico y homogeneizar al máximo el reparto de

potencial.

A lo largo de la última década, innumerables artículos técnicos y científicos han estudiado la

distribución de campo eléctrico en la superficie de aisladores poliméricos de alta tensión [27, 28]. La




sensibilidad de dicha distribución a la geometría de los herrajes, a las distancias entre partes

metálicas, y a las distancias entre partes metálicas y aletas, ha sido abundantemente descrita [28].

Es, por tanto, absolutamente evidente, que la distribución de campo en un cut-out no tiene nada

que ver con la distribución a lo largo de un aislador polimérico: véanse las Figs. 2 y 3 y compárese

las formas de los herrajes, las distancias y ángulos entre partes en tensión y partes a tierra, la

presencia de grandes masas metálicas a tierra bajo la superficie del aislador… Incluso si ocurriese

que la geometría de un aislador de suspensión (tamaño de aletas, alternancia, factor de forma, nº

de aletas por kV, separación entre aletas, espesor de silicona sobre el cuerpo de fibra de vidrio,

etc.) fuese idéntica a la del aislador base del cut-out, los ensayos realizados sobre el aislador de

suspensión jamás podrían considerarse como válidos para el cut-out. Esto es evidente y, además,

la norma lo indica expresamente.

Figura 2.- Geometría general típica de un aislador polimérico de 36 kV.




Figura 3.- Geometría general típica de un cut-out polimérico. Nótense las enormes diferencias respecto a un

simple aislador de suspensión en lo referente a distancia y ángulos entre partes a tierra y partes en tensión,

geometría de los herrajes, presencia de grandes masas metálicas a tierra bajo la envolvente.

En los últimos años, fabricantes ó comercializadores con pocos escrúpulos han introducido

cut-out en el mercado que no han sido ensayados, argumentando que, como el material es el

mismo que tal o cual fabricante usa para sus aisladores de suspensión, los cuales sí que están

ensayados, entonces esos ensayos “valen”. Argumento escandalosamente falaz, pero que ha

permitido introducir en nuestras líneas productos de muy bajo coste y aún inferior calidad.

Inciso: sobre el ensayo de frente escarpado.-

Para terminar esta sección, quisiéramos subrayar un elemento importante que

aparece en la Fig. 3: la existencia de grandes masas metálicas a tierra b ajo la

envolvente . Esta característica es una realidad en TODOS los cut-out del mercado

excepto en el de INAEL Electrical Systems , que desarrolló y patentó una pieza especial

en fibra de vidrio bobinada de alta resistencia para resolver la fijación entre el herraje central

de puesta a tierra y la barra de fibra de vidrio axial del cut-out. Debido a la presencia de esta

gran masa metálica a tierra, los cut-out se ven prácticamente imposibilitados para superar




con éxito uno de los ensayos clave establecidos en las normas CEI 61109 y CEI 62217: el

llamado “Ensayo de los herrajes y las interfases”, que tiene como ingrediente fundamental el

ensayo de impulsos de tensión de frente escarpado. Como veremos en la parte III del

presente artículo, nuestros resultados experimentales confirman lo que el cálculo y la teoría

de descargas en dieléctricos [29-33] ya permite sospechar: que los aparatos con una masa

metálica a tierra bajo la envolvente tienen enormes dificultades para superar el ensayo de

frente escarpado, porque los impulsos de tensión con pendientes superiores a 1000 kV/µs

buscan el camino más corto a tierra y acceden a la masa conductora interna, despegándola

de la envolvente, y destruyendo el sellado y la hermeticidad del equipo.

La situación descrita en el inciso anterior ofrece una buena explicación sobre la razón última

por la que ciertos comercializadores no ofrecen ensayos de cut-out poliméricos realizados sobre

verdaderos cut-out poliméricos: simplemente, porque sus productos no pueden pasarlos. Todos los

cut-out poliméricos existentes en el mercado (excepto el cut-out patentado por INAEL) presentan la

masa metálica a tierra bajo la envolvente, que impide la superación con éxito de uno de los ensayos

más importantes prescritos en las normas internacionales. Ante esa situación, la única salida es

presentar ensayos de otro producto: un aislador de suspensión, por ejemplo, que por construcción

no presenta ese problema.

