ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERIA JULIO GARAVITOAisladores para líneas de transmisión Transformación y distribución-1 Eder Romero Pedraza, Sebastián Duarte Cano 28 de Agosto de 2012 Presentado a: José Carlos Romero Escobar Departamento de Ingeniería Eléctrica, Bogotá D.C 1 Índice temático 1.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 3 2. Definiciones 2.1 Materiales dieléctricos……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….3 2.2 Aislamiento externo……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… .3 2.3 Aislamiento interno…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………3 2.4 Clasificación de tensiones y sobretensiones…………………………………………………………………………………………………………………………3 2.5 Coordinación de aislamiento…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..4 2.6 Disrupción……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….4 3. Concepto de aislador 3.1 Por conductividad del material. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………4 3.2 Por conductividad superficial. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….4 3.3 Por perforación de la masa del aislador. ………………………………………………………………………………………………………………………………………5 3.4 Por efecto corona a través del aire. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………..…5 4. Características de los aisladores 4.1 Características mecánicas. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..6 4.2 Características eléctricas. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………6 5. Geometría de los aisladores 5.1 Aisladores de campana. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..………7 5.2 Aisladores tipo barra. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….….……8 5.3 Aisladores rígidos. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………...….……8 6. Ensayo de aisladores 6.1 Ensayo de la calidad de la porcelana y del vidrio…………………………………………………………………………………………….…..……….9 6.2 Ensayo de superficie………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..……...9 6.3 Ensayo de perforación……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….10 7. Clasificación de los aislamientos. 7.1Por material……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………10 1 puntas de arqueo…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….Coordinación de aislamiento ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………19 13.21 15.1 Sobre voltajes permanentes de baja frecuencia debido a desequilibrios en las redes.1 Gradiente de potencial ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….………17 11. ………………………….…13 9.………………23 16..3 Sobre voltajes transitorios debidos a descargas atmosféricas (rayos).2 Por tipo de aislador 7.2 Aislador tipo suspensión………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. tensión nominal y tensión máxima del sistema... Pruebas prototipo 16.…10 7. Conductancia o Perditancia.2 Nivel de aislamiento al impulso…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………22 15.3 Nivel de aislamiento para sobre voltajes de alta frecuencia……………………………………………………………………23 16..1 Aislador tipo caperuza y vástago……………………………………………………………………………………………………………………………….11 7.2 Prueba electromecánica……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….2.……………………………………………23 16.3 Aisladores de tensión o amarre…………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………20 14.……24 .…11 7.2 Aros equipotenciales…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….2 Sobre voltajes frecuencia debidos a la operación de interruptores..2.16 10.……….3 Amortiguadores de vibración..1.…………20 13... Protección de aislamiento 10.….18 12.15 10. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….…16 10.3 Prueba de perforación ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Características de aislamiento de los aisladores 15. 13..13 8. Distribución de tensiones en una cadena de aisladores 8.1Nivel de aislamiento a baja frecuencia………………………………………………………………………………………………………………………………………….1Aisladores de porcelana………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………10 7. sobretensiones en las redes eléctricas 13.2 Aisladores tipo vidrio: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….1 Prueba mecánica…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….1.2. Efecto de las condiciones atmosféricas sobre los aislamientos externos 15. ………………………………………………………………………………………………………………………………….2 7. se necesita aislarlos de sus estructuras de soporte por medio de aisladores. Generalmente los conductores empleados en líneas aéreas. un aislador debe tener unas características mecánicas necesarias para soportar los esfuerzos a los que está sometido. 2.5 En el concepto de Coordinación de aislamiento tenemos dos definiciones para tener en cuenta: Def1: es la selección de rigidez dieléctrica de un equipo en relación con las tensiones que pueden aparecer en un sistema en el cual el equipo operara. 2. a todas aquellas medidas que tienen como finalidad evitar fallas en el sistema como consecuencia de las sobretensiones que se generan el mismo. tales como contaminación.2 Aislamiento externo: Son las distancias en el aire y las superficies en contacto con aire del aislamiento solido del equipo.Que no hay posibilidad de que haya desplazamientos macroscópicos de carga. estos son fabricados generalmente con porcelana o vidrio. o menos. por lo tanto. Pero además.3 1. que están sujetas a los esfuerzos dieléctricos y a los atmosféricos y otras condiciones externas. humedad. Def2: se entiende por coordinación del aislamiento. que se considera que tiene un valor rms constante. 