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Esfuerzo ambiental sobre el aislamiento de sistemas eléctricos de potencia

Por Edvard Csanyi de electrical-engineering-portal.com : El aislamiento de una línea de transmisión o subestación, está expuesto a esfuerzos eléctricos, mecánicos y ambientales. La tensión aplicada en el funcionamiento normal de un sistema de potencia produce un esfuerzo eléctrico. El clima y el entorno (industria, polvo rural, océanos, etc) producen esfuerzos ambientales adicionales. El peso del conductor, el viento y el hielo pueden generar esfuerzos mecánicos.

 

El conjunto de estos esfuerzos es denominado como Esfuerzo Ambiental (Environmental Stress).

 

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Los aisladores deben resistir estos esfuerzos durante largos períodos de tiempo. Se prevé que una línea o subestación operará durante más de 20-30 años sin cambiar los aisladores.

 

Sin embargo, se necesita un mantenimiento regular para minimizar el número de fallas por año. Un número típico de fallos de fallos causados aislamiento es 0,5 a 10 por año, por 100 millas de la línea.

 

Esfuerzo Ambiental

El esfuerzo ambiental es causado por el clima y por el entorno, tales como la industria, el mar o el polvo en las zonas rurales. Los esfuerzos ambientales afectan tanto el rendimiento mecánico y eléctrico de la línea.

 

1. Temperatura

La temperatura en una estación al aire libre o en la línea puede fluctuar entre -50 ° C y 50 ° C, dependiendo del clima. El cambio de temperatura no tiene efecto en el rendimiento eléctrico de aislamiento al aire libre.

 

Se cree que las altas temperaturas pueden acelerar el envejecimiento. Las fluctuaciones de temperatura provoca un aumento de las tensiones mecánicas, sin embargo, es insignificante cuando se utilizan aisladores bien diseñados.

 

2. Radiación UV

Radiación UV acelera el envejecimiento de los componentes no cerámicos de los aisladores, pero no tiene ningún efecto sobre la porcelana y el vidrio. Los fabricantes utilizan cargas y estructuras químicas modificadas del material aislante para reducir al mínimo la sensibilidad UV.

3. Lluvia

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Las gotas de agua de lluvia en la superficie de caucho de silicona de un aislador de alta tensión

 

La lluvia moja las superficies de porcelana de los aisladores y produce una fina capa conductora mayor parte del tiempo. Esto reduce la tensión disruptiva de los aisladores. Como ejemplo, una línea de 230 kV puede usar una cadena de aisladores con 12 aisladores tipo campana con ferretería anillo-bola.

 

La tensión disruptiva en seco de esta cadena es de 665 kV y la tensión disruptiva en húmedo es 502 kV. El porcentaje de reducción es de aproximadamente 25%. Los Aisladores poliméricos no cerámicos tienen una superficie hidrofóbica repelente al agua, que reduce los efectos de la lluvia.

 

Como un ejemplo, con un aislador compuesto 230 kV, tensión disruptiva en seco es 735 kV y la tensión disruptiva en húmedo es de 630 kV. El porcentaje de reducción es de aproximadamente 15%. La tensión disruptiva en húmedo del aislante debe ser mayor que la sobretensión temporal máxima.

 

4. Formación de hielo

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Un técnico de mantenimiento martilla el hielo que cubre una cadena de aisladores

 

En las zonas industrializadas, la conducción de agua puede formar hielo debido a la contaminación industrial disuelta en el agua.

 

Un ejemplo es el hielo formado a partir de agua de la lluvia ácida. Depósitos de hielo se forman puentes a través de los huecos en una cadena de aisladores que resultan en una superficie sólida. Cuando el sol derrite el hielo, una capa de conducción de agua llenará el aislante y puede causar descargas eléctricas en baja tensión.

 

El derretimiento del hielo puede causar descargas eléctricas, como por ejemplo las que se han reportado en las áreas de Quebec y Montreal (USA).

 

5. Contaminación

El viento trae consigo partículas contaminantes que se depositan en los aisladores. Los aisladores producen turbulencia en el flujo de aire, lo que resulta en la deposición de partículas en sus superficies. La deposición continua de estas partículas aumenta el espesor de estos depósitos.

 

El depósito y la limpieza continua produce una variación estacional de la contaminación en las superficies de aisladores. Sin embargo, después de mucho tiempo (meses, años), los depósitos se estabilizan y una fina capa de depósito sólido cubrirá el aislante.

 

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contaminación del aislador

Debido a los efectos de limpieza de la lluvia, los depósitos son más ligeros en la parte superior de los aisladores y más pesado en la parte inferior. El desarrollo de una capa continua de la contaminación se agrava por cambios químicos. Como un ejemplo, en la vecindad de una fábrica de cemento, la interacción entre el cemento y el agua produce una capa dura, muy pegajoso.

 

Alrededor de carreteras, el desgaste de los neumáticos de coche produce un depósito de mancha de carbono similar al alquitrán en la superficie del aislador.