II.2.2 Sobre los ensayos de poder de corte.

Los ensayos de poder de corte son el corazón, la quintaesencia del ciclo de ensayos al que

se somete un cortacircuitos fusible de expulsión. No es este el momento de repasar la tecnología

de liberación de gases que se encuentra en la base del mecanismo de corte empleado por los cut-

out [34-40]: baste decir que el tubo dentro del cual se produce la separación de contactos es un

elemento a la vez basto y sutil, de bajo coste pero con unos principios de funcionamiento que

implican mecanismos físicos sofisticados. INAEL, como otros fabricantes de calidad, desarrolló

recubrimientos sofisticados para los tubos, basados en la utilización de nanopartículas de TiO2, que

actúan como catalizadoras de la liberación de hidrógeno (un fenómeno muy similar a la fotocatálisis

espontánea utilizada para la generación de H2 limpio a partir de la oxidación del agua).

Toda esta tecnología llevó en cierto momento del pasado, a la creencia de que, en un cut-

out, “el tubo es lo que corta”. Desde hace tiempo, sin embargo, es bien sabido que esto no es así:

el mismo tubo puede cortar en un diseño y no cortar en otro. ¿Por qué? Sencillo: por los fenómenos

electromecánicos involucrados en la operación de corte. Es cierto que el tubo es el sólo y único

responsable de la generación del gas en cuyo seno se interrumpe la corriente, y que además es




agente coadyuvante en la aceleración de expulsión del contacto que permite la extinción efectiva

del arco. Pero también es cierto que: (1) El conjunto de contacto inferior, sus muelles, su diseño

mecánico, así como la rigidez y elasticidad de toda la estructura soporte, contribuyen en gran

medida a la aceleración de expulsión del contacto. (2) La base aislante ofrece una estructura

soporte que se ve sometida a intensos esfuerzos mecánicos durante la operación de corte. Por

ejemplo, durante los primeros instantes del corte, la cabeza del tubo portafusible empuja contra el

conjunto de contacto superior sometiéndolo a intensos esfuerzos de tracción y flexión, tendiendo a

“arrancar” el contacto de su estructura de soporte. La base aislante debe ser suficientemente

robusta como para soportar estos esfuerzos y, aún así, quedar en condiciones para ser reutilizada.

Por ello es evidente que NO puede valer un ensayo en una determinada base como garantía para

otra base diferente, y muchos menos aún si una de ellas es polimérica y la otra cerámica.

La introducción en el mercado de cut-out poliméricos con el sólo respaldo de “ensayos de

los tubos” en bases de porcelana demuestra claramente la perversa situación actual, en la que

ausencia de reglas comunes para todos propicia una bajada de costes ficticia, que podría ser muy

superior si se aplicaran a todos las reglas que, de forma vergonzante, se aplican solo a algunos.




PARTE III: EVALUACIÓN DE CUT-OUT POLIMÉRICOS DE MERCADO

III.1 INTRODUCCIÓN

A fin de evaluar las prestaciones de los distintos diseños y, sobre todo, de validar los

modelos teóricos que demuestran la imposibilidad de que los diseños actuales de cut-out (con una

masa metálica a tierra bajo la envolvente polimérica) superen el ensayo de los herrajes y las

interfases prescrito por CEI 60282-2, CEI 61109, y CEI 62217, el Laboratorio de Alta Tensión de

INAEL ha acometido un experimento exhaustivo en el que 3 unidades de cada uno de 5 modelos

distintos de cut-out poliméricos (cuatro fabricantes etiquetados “A”, “B”, “C”, y “D” más INAEL),

fueron sometidos al ensayo completo.

III.2 MUESTRAS

En las siguientes fotografías se pueden ver los modelos ensayados (3 unidades de cada

modelo).




Modelo “A” Modelo “B”

Modelo “C” Modelo “D”




Modelo de INAEL

III.3 BREVE DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO

El ensayo de los herrajes y las interfases tiene una metodología compleja que se puede ver

detalladamente descrita en CEI 61109. Básicamente, se trata de un ensayo de hermeticidad, que

pretende detectar cualquier fallo en el sellado del equipo.