2. liquidas o gaseosas del aislamiento del equipo.1 Materiales dieléctricos: Son aquellos en los que las cargas elementales (Electrones orbitales y protones del núcleo) están fuertemente ligados de manera . son conductores desnudos. Definiciones: 2. Introducción a los aisladores. 2.4 Clasificación de tensiones y sobretensiones: Tensión continua (a frecuencia industrial): tensión a frecuencia industrial. la sujeción del aislador a su estructura de soporte se realiza por medio de un elemento llamado herrajes. al igual que la propagación de estas sobretensiones en aquellos sitios del sistema donde . tomando en cuenta las condiciones de servicio y las características de los equipos de protección contra sobretensiones disponibles. continuamente aplicado a cualquier par de terminales de una configuración de aislamiento Sobretensión transitoria: sobretensión de corta duración de unos pocos milisegundos. lluvia ect. Generalmente altamente amortiguada. 2.3 Aislamiento interno: Son las partes internas solidas. Algunas definiciones para tener en cuenta son las siguientes. las cuales están protegidas de los agentes atmosféricos y otras condiciones externas. Para evitar esto se emplean materiales cuya corriente de fuga es despreciable como pueden ser el Vidrio.2 Por conductividad superficial: Se puede producir cuando una corriente de fuga es conducida por la superficie del aislador.1 Por conductividad del material: Es decir a través de la masa del aislador. Este efecto de conductividad superficial es más . porcelana y polímeros. Concepto de aislador. (Algunos tipos herrajes para media tensión) El paso de la corriente del conductor a su estructura de apoyo puede producirse por las siguientes causas: 3. La unión entre conductores y aisladores y las estructuras de apoyos se efectúa mediante piezas metálicas denominadas herrajes.. Figura 1.6 Disrupción: Transformación brusca de una parte o de la totalidad de un medio aislante en un medio conductor. siempre y cuando sea económicamente viable y tratando en lo posible de que el suministro de energía no se vea interrumpido” (Asociación de Ingenieros Electricistas Suizos. puede haber una capa de polvo o humedad.4 causen el menor daño. Los aisladores son los elementos cuya finalidad consiste en aislar eléctricamente el conductor de la línea de la estructura de apoyo que la soporta. resultando una descarga eléctrica.. es decir la parte exterior del aislador adquiere conductividad ocasionada porque en su superficie. 3.1947) 2. al emplearse los conductores. se necesita que los aisladores posean muy buenas propiedades dieléctricas ya que su misión fundamental es evitar el paso de la corriente del conductor hacia tierra poniendo en riesgo la vida de las personas. 3. tratando de aumentar la distancia entre aislador y soporte de forma que la tensión necesaria para la formación del arco en el aire sea mayor. 3. se puede evitar con un diseño adecuado para aisladores de intemperie.. es decir.5 conocido como efecto corona y puede reducirse dando un perfil adecuado a la superficie del aislador. los aisladores suelen fabricarse en varias piezas de pequeño espesor unidas por una pasta especial. Figura 2. 2.Rigidez dieléctrica suficiente para soportar altos valores de tensión de perforación para que estos sean lo más elevados posible. La tensión de perforación es la tensión a la cual se genera el arco a través de la propia masa del aislador. Esa rigidez depende de la calidad del material vidrio o porcelana y de que tan grueso sea el aislador.4 Por efecto corona a través del aire: Puede producirse un arco entre el conductor y su estructura de apoyo por medio del aire.. Esto suele cuando llueve. Esta tensión crea un arco a través del aire siguiendo la mínima distancia entre fase y tierra. . (Aislador después de una ruptura dieléctrica) Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto. y el aire está altamente ionizado. por el perfil del aislador.3 Por perforación de la masa del aislador: Al ser muy difícil mantener la uniformidad dieléctrica de un material en toda su masa.Disposición adecuada. existe el riesgo de que se perfore un aislador. sobre todo si el espesor es grande. Por ello. 3. las principales cualidades específicas que debe tener un aislador son: 1. cuya rigidez dieléctrica a veces no es suficiente para evitar la descarga. de forma que la tensión en su superficie tenga que presentar valores muy elevados y por consiguiente no se produzcan descargas a través de ella entre los conductores y la estructura de apoyo por medio de los aisladores. Esta distancia se llama distancia de fuga. solo son afectadas sus características eléctricas. inclusive la contaminación con polvos cerca de zonas industriales.. los aisladores son sometidos a pruebas de actos vandálicos.Ausencia de envejecimiento de sus materiales. o la contaminación es muy elevada. pero en ciertos lugares no llueve suficiente para que se produzca este efecto beneficioso. Tanto en seco como bajo lluvia estos efectos son variables que influyen en la tensión resistida. a su diseño superficial. Frente distintos escenarios el comportamiento de los tres tipos de materiales es totalmente distinto. o al menos cuidadosamente estudiada y calculada con el fin de verificar que en el extremo crítico los esfuerzos de compresión y flexibilidad sean correctamente soportados.Resistencia mecánica adecuada para soportar los esfuerzos demandados por el conductor. Una característica importante es la radió interferencia. 