DISEÑO DEL AISLAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA
REGION POZA RICA – TUXPAN
DISEÑO DEL AISLAMIENTO DE LINEAS DE
TRANSMISION
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA
PRESENTA:
FELIPE IGNACIO CALLES MARTINEZ
ASESOR DE TESINA:
ING. RAMON CHAZARO APARICIO
POZA RICA DE HIDALGO. VER, OCTUBRE 2009
INDICE
INTRODUCCION
CAPITULO I
JUSTIFICACION………………………………………………………………………….................... 7
NATURALEZA SENTIDO Y ALCANZE DEL TRABAJO……………………………..................... 8
ENUNCIACION DEL TEMA………………………………………………………………................. 9
EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO………………………………................ 10
CAPITULO II
DESARROLLO DEL TEMA.......................................................................................................12
PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE INVESTIGACION..............................................................13
MARCO CONTEXTUAL............................................................................................................14
MARCO TEORICO....................................................................................................................15
SUBTEMA I. MATERIALES DIELECTRICOS
1.1
1.2
1.3
1.4
1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.4.4
1.5
1.6
Definición de dieléctrico………………………………………………........................... 16
Dipolo eléctrico en el seno de un campo eléctrico………………............................. 17
Polarización de los dieléctricos…………………………………….............................. 18
Características principales de los dieléctricos……………………............................. 20
Resistividad (resistencia especifica)………………………………............................. 20
Permitividad (constante dieléctrica)………………………………............................. 23
Angulo de perdidas dieléctricas……………………………………........................... 24
Rigidez dieléctrica………………………………………………….............................. 28
Perforación en dieléctricos…………………………………………........................... 29
Perdidas dieléctricas en aislantes sólidos…………………………........................ 30
SUBTEMA II. AISLADORES EMPLEADOS EN LINEAS AEREAS
2.1
2.2
2.2.1
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.6
2.7
2.7.1
2.8
2.8.1
2.8.2
Concepto de aislador................................................................................................... 31
Funciones de los aisladores........................................................................................ 33
Forma de los aisladores.............................................................................................. 34
Características de los aisladores................................................................................. 35
Características eléctricas............................................................................................ 35
Características mecánicas.......................................................................................... 35
Propiedades conservadoras....................................................................................... 36
Clasificación del aislamiento eléctrico......................................................................... 37
Tipos de aisladores................................................................................................... 38
Aislador tipo suspensión.............................................................................................. 39
Aislador en tensión o amarre...................................................................................... 41
Ensayos en aisladores................................................................................................ 42
Ensayo de la calidad de la porcelana y del vidrio...................................................... .42
Ensayo de contorneamiento....................................................................................... 42
Ensayo de perforación................................................................................................ 43
Conductancia o perdictancia....................................................................................... 44
Distribución de tensión en una cadena de aisladores................................................ 45
Método del circuito equivalente.................................................................................. 46
Dispositivos de protección......................................................................................... 52
Aros equipotenciales................................................................................................. 53
Amortiguadores de vibración..................................................................................... 54
2
SUB TEMA III. DISEÑO DE LOS AISLADORES Y COORDINACION DEL AISLAMIENTO
3.1
Tensión nominal y tensión máxima....................................................................................56
3.1.1 Impulso de rayo normalizado.............................................................................................57
3.1.2 Tensión permisible al impulso............................................................................................57
3.1.3 Nivel básico de aislamiento al impulso..............................................................................57
3.1.4 Conexión a tierra del neutro...............................................................................................58
3.2
Coordinación del aislamiento..............................................................................................59
3.2.1 Requerimientos básicos para la coordinación del aislamiento...........................................59
3.3
Sobretensiones en las redes eléctricas..............................................................................60
3.3.1 Sobrevoltajes permanentes de baja frecuencia debido a desequilibrios en las redes.......60
3.3.2 Sobrevoltajes transitorios de alta frecuencia debidos a la operación de interruptores......60
3.3.3 Sobrevoltajes transitorios debidos a descargas atmosféricas (rayos)..............................61
3.4
Generador de impulsos de Marx........................................................................................62
3.5
Características de aislamiento de los aisladores................................................................64
3.5.1 Nivel de aislamiento a baja frecuencia..............................................................................64
3.5.2 Nivel de aislamiento al impulso.........................................................................................65
3.5.3 Nivel de aislamiento para sobrevoltajes de alta frecuencia..............................................67
3.6
Efecto de las condiciones atmosféricas sobre los aislamientos externo..........................68
3.7
Pruebas de aisladores...................................................................................................... 70
3.7.1 Tensión sostenida a baja frecuencia................................................................................70
3.7.2 Tensión de flameo al impulso...........................................................................................70
3.7.3 Tensión critica de flameo al impulso.................................................................................70
3.7.4 Tensión al impulso (no disruptiva)....................................................................................70
3.7.5 Distancia de fuga............................................................................................................. 71
3.7.6 Distancia de flameo en seco........................................................................................... 71