El ensayo comienza con la medida y registro de 5 tensiones de contorneo en cada

configuración (abierto con entrada por arriba, abierto con entrada por abajo, y cerrado).

Seguidamente, se aplica a las muestras una tracción mecánica de 20 daN, y se introducen en la

cámara climática para realizar el ciclo termomecánico de 96 horas de duración y con temperaturas

entre +50ºC y -35ºC, de acuerdo a las siguientes (véase Fig. 4). Una vez transcurridas estas 96

horas, los aparatos se extraen de la cámara y se sumergen durante 42 horas en una cuba con agua

hirviendo a 100ºC con un 0,1% en peso de NaCl. Después de las 42 h de ebullición, se deja que el

agua enfríe hasta 50ºC y se mantiene a las muestras sumergidas en estas condiciones hasta el




comienzo de la siguiente fase del ensayo: la aplicación de los impulsos de frente escarpado, en

todas las configuraciones posibles.

Figura 4.- Solicitaciones mecánicas (arriba) y térmicas (abajo) aplicadas a los cut-out durante las 96 horas de

duración del ciclo termomecánico.

La Fig. 5 muestra las 3 diferentes configuraciones de ensayo que es necesario probar. En

cada una de estas configuraciones, se aplicaron a las muestras 25 impulsos con polaridad positiva

y otros 25 con polaridad negativa, cada uno de ellos con una pendiente en el frente de onda igual o

superior a 1000 kV/µs.

En este punto, se establece un primer criterio de superación del ensayo: todos los

impulsos de frente escarpado han debido producir el contorneo externo del aislador, sin que

se hayan observado punciones ni ningún otro deterio ro de la envolvente polimérica.

Finalizada la aplicación de los impulsos, y en el caso de que se haya satisfecho el criterio

anterior (i.e., que todos los impulsos hayan producido contorneos externos y no hayan aparecido

punciones ni otros daños en la envolvente polimérica), entonces de debe volver a medir la tensión

media de contorneo y debe compararse con los resultados obtenidos al principio. En este punto, se

establecen los criterios definitivos de superación del ensayo, que son:

(1º) No tiene que producirse ninguna perforación en el revestimiento.

(2º) El valor medio de la tensión de contorneo después del ensayo no debe ser inferior al

90% del valor medido al comienzo del mismo.

La Fig. 6 muestra la instalación de ensayo para la aplicación de los impulsos de frente

escarpado. La Fig. 7 muestra un conjunto de cut-out listos para comenzar la fase de ensayo

termomecánico en la cámara climática.




Nº Condición de ensayo

Nº1 Abierto entrando por abajo

Nº2 Cerrado

Nº3 Abierto entrando por arriba

Figura 5.- Condiciones de ensayo para la aplicación de impulsos de frente escarpado.




Figura 6.- Instalación de ensayo.




Figura 7.- Cut-out en cámara climática listos para comenzar el ensayo termomecánico. La foto corresponde

con los modelos de INAEL Electrical Systems, S. A.

III.4 RESULTADOS

Los resultados obtenidos se resumen en las tres siguientes Tablas.

Como se puede apreciar, ninguno de los cut-out con masa metálica bajo la envolvente

polimérica ha podido superar la tanda de impulsos de frente escarpado, tras el ciclo termomecánico

y el período de ebullición. El único modelo capaz de superar el ensayo con éxito fue el diseñado de

forma que las únicas masas metálicas están fuera de la envolvente polimérica.

En la mayoría de los casos, el fallo de la muestra se originó en una punción sobre la masa

metálica a tierra bajo la envolvente polimérica, en la parte central de la misma. Por comparación, el

diseño de INAEL supera el ensayo porque elimina el punto crítico (la distorsión de campo eléctrico

debida a la masa metálica a tierra bajo la envolvente), y consigue así homogeneizar la distribución

del campo eléctrico y suavizar los gradientes de potencial que desencadenan los fallos. Tras la

punción, el arco se desarrolla bajo la envolvente y, típicamente, causa graves daños a lo largo de

toda la barra de fibra de vidrio.