4. no hay duda de que la terminación superficial del aislante es muy importante para que la adherencia del contaminante sea menor. y a los electrodos (herrajes). otros aisladores como los rígidos deben soportar cierta compresión. La contaminación puede ser lavada por la lluvia. especialmente cuando el número de elementos es elevado la repartición de la tensión debe ser controlada con electrodos adecuados. Características de los aisladores 4. 16000 o más Kg. en las cadenas de aisladores. ligada a la forma del aislador.Resistencia a las variaciones de temperatura. mecánicamente no pierde características. por lo que la carga de ruptura de un aislador debe ser por lo menos igual a la del conductor que tenga que soportar. Un escenario muy común es someterlos a las inclemencias del tiempo ya que se prueba una característica muy importante y es la resistencia al choque térmico (que simula el pasar del pleno sol a la lluvia). La porcelana se rompe perdiendo algún trozo pero generalmente mantiene la integridad de su cuerpo. y cierta flexión.. y reducir el efecto (aumentar la duración). 4. 5. también la forma de los electrodos extremos del aislador. bajo lluvia. y en condiciones de contaminación salina que se presentan en las aplicaciones reales cerca del mar o desiertos.. siendo una característica muy importante que la cadena de aisladores no se corte por este motivo.2 CARACTERISTICAS ELECTRICAS Los aisladores deben soportar las tensiones requeridas de la red de distribución y efectos de maniobra y atmosféricos..6 3. el vidrio puede estallar.1 CARACTERISTICAS MECANICAS Los aisladores de cadena por ejemplo deben soportar solo cierta tracción de 7000. esta se mide en mm/kv . Los ensayos que se le realizan a los aisladores incluyen pruebas a sus características mecánicas y se hacen simultáneamente con ensayos de tipo eléctrico.La resistencia a la contaminación exige aumentar la línea de fuga superficial del aislador. La geometría del perfil de los aisladores tiene mucha importancia en su buen comportamiento en condiciones normales. con eso se logra medir su resistencia al impacto. 4. también hay que tener en cuenta que los lugares donde se instalan. 70 mm/kv según la clasificación de la posible contaminación ambiente y la normatividad que pueda existir. para en caso de lluvia.1 Aisladores de campana: Conocidos también como aisladores de disco. para evitar que penetre a su cuerpo sustancias no aislantes. pero no en su conservación. El aislador debe tener una forma especial que tiene que ver fundamentalmente con la conservación de la resistencia eléctrica. el agua no escurra por el cuerpo del aislador de manera continúa y así pueda el aislador bajo estas condiciones mantener la línea aislada. y se puede hacer una clasificación de la siguiente manera: 5. dependiendo el nivel de tensión. para evitar que penetre agua en su cuerpo. Geometría de los aisladores Dependiendo el material de construcción. Caperuza y vástago Figura 3. la forma del aislador está bastante ligada a esta característica.7 (fase-tierra). 5. generalmente colocados en largas cadenas. para presentar gran dificultad a la formación de depósitos sobre la superficie del aislador y además. 30 a 60. con incrustaciones de metal que los articulan de la siguiente manera: 1. Debe ser muy liso. Aisladores de Campana . Su principal material de construcción es vidrio y porcelana. Otras propiedades que deben tener los aisladores para lograr periodos de vida útil muy larga son: El aislador debe ser impermeable. Horquilla: 1 grado de libertad 2. bajo condiciones de lluvia y también que ver con la resistencia mecánica del aislador. y se recomiendan valores que pasan de 20. El aislador no debe ser poroso. tienen forma de campana. que deben combinar por su función. las mecánicas. Aisladores de barra. y se transforman en aisladores de columna aptos para soportar esfuerzos de compresión y de flexión y pueden asumir la función de cruceta en líneas de diseño compacto. Principalmente hecho de compuestos de moldeo de bloque. 5. . Buena resistencia eléctrica. cuando el esfuerzo vertical a que se somete la "viga" aislante es muy elevado se agrega un tensor del mismo material (inclinado 45 grados generalmente) dando origen a una forma de V horizontal. A medida que la tensión crece. resistencia al calor. permiten realizar cadenas de menor número de elementos Mientras que para la porcelana se limita la longitud de la barra y en consecuencia para tensiones elevadas se forma una cadena de algunos elementos. resistencia al fuego. Alcanza el requisito UL 891. y las eléctricas. baja contracción y resistencia al agua 3. montados sobre un perno. Figura 4. Al especificar los aisladores se resaltan dos tipos de características. En estos casos pueden ser de porcelana y modernamente de materiales compuestos.2 Aisladores de barra: Su principal material de fabricación es la porcelana. Características del aislador de barra colectora: 1. y se realizan de porcelana o vidrio.8 5. Disponible en dicromato e insertado roscado de acero galvanizado o insertado roscado de acero 4. para el aislador compuesto siempre se realiza un único elemento capaz de soportar la tensión total. poliéster insaturado con fibra de vidrio (UL94V0) 2.3 Aisladores rígidos: su principal aplicación es en tensiones bajas y medias. tamaño y esfuerzos también. Figura 5 (ensayo de superficie) . El ensayo se realiza también bajo lluvia artificial controlada con una inclinación de 45º sobre el aislador (ver figura 5). sea duro e inatacable por los agentes atmosféricos. 