3.8
Pruebas prototipo............................................................................................................ 71
3.8.1 Prueba de ciclo térmico (shock térmico).........................................................................71
3.8.2 Prueba mecánica............................................................................................................72
3.8.3 Prueba electromecánica.................................................................................................72
3.9
Pruebas de flameo..........................................................................................................73
3.9.1 Prueba de flameo al 50 % de la tensión de impulso.......................................................73
3.9.2 Prueba de tensión permisible al impulso (prueba de BIL)..............................................73
3.9.3 Prueba de flameo en seco por un minuto.......................................................................73
3.9.4 Prueba de flameo en húmedo y prueba de lluvia por un minuto....................................74
3.10 Pruebas de rutina...........................................................................................................74
3.10.1 Pruebas eléctricas de rutina...........................................................................................74
3.10.2 Pruebas mecánicas de rutina.........................................................................................74
3.11 Concepto de relación de impulso ...................................................................................75
3.12 Impedancia característica de la torre...............................................................................76
3.13 Resistencia de pie de torre..............................................................................................77
3.13.1 Esfuerzos de tensión en el aislamiento de las torres.....................................................77
3.13.2 Sombra eléctrica.............................................................................................................78
3.13.3 Numero de descargas directas en una línea..................................................................79
3.13.4 Cable de guarda..............................................................................................................79
3.13.5 Distribución en torres y vanos........................................................................................80
3.13.6 Salidas por falla de apantallamiento...............................................................................80
3.14 Diseño por sobretensiones de origen atmosférico..........................................................81
3.14.1 Índice de flameo en línea no acorazadas (sin cable de guarda).....................................82
3.14.2 Índice de flameos en líneas acorazadas (con cable de guarda).....................................83
3.14.3 Método de Burgsdorf Kostenko.......................................................................................84
3.14.4 Grado de aislamiento..................................................................................................... 85
3.14.5 Cálculo de la cadena de aisladores................................................................................86
3
SUBTEMA IV CONTAMINACION EN AISLAMIENTOS EXTERNOS
4.1
4.2
4.3
4.3.1
4.3.2
4.4
4.5
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4.5.4
4.5.5
4.5.6
4.6
Contaminación en aislamientos externos............................................................................87
Proceso de la contaminación en los aisladores..................................................................87
Composición de la materia contaminante...........................................................................88
Materia insoluble en suspensión.........................................................................................88
Materia soluble en suspensión............................................................................................88
Tipos de contaminación.......................................................................................................89
Etapas del flameo en los aisladores....................................................................................90
Formación de la capa contaminante....................................................................................90
Humectación de la capa contaminante................................................................................91
Secado de la capa contaminante.........................................................................................91
Descarga a través de las bandas secas..............................................................................92
Descarga parcial..................................................................................................................92
Flameos...............................................................................................................................93
Efectos contaminantes.........................................................................................................94
a. Excesiva corriente de fuga................................................................................................94
b. Flameos continuos............................................................................................................94
c. Perforación........................................................................................................................94
d. Corrosión...........................................................................................................................94
4.7
4.7.1
4.7.2
4.7.3
4.7.4
4.7.5
Soluciones al problema de la contaminación......................................................................95
Sobreaislamiento.................................................................................................................95
Aisladores de diseño especial.............................................................................................96
Limpieza manual..................................................................................................................96
Lavado de aisladores...........................................................................................................97
Recubrimientos....................................................................................................................99
CAPITULO III
CONCLUSIONES..........................................................................................................101
BIBLIOGRAFIA..............................................................................................................102
ANEXOS........................................................................................................................103
APENDICES..................................................................................................................106
4
AGRADECIMIENTOS
A MIS PADRES, IGNACIO Y SILVIA., POR TODA SU AYUDA Y APOYO
INCONDICIONAL., A MI FAMILIA, POR SU VALIOSO APOYO....
A MIS QUERIDOS TIOS.... SR. NICOLAS CALLES HERNANDEZ (FINADO) Y SU
GENTIL ESPOSA SRA, SOCORRO PONCE VDA. DE CALLES.... POR SU APOYO
Y HOSPITALIDAD BRINDADOS DUARANTE TODA MI CARRERA.....
A MI ASESOR DE TESINA... ING. RAMON CHAZARO APARICIO.... POR
VALIOSA AYUDA... Y POR LOS CONOCIMIENTOS TRANSMITIDOS DURANTE
MI CARRERA.....
Y... A TODOS AQUELLOS QUE HICIERON POSIBLE LA REALIZACION DE
ESTE ESFUERZO....