Desde un punto de vista más académico, el experimento demostró que los impulsos con

polaridad negativa (que son los más frecuentes en la naturaleza [41,42]) producen la solicitación

más severa. Este punto merece ulterior investigación, pues los mecanismos exactos por los que se

produce son aún desconocidos. Por una parte, en teoría básica de descargas en gases [43,44], es

sabido que las tensiones d.c. negativas son más “benignas” que las positivas, en el sentido de que

llevan a mayores voltajes de descarga; pero esto se debe a una estabilización por efecto corona

[43,44] que no existe en las descargas debidas a impulsos rápidos, ni el interior de medios

dieléctricos sólidos. Para impulsos de frente muy rápido, una enorme cantidad de parámetros

influye en la generación y propagación de la descarga: la impedancia de la fuente [45], la diferente

movilidad de los portadores (electrones o iones positivos) [42], la aparición y propagación de

regueros superficiales de plasma [46], ó la propagación de ondas de ionización [47]. En todo caso,

a día de hoy no existe un modelo establecido que explique los fenómenos observados en la ruptura

dieléctrica a lo largo de interfases sólidas bajo impulsos de frente ultra-rápido: en ese sentido, el

presente trabajo sirve para proporcionar más datos experimentales a los que cualquier modelo

debería ofrecer explicación.




Tabla 1.- Resultados para la Condición de ensayo 1

FABRICANTE IMPULSOS POSITIVOS IMPULSOS NEGATIVOS

A 4 -

A 25 4

A 25 5

B 5 -

B 2 -

B 1 -

C 25 6

C 25 8

C 5 -

D 25 8

D 25 5

D 15 -

INAEL 25 25

INAEL 25 25

INAEL 25 25



A 21 -

A 8 -

A 25 5

B 8 -

B 25 7

B 12 -

C 15 -

C 14 -

C 25 9

D 25 1

D 12 -

D 19 -




INAEL 25 25

INAEL 25 25

INAEL 25 25



A 25 2

A 8 -

A 25 5

B 8 -

B 12 -

B 25 4

C 15 -

C 25 6

C 10 -

D 25 6

D 12 -

D 25 2

INAEL 25 25

INAEL 25 25

INAEL 25 25

CONCLUSIONES

Del presente estudio se desprende que el diseño de la mayoría de cut-out poliméricos

existentes en el mercado presenta dificultades, probablemente insuperables, para afrontar con éxito

el ensayo de los herrajes y las interfases, ensayo clave de las normas CEI 61109 y CEI 62217.

También se demuestra que es estrictamente falsa la alegación de que se puede presentar un

ensayo realizado sobre otro producto (por ejemplo un aislador de suspensión o de apoyo) como

garantía de que el cut-out cumple las normas.

En resumen, la situación normativa actual es lo suficientemente rica y evolucionada como

para que los productos ensayados bajo las normas relevantes (y, en particular, los cut-out

ensayados bajo CEI 60282-2, CEI 61109 y CEI 62217) ofrezcan garantías de unas prestaciones de

alta calidad y extensa vida útil. Pero para que tales garantías sean efectivas, los usuarios deben




preocuparse por exigir los ensayos en su totalidad y sobre el equipo concreto a utilizar, sin

conformarse con subterfugios o argumentos falaces.

REFERENCIAS

[1] David I. Bower, “An Introduction to Polymer Physics”, Cambridge University Press, 2002.

[2] L.H. Sperling, “Introduction to Physical Polymer Science”, 4th Ed., John Wiley & Sons, Inc.,

2006

[3] Jim W. Goodwin, “Colloids and Interfaces with Surfactants and Polymers – An Introduction”

John Wiley & Sons Ltd, 2004.

[4] Randal M. Hill (Ed.), “Silicone Surfactants”, Marcel Dekker Inc. New York, 1999

[5] Drew Myers, “Surfaces, Interfaces, and Colloids: Principles and Applications” 2nd Ed., John

Wiley & Sons, Inc. 1999.