6. en ese momento se produce la tensión de superficie o de contorno. Los aisladores de vidrio se analizan con luz ordinaria y polarizada.9 6. que deben ser brillantes y homogéneas y en ningún caso presentarán fisuras y burbujas. En este ensayo se comprueba si la tensión de superficie es realmente la especificada por el fabricante. la tensión de perforación y la resistencia mecánica del aislador. La tensión de superficie bajo lluvia es menor que en condiciones normales pero siempre debe ser superior a la tensión nominal de empleo del aislador. 6. Esta tensión es aquella que se produce un arco de descarga por la superficie del aislamiento entre el soporte metálico y el conductor.1 Ensayo de la calidad de la porcelana y del vidrio Un ensayo elemental para fijarse en la calidad de la porcelana y de su buena vitrificación consiste en romper el aislador y examinar las superficies de fractura. se comprueba también que el esmalte superficial esté exento de grietas. la tensión de superficie en seco o en lluvia. Ensayos de aisladores Someter a los aisladores a una serie de ensayos nos permite comprobar si poseen las características mecánicas y eléctricas para las que han sido fabricados. El ensayo se realiza sometiendo al aislador a una tensión cada vez más y más elevada entre la caperuza y el vástago.2 Ensayo de superficie. comprobando la ausencia de fisuras y de burbujas. Los aisladores se fabrican con el interior ondulado con el fin de aumentar la longitud que debe recorrer el arco eléctrico para que salte. También resulta interesante estudiar la porosidad de la porcelana y su variación con los cambios de temperatura. En ellos se analiza la calidad de la porcelana o del vidrio. hasta que se produce el arco eléctrico. 1Aisladores de porcelana: Los aisladores de porcelana vidriada por lo general contiene un 50% de caolín. además de tener la ventaja de ser el mineral más abundante en la corteza terrestre. . Clasificación de los aislamientos. Además. 7. por algún incidente.10 6. la perforación del aislador no puede ser obtenida estando rodeado de aire. ya que el arco eléctrico atraviesa el vidrio o la porcelana.1Por material 7. la porcelana eléctrica posee excelentes propiedades para ser utilizada como aislante eléctrico. redes de distribución y subestaciones. Con frecuencia industrial. debe ser compacta y su superficie debe ser vitrificada. alta resistencia mecánica. tales como alta resistencia dieléctrica. Pero además de esta característica poseen otras muchas ventajas como son su bajo envejecimiento aun cuando el aislador esté sometido a grandes cargas mecánicas. Por lo tanto se impide la formación del arco de contorneo sumergiendo el aislador en aceite mineral. lo que los hace prácticamente imperforables. debido a la homogeneidad del vidrio. Generalmente los aisladores se clasifican de acuerdo al nivel de voltaje y tipo de instalación en la cual son utilizados.3 Ensayo de perforación La tensión de perforación es aquella en que se produce la rotura del aislador. un 25% de feldespatos que es un mineral que se encuentra comúnmente en el sílice y un 25% de cuarzo. Los aisladores empleados en líneas de transmisión son fabricados usualmente de porcelana. éste se deshace en pequeños trozos. por ejemplo existen aisladores para líneas de transmisión. ya que saltaría el arco por la superficie y no por el interior. con lo cual se puede elevar la tensión de prueba hasta obtener la rotura o la perforación del propio aislador. inercia química.1. vidrio templado y materiales sintéticos.1. los aisladores de vidrio templado poseen otra ventaja muy Importante y es que facilita la inspección de las líneas eléctricas ya que en caso de rotura de la pieza de vidrio.2 Aisladores tipo vidrio: Los aisladores de vidrio templado poseen una gran resistencia debido al tratamiento térmico recibido. La porcelana debe ser moldeada por procedimientos en húmedo. elevado punto de fusión. el cual es un mineral que posee una dureza considerable. Por otra parte. que es un arcilla de color blanquecina que se utiliza en la fabricación de porcelana y medicamentos por su capacidad adsorbente. la resistencia dieléctrica es muy alta. 7. 7. 7. Aisladores tipo caperuza y vástago.2.1 Aislador tipo caperuza y vástago. mediante un resistente cementado. colocado sobre el vástago puede montarse el electrodo de sacrificio.11 7. está ensamblada con la pieza de vidrio de forma adecuada para soportar los efectos termo mecánicos. Las unidades o discos modernos de caperuza y vástago han dado resultados muy satisfactorios y se han adoptado progresivamente para hacer frente a las . generalmente se les encuentra suspendido en forma horizontal. En la parte superior de la caperuza tiene un alojamiento de rótula comprendiendo además el dispositivo de enclavamiento mediante un pasador sencillo de acero inoxidable para asegurar el acoplamiento con otras unidades.2. unidos a los extremos de un disco elaborado con un material aislante (generalmente de porcelana o vidrio templado). Este tipo de aislador se encuentra sometido principalmente a esfuerzos de tensión su forma física está caracterizada por estar formada por una caperuza y un vástago de acero galvanizado. está ensamblada con la pieza de vidrio mediante cemento aluminoso.2 Por tipo de aislador 7. su concepción física es parecida a la del aislador tipo caperuza y vástago. en tramos largos y con conductores pesados. presentando variantes en las dimensiones y en la forma del vástago. Figura 6. Se encuentra sometido principalmente a esfuerzos de tensión. y al material empleado en su fabricación es por lo regular el vidrio templado. Estos aisladores se usan casi exclusivamente en