 

La humedad, la niebla y el rocío se orinan en la capa de contaminación, se disuelven la sal, y producen una capa de conducción, que a su vez reduce la tensión de flameo. La contaminación puede reducir la tensión de descarga de una cadena de aisladores estándar en aproximadamente 20-25 %.

 

Cerca del océano, el viento lleva sal y agua sobre superficies aislantes, formando una capa de agua salada conductor que reduce la tensión de flameo. El sol seca la contaminación durante el día, y forma una capa de sal blanca. Esta capa se lava fuera incluso por la lluvia luz y produce una amplia fluctuación en los niveles de contaminación.

 

La densidad equivalente Salar (ESDD) describe el nivel de contaminación en un área. Equivalente Densidad Salar se mide mediante el lavado periódicamente por la contaminación de los aisladores seleccionados utilizando agua destilada. La resistividad del agua se mide y se calcula la cantidad de sal que produce la misma resistividad. El valor obtenido mg de sal se divide por el área de superficie del aislador. Este número es el ESDD.

 

La gravedad de la contaminación de un sitio se describe por el valor medio ESDD, que está determinada por varias mediciones.

La Tabla 1 muestra los criterios para definir la gravedad sitio.

El nivel de contaminación es clara o muy clara en la mayor parte de los EE.UU. y Canadá. Sólo las zonas de costa y regiones muy industrializadas sufren una fuerte contaminación.

 

Tabla 1 – Sitio de gravedad (IEEE Definiciones)

Descripción ESDD (mg/cm2)
Muy ligero 0–0.03
Luz 0.03–0.06
Moderado 0.06–0.1
Pesado <0.1

 

Tabla 2 – Típico Fuentes de Contaminación

Tipo de la Contaminación Fuente de Contaminante Depósito Características Área
Zonas rurales el polvo del suelo Capa de alta resistividad, lavado lluvia efectiva grandes superficies
Desierto arena baja resistividad grandes superficies
Zona Costera La sal del mar Muy baja resistividad, fácilmente lavados por la lluvia 10–20 km from the sea
Industrial Fundición de acero, plantas de coque, plantas químicas, centrales generadoras, las canteras De alta conductividad, extremadamente difícil de quitar, insolubles Localizado en el área de la planta
Mixed Industria, carretera, desierto Muy adhesivo, resistividad media Localizado en el área de la planta

 

Por lo general, el nivel de contaminación es muy alto en la Florida y en la costa sur de California. Contaminación industrial pesado se produce en las zonas industrializadas y cerca de grandes carreteras.

 

La Tabla 2 muestra un resumen de las diferentes fuentes de contaminación. La tensión de descarga de los aisladores contaminadas ha sido medido en los laboratorios. La correlación entre los resultados de laboratorio y experiencia de campo es débil. Los resultados de las pruebas proporcionan una guía, pero los aisladores se seleccionan mediante la experiencia práctica.

6. Altitud

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Un primer plano muestra el daño causado por el calor de la combustión súbita generalizada, que en realidad se rompió la cerámica alrededor de los bordes del aislante

 

La tensión de descarga del aislante se reduce a medida que aumenta la altitud. Por encima de 1.500 pies, un aumento en el número de aisladores debe ser considerado. Una regla práctica es un aumento del 3% de la longitud de despacho o aisladores cadenas por cada 1000 pies como los de elevación aumenta.

 

Mantenimiento de los aisladores

En las zonas donde hay contaminación, además de una buena elección del aislante, es aconsejable disponer de un plan de mantenimiento.

En otras palabras, tenemos que lavar y limpiar el aislador.

 

 

Esto es más importante en áreas con ambientes severos de contaminación o de baja probabilidad de lluvia, siendo necesaria la eliminación de la capa de contaminante colocado en el aislador.

 

Muchas veces, el lavado se realiza a mano. En general los métodos más empleados son: el lavado con agua a presión alta, media o baja, con aire seco comprimido o con chorros de materiales abrasivos y más recientemente el uso de ultrasonidos.

 

Cualquiera de las técnicas empleadas tiene que garantizar que el aislante no sufra daños, ni que vamos a empeorar la situación actual.

 

El lavado con chorros de agua es el método más eficaz y económico, si el contaminante es polvo, sal o tierra, o si estos contaminantes no son muy adheridos a la superficie.

 

Si el elemento contaminante tiene una alta adherencia, (por ejemplo, el cemento o contaminantes procedentes de las empresas químicas o subproductos del petróleo) se tiene que lavar el aislante con elementos abrasivos. Pueden ser elementos lisos, como la cáscara rota de las mazorcas de maíz o las cáscaras de nuez, polvo fino de cal, o más elementos abrasivos como la arena fina.

 

Siempre la opinión del fabricante se debe tener en cuenta para no dañar la superficie del aislador.

Fuente: Traducido por SectorElectricidad desde el artículo original de electrical-engineering-portal.com

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