[6] H. Y. Erbil, “Surface Chemistry Of Solid and Liquid Interfaces”, Blackwell Publishing Ltd,

2006

[7] Evaristo Riande and Ricardo Díaz-Calleja, “Electrical Properties Of Polymers”, Marcel

Dekker Inc., 2004

[8] 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, December 2005, pp. 1108-1115.

[9] L. Meyer, S. Jayaram, and E. A. Cherney, “Thermal Conductivity of Filled Silicone Rubber

and its Relationship to Erosion Resistance in the Inclined Plane Test”, IEEE Transactions on

Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 11, No. 4, August 2004, pp. 620-630.

[10] S. M. Rowland, K. Kopsidas, and I. Cotton, “Modeling of Currents on Long Span, Dielectric

Cables on HV Overhead Lines” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 22, No. 2, April

2007, pp. 1138-1144.

[11] J. Kim, M. K. Chaudhury, and M. J. Oweny, “Hydrophobic Recovery of Polydimethylsiloxane

Elastomer Exposed to Partial Electrical Discharge”, Journal of Colloid and Interface Science

226, 231–236 (2000).

[12] K. Horn and M. Scheffler, Eds., “Electronic Structure”, in S. Holloway and N. V. Richardson

(Eds.), “Handbook Of Surface Science”, Elsevier Science B. V., 2000.

[13] Harald Ibach, “Physics of Surfaces and Interfaces”, Springer-Verlag 2006.

[14] Hans Lüth, “Solid Surfaces, Interfaces, and Thin Films”, 4th Ed., Springer Verlag, 2001.




[15] Andrew Zangwill, “Physics at Surfaces”, Cambridge University Press, 1988.

[16] Paul C. Hiemenz, “Polymer Chemistry, the Basic Concepts”, Marcel Dekker 1984.

[17] Helmut Mehrer, “Diffusion In Solids: Fundamentals, Methods, Diffusion-Controlled

Processes”, Springer 2007.

[18] Johannes Karl Fink, “Reactive Polymers: Fundamentals And Applications (A Concise Guide

To Industrial Polymers)”, William Andrew, Inc., 2005

[19] Vannessa Goodship: “Practical Guide to Injection Moulding” Rapra Technology Limited

2004.

[20] F. Delor-Jestin, N. S. Tomer, R.-P. Singh, and J. Lacoste, “Durability of crosslinked

polydimethylsyloxanes: the case of composite insulators”, Sci. Technol. Adv. Mater. 9

(2008), 024406 (6pp).

[21] Muhammad Amin and Muhammad Salman, “Ageing of Polymeric Insulators (an Overview)”,

Reviews in Advanced Materials Science, Vol. 13, pp. 93-116 (2006).

[22] Mohammad Amin, Mohammad Akbar, and Salman Amin, “Hydrophobicity of Silicone Rubber

used for Outdoor Insulation (An Overview)”, Reviews in Advanced Materials Science, Vol.16,

pp. 10-26 (2007).

[23] Lucas S. Kumosa, Maciej S. Kumosa, and Daniel L. Armentrout: “Resistance to Stress

Corrosion Cracking Of Unidirectional Glass/Polymer Composites Based on Low and High

Seed ECR-glass Fibers for High Voltage Composite Insulator Applications”. Composites,

Part A, Vol. 34, No. 1 (2003) pp. 1-15. “Resistance to Brittle Fracture of Glass Reinforced

Polymer Composites Used in Composite (Nonceramic) Insulators”. IEEE Transactions on

Power Delivery, Vol. 20, No. 4, (2005) 2657- 2666.

[24] Erle C. Donaldson and Waqi Alam, “Wettabillty”, Gulf Publishing Company, 2008.

[25] K.L. Mittal (Ed.), “Contact Angle, Wettability, and Adhesion”, VSP Leiden, Boston, 2006.

[26] Tharwat F. Tadros, “Applied Surfactants”, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co., 2005.

[27] U. Schümann, F. Barcikowski, M. Schreiber, H. C. Kärner, and J. M. Seifert: “FEM

Calculation and Measurement of the Electrical Field Distribution of HV Composite Insulator

Arrangements” 39th CIGRE Session, Paris, France, 25-30 August 2002.