líneas de tensión superior a 66 kv. consiste en un manguito de zinc utilizado como protección frente a la contaminación salina o industrial.2 Aislador tipo suspensión. Vástago: Es una pieza de acero forjado galvanizado en caliente. Caperuza: Es una pieza de fundición maleable o dúctil galvanizada en caliente. Tal como su nombre lo indica. En la práctica. con simplicidad y economía. en este tipo de aisladores de suspensión el conductor se suspende por debajo del soporté por medio de estos aisladores. por lo que resulta antieconómico su uso en tensiones elevadas. CEMENTO OJAL O CUENCA. el número de discos o unidades que conforman la cadena de aisladores es aproximadamente proporcional a la tensión. casi proporcional a la distancia a tierra en el aire y aproximadamente igual a la tensión de arco entre varillas con la misma distancia. CUERPO CERAMICO. Aislador de tipo suspensión. el costo de los aisladores tipo alfiler aumenta. La tensión de arco por contorno en cadenas tipo suspensión. . PINTURA BITUMINOSA. En un aislador de suspensión típico se distinguen los siguientes elementos: ESMALTE. debido a que al aumentar las tensiones de operación de las líneas. ARENA CERAMICA. con ligero aumento para las tensiones más altas y con cierto margen en la longitud de cada unidad. Las líneas de transmisión aéreas en alta tensión se aíslan por medio de estos aisladores. PERNO METALICO (POSADOR O BOLA) Figura 7. a 60 Hz y con las sobretensiones que se originan en las maniobras.12 necesidades de las más altas tensiones y de la construcción más pesada. Un conjunto de unidades de suspensión dispuestas al extremo o final de una línea. cosa que ha tomado vital importancia con la tendencia y la necesidad actual de incrementar las tensiones en la transmisión de la energía eléctrica. debido a la capacitancia de los herrajes de cada unidad respecto a tierra. es necesario conocer la distribución del campo eléctrico y del potencial del elemento dominante.3 Aisladores de tensión o amarre. Figura 8. el esfuerzo máximo que pueden resistir los aisladores y sus herrajes debería ser equiparado al de los conductores. la caída de tensión es máxima en la unidad contigua al conductor. tal condensador es imperfecto y la corriente que lo atraviesa tiene una componente activa (en fase con la tensión) debido a varios tipos de pérdidas y otra componente en cuadratura con la . tanto por razones económicas como de seguridad. las corrientes capacitivas no son iguales entre una unidad y otra. En una cadena de aisladores el gradiente de potencial no es el mismo en todas las unidades o elementos. 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 del viento. y conforme se alejen los aisladores del conductor será más débil. Un aislador puede representarse eléctricamente por un condensador formado a su vez por otros en serie y cuyos dieléctricos son la porcelana y el vidrio. Distribución de tensiones en una cadena de aisladores 8. y el gradiente de potencial a lo largo de la cadena no es uniforme. se denomina aislador de amarre o de tensión. Se observará que la distribución de potencial y del campo eléctrico no es lineal. Aisladores de tensión o amarre 8.2.1 Gradiente de potencial En el diseño del aislamiento en sistemas de alta tensión. esto quiere decir que cada aislador está sometido a un valor diferente de tensión dependiendo de su ubicación en la cadena.13 7. en una estructura. Cuando los aisladores se encuentran a la intemperie. resaltando así una disminución en la tensión de formación del arco. la superficie conductora aumenta y con esto la capacidad. La siguiente figura muestra un arreglo de capacitancias para el caso teórico de una cadena de 4 aisladores. la cual tomaremos de ejemplo para nuestro estudio. producida por la capacidad. pero en cálculos estrictos debe ser tomado el valor de dicha capacitancia.14 anterior. por efectos de la contaminación. en comparación con la de un aislador limpio y seco. En esta figura se omiten por razones de simplicidad las capacitancias entre los elementos metálicos de la torre y la capacitancia entre los herrajes y el conductor (K). aumentando de manera simultánea la corriente de pérdidas por la reducción de la distancia de o fuga. Figura 9 (diagrama de capacitancias para 4 aisladores) Después de varias simplificaciones del circuito equivalente y de resolver sistemas lineales de ecuaciones del circuito llegamos al siguiente sistema de ecuaciones para el cálculo de potencial en una cadena de aisladores: ( ( ( ) ) ) Donde K es un factor dado por K= c/C (1) (2) (3) . para mejores resultados. Ningún aislador es perfecto todos dejan pasar una pequeña corriente (corriente de fuga). la protección con cuernos o antenas produce una reducción de la tensión de arco o exige un aumento del número de unidades y de la longitud de la cadena de aisladores. Protección de aislamiento El daño recibido por los aisladores en caso de arco es un serio problema de mantenimiento. especialmente. que para obtener resultados eficaces era necesario disponer de antenas bien abiertas. sino también en la parte superior del aislador. .15 Al resolver este sistema de ecuaciones para un ejemplo quedara demostrado que el reparto de potencial en una cadena de aisladores no es lineal. Conductancia o Perditancia. y se han ideado diferentes dispositivos para conseguir que en caso de saltar el arco. bajo tensiones de choque o descargas atmosféricas. esta corriente puede pasar a través del volumen del aislador o a través de su superficie llamándose respectivamente corriente de fuga volumétrica y corriente de fuga superficial. Por ello. 10. que no es más que una medición de la utilización del material en la cadena. 10. y está dada por la siguiente expresión: ( )( ) 9. Otro concepto interesante y que tiene gran importancia en el diseño del aislamiento de líneas de transmisión es el de “eficiencia de la cadena”. el arco tiende a saltar en cascada en la cadena de aisladores. siendo esta menor en el aislador más cercano a la estructura de soporte incrementándose su magnitud a lo largo de la cadena y teniendo un potencial máximo en el aislador más cercano al conductor. no solo en la grapa. y que por lo tanto existirá una desigualdad en la repartición de los voltajes. y las pruebas demostraron que la separación entre los cuernos debía ser considerablemente inferior a la longitud de la cadena de aisladores.1 Puntas de arqueo La primera medida de precaución consistió en pequeños cuernos o antenas fijados a la grapa se encontró sin embargo. se mantenga apartado de la cadena de aisladores. . los ensayos con tensión de choque o impulso demuestran que si el diámetro de los anillos guarda la debida proporción con la longitud de la cadena. debe comprobarse que la distancia a las torres o estructuras sea por lo menos igual que al distancia entre anillos. resultan más eficaces. la eficacia de estos anillos consiste en que tienden a igualar el gradiente a lo largo del aislador y a producir un campo más uniforme. Los anillos de protección.2 Aros equipotenciales Son anillos que dan la misma protección que las puntas de arqueo al aislamiento de las líneas de transmisión. puede evitarse la descarga en cascada sobre los aisladores. como en el caso de las antenas los anillos eficaces son de diámetro más bien ancho. con ello la protección conseguida no se limita simplemente a ofrecer una distancia explosiva más corta para el arco. y.16 Figura 10 (puntas de arqueo) 10. tratándose de cadenas de suspensión. incluso con ondas de frente muy recto o escarpado. pantalla reguladora del gradiente de potenciales. 3 Amortiguadores de vibración. los amortiguadores se aseguran en el cable a una determinada distancia de las clemas y sustraen del cable la energía de vibración. poniendo masas en movimiento.17 Figura 11 (puntas de arqueo) 10. Los amortiguadores de vibración absorben la energía de las vibraciones actuando como amortiguador y perturbador del movimiento vibratorio. Figura 12 (amortiguadores de vibración) . 18 11. Tensión nominal 13. En virtud de que la coordinación del aislamiento se refiere con la máxima elevación de esta tensión denominada “máxima tensión del sistema”. . Es un valor de referencia para la resistencia del aislamiento al impulso. Normalmente la máxima tensión permisible de un sistema.2 Kv Tensión máxima 14. debido a que en ocasiones se puede operar durante horas y a veces hasta días con estas tensiones. expresado en términos de valor de cresta de la tensión permisible al impulso de rayo normalizado. que se presenta cuando la onda adquiere un valor equivalente al 50% de la cresta.2x50µs Tensión permisible al impulso. se conoce con el nombre de “tensión nominal del sistema”. Nivel básico de aislamiento al impulso. recomiendan las tensiones preferidas.5 37. y es sobre estas máximas tensiones del sistema. Se denomina así al valor de la cresta del impulso que puede ser aplicado al aislamiento bajo prueba sin que se produzca falla o descarga disruptiva. ya que tienen gran importancia para el aislamiento del sistema. para la cual un sistema eléctrico se diseña. tensión nominal y tensión máxima del sistema.5 Kv 34. En condiciones normales de operación la tensión puede variar hacia arriba o debajo de esta tensión nominal. se expresa como un porcentaje sobre la tensión nominal. Es un impulso en forma de onda completa que tiene un tiempo de frente de onda con un valor de 1. se consideran solo las tensiones superiores a la nominal. en que se basan todos los niveles de aislamiento y las normas internacionales (IEC 38). por lo general la terminología técnica describe esto como un impulso de: 1. TENSIÓN NOMINAL Y TENSIÓN MAXIMA DEL SISTEMA El valor efectivo de la tensión entre fases.2 microsegundos (μs) y un tiempo de cola de 50 μs.9 220 240 Otros términos relacionados con aisladores que debemos tener claros son: Impulso de rayo normalizado. la conductividad se debe a la migración de partículas cargadas. los materiales aislantes tienen muy pocos electrones libres.19 12. Cuando se incrementan los esfuerzos eléctricos en un aislamiento a un nivel suficientemente alto. la resistividad en el aislamiento cambia de valor alto a un valor comparable con un conductor. Coordinación de aislamiento En todos los materiales. Este cambio se llama disrupción o falla de asilamiento. . Los conductores tiene gran numero de electrones libres los cuales se mueven cuando se aplica un campo eléctrico. La falla de aislamiento se desarrolla en tres pasos principales: Inionisacion inicial de uno o mas puntos El crecimiento de un canal ionizado a través de la distancia de aislamiento Aparición del arco y la transición a una descarga auto mantenida Distancias mínimas de fuga: Se calcula mediante la ecuación √ Donde: D1 es la distancia total de la fuga en mm Max es el valor eficaz de la tensión aplicada Df es la distancia mínima de la fuga en mm/Kv Δ es el factor de corrección por el aire. 5 μs y el tiempo en que la onda decrece a la mitad del valor de cresta es del orden de 40 μs.20 13. 13. la amplitud de la oscilación transitoria puede alcanzar valores el orden de dos o hasta tres veces la tensión normal de operación si no se toman medidas preventivas para limitarlas. 