[28] B. Vancia, T.K. Saha, and T. Gillespie: “Electric Field Modelling of Non-Ceramic High

Voltage Insulators”, XI PanPacific Conference on Electric Systems, Sydney, Australia, 2002.

[29] Vasily Y. Ushakov et al., “Impulse Breakdown of Liquids”, Springer-Verlag, Berlin-

Heidelberg, 2007.

[30] Gorur G. Raju, “Dielectrics in Electric Fields”, Marcel Dekker, Inc., 2003.

[31] Kwan Chi Kao, “Dielectric Phenomena in Solids: With Emphasis on Physical Concepts of

Electronic Processes”, Elsevier, Inc., 2004.




[32] S. Whitehead, “Dielectric Breakdown of Solids”, Clarendon Press, 1951.

[33] Yuri P. Raizer, “Gas Discharge Physics”, Springer-Verlag, 1991.

[34] A. Wright and P. G. Newbery, “Electric Fuses”, 3rd Ed., The Institution of Electrical Engineers,

2004.

[35] L. Niemeyer, “Evaporation dominated high current arcs in narrow channels”, IEEE

Transactions on power Apparatus and Systems, Vol. PAS -97, No. 3, May/June 1978.

[36] P. Kovitya, “Ablation-stabilized arcs in nylon and boric acid tubes” IEEE Transactions on

Plasma Science, Vol. P5-15.0.3, June 1978.

[37] E. Z. Ibrahim. “The ablation dominated polymethylmetacrylte arc”, J. Phys D: Appl. Phys. 13

(1980) 2045-65.

[38] P. Kovitya and J. J. Lowke “Theorical predictions of ablation-stabilized arcs confined in

cylindrical tubes”, J. Phys. D: Appl. Phys. 17 (1989) 1197-1212.

[39] R. R. Mitchell, D. T. Tuma. ”Transient two-dimensional calculation of properties of forced

convection stabilized arcs”, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. P513, No. 4, August

1985.

[40] Alfonso Ávila Ramírez, “Some Common Perfromance Characteristics of Gas Blast

Interrupters and Power Expulsion Fuses”, Presented at the 8th International Conference on

Electric Fuses and their Applications (ICEFA), September 2007, Clermont-Ferrand (France).

[41] Ali F. Imece, Daniel W. Durbak, Hamid Elahi, Sharma Kolluri, Andre Lux, Doug Mader,

Thomas E. McDermott, Atef Morched, Abdul M. Mousa, Ramasamy Natarajan, Luis Rugeles,

and Eva Tarasiewicz, “Modeling Guidelines for Fast Front Transients”, Report Prepared by

the Fast Front Transients Task Force of the IEEE Modeling and Analysis of System

Transients Working Group, 1998.

[42] Earle R. Williams, “Problems in lightning physics—the role of polarity asymmetry”, Plasma

Sources Sci. Technol., 15, S91–S108 (2006).

[43] C.L. Wadhwa, “High Voltage Engineering”, 2nd Ed., New Age International Publishers, 2007.

[44] E. Kuffel, W.S. Zaengl, and J. Kuffel, “High Voltage Engineering Fundamentals”, Newnes

Butterworth-Heinemann, 2000.

[45] Kurt Feser, “Breakdown Behavior of Air Spark-Gaps with Non-Homogeneous Field at Bias

Voltage”, Bulletin de l’Association Suisse des Electriciens 62 (6), 320-329 (1971).

[46] Ya. E. Krasik, A. Dunaevsky, and J. Felsteiner, “Formation of discharge plasma on the

surface of cathodes with different dielectric constants”, J. App. Phys., 85(11), 7946-7951

(1999).




[47] S. M. Starikovskaia, N. B. Anikin, S. V. Pancheshnyi, D. V. Zatsepin and A. Yu Starikovskii,

“Pulsed breakdown at high overvoltage: development, propagation and energy branching”,

Plasma Sources Sci. Technol. 10, 344–355 (2001).

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