13. debido a fallas monofásicas o bifásicas a tierra o por la apertura de una o dos fases.3 Sobre voltajes transitorios debidos a descargas atmosféricas (rayos). depende entre otros factores. se incluyen en este grupo. por ejemplo la desconexión de líneas de transmisión largas. la amplitud de la oscilación de frente de onda de estos sobre voltajes. Los aisladores de una línea de transmisión no pueden soportar tales sobretensiones en consecuencia se producen descargas y se forman arcos sobre los aisladores que perduran a un cuando la sobretensión desaparece.2 Sobre voltajes transitorios de alta frecuencia debidos a la operación de interruptores. que se considera típica de las producidas por rayos. . Estas sobretensiones son las más peligrosas por ser mucho más altas en magnitud que las de origen interno teniendo valores que comprenden varios cientos de miles de voltios. Como se ve en dicha figura. Para reproducir las ondas de voltaje producidas por rayos en los laboratorios y poder normalizar las pruebas de aislamiento al impulso. se ha definido una forma de onda como la mostrada en la Fig. Se caracterizan por presentar oscilaciones de alta frecuencia (de 400 a 300 ciclos por segundo) que se amortiguan en un tiempo del orden de mil microsegundos. el diseño de los aisladores de las líneas de transmisión. y de las subestaciones. está condicionada por la magnitud y forma de los sobre voltajes que se puedan producirse. En los casos más desfavorables.1 Sobre voltajes permanentes de baja frecuencia debido a desequilibrios en las redes. 13. Estos sobre voltajes se producen a la frecuencia nominal del sistema. las sobretensiones que tienen una procedencia exterior a la instalación y en los que por tanto sus amplitudes no están en relación directa con la tensión de servicio de la instalación afectada. sobretensiones en las redes eléctricas La elección del nivel de aislamiento de los sistemas eléctricos. 13. el tiempo que para alcanzar el valor de cresta es de 1. del voltaje de operación del sistema. pero principalmente depende de la conexión del punto neutro del sistema y también de la distribución de las inductancias y capacitancias. siendo la tensión de servicio de las líneas de alta y media tensión suficiente para mantenerlos en el canal del aire ionizado. Este tipo de sobre voltajes persistirán mientras no se haga desaparecer las condiciones de desequilibrio que los produjeron. Las descargas eléctricas atmosféricas son las producidas por golpes directos de rayos sobre las líneas de transmisión o sobre los hilos de guarda. para tener un nivel de aislamiento adecuado.1Nivel de aislamiento a baja frecuencia Los aisladores están sometidos normalmente a una diferencia de potencial de baja frecuencia (60 Hz). lo que implica una disminución de la presión atmosférica. la presión atmosférica y la humedad.45 cm de mercurio. 15. es necesario conocer su comportamiento al aplicable los tres tipos de sobre voltajes que pueden presentarse en un sistema eléctrico de potencia. resultante del voltaje de operación del sistema en que están instalados. las características de aislamiento normalizadas de los aisladores se refieren a una presión atmosférica de 101325 pascales.21 Figura 13 (tipo de onda utilizada para simular un impulso de voltaje de un rayo). 14. podrán también estar sometidos a sobre voltajes de baja frecuencia en casos de fallas monofásicas o bifásicas a tierra. cuya magnitud depende de las características del sistema. Al aumentar la altitud sobre el nivel del mar. a una temperatura ambiente de 25 ºC y a una humedad absoluta de 15. 15. disminuye el nivel de aislamiento de los aisladores en el aire y es necesario aumentar el aislamiento externo de las instalaciones con respecto al que sería necesario al nivel del mar. Efecto de las condiciones atmosféricas sobre los aislamientos externos Las características de los aislamientos externos dependen de la temperatura ambiente. Además. habrá que considerar su comportamiento en condiciones de atmósfera seca y húmeda. Características de aislamiento de los aisladores Para poder seleccionar los aisladores para una aplicación determinada. que es el caso más frecuente en las instalaciones en alta tensión. El parámetro dominante en el comportamiento de los aisladores sometidos a . si los aisladores están colocados a la intemperie. 5 x 40 μs) y de diversos valores de cresta y se traza la gráfica determinada por el valor d e cresta de cada onda y el tiempo que tarda en producirse el flameo del aislador se obtiene la curva mostrada en la figura 15. 15. que se llama curva voltaje – tiempo del aislador. el nivel de aislamiento para sobre voltajes de baja frecuencia está determinado por la longitud de la línea de flameo en húmedo. que en aislador mostrado en la figura 14 es la suma de los segmentos de la recta d + e + c. Figura 14 dimensiones características de un aislador. .22 Voltajes de baja frecuencia es la longitud del contorno del aislador o línea de fuga superficial. en atmósfera húmeda.2 Nivel de aislamiento al impulso El comportamiento de un aislador sometido a impulsos de voltajes similares a los producidos por rayos depende principalmente de su longitud y en grado menor de la geometría del aislador. el valor al que se flamea un aislador sometido a impulsos de voltaje depende tanto de la magnitud de los impulsos como del tiempo que estén aplicados. El nivel de aislamiento de los aisladores para sobre voltajes de baja frecuencia. Si se somete un aislador a una serie de impulsos de voltaje de forma de onda normalizada (1. que determina la resistencia que ofrece el aislador al paso de la corriente por su superficie. está determinado por la longitud de la línea de flameo en seco. que son normales a la superficie del aislador. Figura 15 (curva voltaje – tiempo del aislador). en atmósfera seca. no se deben presentar daños en el aislador. 16. para que no se produzca un arco a tierra. que son impulsos unidireccionales de gran magnitud y corta duración. 15. los sobre voltajes debidos a la operación de interruptores son voltajes oscilantes de alta frecuencia (de 400 a 300 Hz) que alcanzan su valor de cresta en cientos de microsegundos y que decaen en tiempos del orden de mil microsegundos. Se seca por T minutos y se vuelve a repetir el proceso hasta terminar el ciclo. no aumenta proporcionalmente a la magnitud de voltaje. inmersión por un tiempo T minutos en un baño de agua a una temperatura no menor de 70 ºC sobre la temperatura del agua. Pruebas prototipo Prueba de ciclo térmico (shock térmico) En esta prueba el aislador se sujeta tres veces a un ciclo de temperatura.2 Prueba electromecánica Esta prueba solo se aplica a aisladores de tipo suspensión o tensión únicamente. la deflexión permanente debe ser menor del 1%.3 Nivel de aislamiento para sobre voltajes de alta frecuencia En las líneas de transmisión y de subestaciones de voltaje muy elevado. durante un minuto y aplicando simultáneamente el 75 % de la tensión de flameo. la distancia a través del aire para tener un nivel de aislamiento suficiente. 16.1 Prueba mecánica Se trata de una prueba de flexión en la cual para los aisladores tipo suspensión se aplica una carga de dos veces la máxima carga de ruptura especificada por los fabricantes durante un minuto.23 El voltaje de flameo al impulso crítico Vc de un aislador se define como el valor de cresta de la onda que causa flameo del aislador en la cola de la onda el 50% de la veces que se aplica una onda normalizada de dicha magnitud. por los sobre voltajes producidos por la apertura o cierre de interruptores. el nivel de aislamiento esta determinado principalmente. 16. Las pruebas de laboratorio han demostrado que al aumentar la magnitud de este tipo de sobre voltajes. . como sigue. se seca y se vuelve a sumergir de manera inmediata en agua a la temperatura ambiente. el nivel de aislamiento al impulso Vi (BIL) de un aislador es el valor de cresta de la onda de mayor magnitud que soporta el aislador sin flamearse.5 veces la máxima carga de trabajo especificada por los fabricantes. si no a la distancia. A diferencia de los sobre voltajes producidos por rayos. Consiste en someter al aislador a un esfuerzo mecánico de 2. el aislador pasa la prueba si no se perfora. se aplica una tensión entre la lámina y entre las uniones metálicas que sostienen el aislador. el procedimiento se debe de repetir para tensiones prospectivas de 2. En esta prueba el aislador debe estar completamente sumergido en aceite aislante en un cuarto que tenga la temperatura controlada. elevando la temperatura rápidamente como lo indica la norma correspondiente.3 Prueba de perforación Esta prueba en el caso de aisladores tipo suspensión.5.2/50 μs negativa con un valor de dos veces la onda de impulso de flameo del 50% de la tensión de flameo. .5 la tensión de flameo del 50% y continuar hasta que el aislador se perfore o se llegue al límite de capacidad del generador de impulsos. 16. se deben de aplicar veinte de estos impulsos al aislador en cuestión. el aislador no debe sufrir daños y/o perforación para aprobar la prueba. 3 y 3. Como una alternativa se puede aplicar una prueba de sobretensión de impulso y en este caso el aislador se arregla como para una prueba de flameo en aire y se aplica una onda de 1.24 El aislador pasa la prueba si al terminarla no presenta flámeos (manchas en su superficie) y desgaste en su superficie exterior. Se debe asegurar y garantizar siempre el correcto estado y funcionamiento del mismo haciéndose el mantenimiento correspondiente. Hemos analizado. 17. Las dimensiones y forma del aislador. 2003 . presión o nieve.edu.pdf http://www. alcanzando ambos extremos. humedad.co/~lcardona/transporte/Aislamiento_lineas_transmision_ener gia. que se pueden reproducir y estudiar en laboratorios. Segunda Edición. Conclusiones. 3. es la de mencionar los principales factores que interviene en el diseño de aisladores: 1. se colocan cables de guarda en la parte superior de las estructuras. Otra conclusión que se puede establecer. Subestaciones de alta y extra alta tensión.com. por lo que generalmente.25 17. 2.co/wps/docs/normas/NORMAS_DE_DISENO_EBSA_ESP.unalmed. realizar pruebas y ensayos que permitan desarrollar productos de calidad que puedan tener largos periodos de vida. son propensos a la llamada tensión de flameo. sin que se forme un arco en su superficie. los principales elementos que interviene en el diseño de aisladores de líneas de transmisión.docentes. Hidroestudios Mejía Villegas. Los aisladores son elementos de una gran importancia y utilidad en los sistemas de distribución de energía eléctrica.edu. la que provoca el salto de chispa bajo condiciones de lluvia. Bibliografía http://www.pdf http://www. Un adecuado cálculo del gradiente de potencial que van a soportar los aisladores.utonet. dependen en gran parte de la tensión límite que puede soportar y que se va a transmitir.ebsa.bo/rherrerav/wpcontent/uploads/Coordinacion_AT. Como estos elementos están expuestos a diferentes agentes atmosféricos.pdf. Evitar en lo posible fallas por descargas atmosféricas.