FELIPE IGNACIO CALLES MARTINEZ
5
INTRODUCCION
El funcionamiento de una línea de transmisión depende en gran escala de su
aislamiento. En buena práctica se requiere que la tensión de arco en seco de los
aisladores completos sea de tres a cinco veces mayor que la tensión nominal de
funcionamiento, y que la longitud de la línea de fuga sea aproximadamente el doble
de la menor distancia entre puntos con tensiones el aire.
Las modernas orientaciones tienden hacia los límites superiores, especialmente
cuando se trata de tensiones muy elevadas. Los casos especiales de nieblas,
salinas, polvos, o aire químicamente cargado deben ser estudiados aparte.
Los aisladores no sólo deben tener resistencia mecánica suficiente para soportar
con amplio margen las cargas debidas al hielo y al viento que puedan esperarse
razonablemente, sino que deben ser construidos de manera que puedan resistir
condiciones mecánicas muy severas, descargas atmosféricas y arcos alimentados
por la corriente de servicio, sin dejar caer el conductor.
La producción de arcos por contorno del aislador debe ser evitada en todos los
casos, con la sola excepción del rayo, cualquiera que sean las condiciones de
humedad, temperatura, lluvia o nieve, y con la cantidad de polvo que habitualmente
se acumula hasta ser limpiada por las lluvias.
En general el aislamiento de una línea se logra por medio de los aisladores simples,
o por medio de cadenas de aisladores. En los primeros, el conductor se apoya y fija
sobre el mismo aislador, empleándose este modelo para tensiones bajas y medias.
Pero en los sistemas de alta tensión, es necesario hacer una cadena con aisladores
campana. Se compone de una pieza de porcelana o vidrio templado, con
adecuadas piezas metálicas que permiten el empalme, para 132kv y suspensión
simple, es suficiente armar una cadena de 9 aisladores, para 33 kV. Alcanza una
cadena de 3 aisladores; para tensiones muy altas, de 500 KV vemos cadenas de
hasta 25 aisladores.
Esta cantidad depende de si la cadena es de suspensión o de tensión y otros
detalles. Las dimensiones y forma del aislador, dependen de la tensión límite que
puede soportar, sin que se forme un arco en su superficie, alcanzando ambos
extremos.
6
7
JUSTIFICACION
Los constantes avances en el ámbito tecnológico, los procesos de manufactura y
en el área de procesos, han incrementado en gran escala el consumo de la
energía eléctrica con el fin de satisfacer sus necesidades, ello ha provocado el
incremento en las tensiones de operación de las líneas de transmisión.
Lo anterior condujo al incremento en el número de aisladores utilizados en las
líneas, para proporcionar el adecuado aislamiento y la confiabilidad necesaria en el
suministro de energía del sistema. Los métodos de análisis para el diseño del
aislamiento de las líneas de transmisión están enfocados a soportar los
sobrevoltajes que se produzcan en los sistemas eléctricos de potencia, por lo
general estos métodos son de tipo probabilísticos, los cuales fueron desarrollados
por ingenieros de países extranjeros (Estados Unidos, Rusia), en base a
experiencias adquiridas en experimentación de campo y en laboratorios, estos
métodos han sido tomados en nuestro país como base para el diseño del
aislamiento de las líneas de transmisión.
En general los métodos de protección contra sobrevoltajes, se guían con el objetivo
de hacer máxima la confiabilidad del sistema con un costo de inversión razonable,
por tal motivo el asunto de la calidad de la energía es de suma importancia y está
transformando los métodos de diseño del aislamiento contra sobrevoltajes.
El desarrollo del presente trabajo de investigación está enfocado, en la obtención
de información clara y objetiva, de los fundamentos teóricos del diseño de los
aisladores empleados en las líneas de transmisión, normas y estándares.
De lo anterior se origina la necesidad de realizar un trabajo de investigación, que
permita a los estudiantes y a los posibles lectores proporcionar los fundamentos
teóricos – prácticos más importantes que intervienen en el diseño del aislamiento
de las líneas de transmisión, de forma clara y precisa, para su conocimiento e
integración al ámbito profesional.
8
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO.
La naturaleza del presente trabajo se encuentra dentro de la modalidad de tesina,
debido a las características que presenta en su desarrollo.
Las extensas distancias a las que se transmite corriente eléctrica han aumentado
junto con los niveles de voltaje de los sistemas, esto ha conducido a un aumento
significativo en el número de aisladores de suspensión que se deben usar en las
líneas de transmisión de energía.
Actualmente el problema de aumento en el nivel de voltaje y proveer un aislamiento
adecuado a dichas líneas se soluciona colocando más aisladores en serie, sin que
la distribución de voltaje en el arreglo de aisladores sea asunto primordial.
Sabemos que en la mayoría de los casos los conductores empleados en las líneas
de transmisión son desnudos, (por lo general del tipo ASCR), por lo tanto, se
necesita aislarlos de los soportes por medio de aisladores, fabricados generalmente
con porcelana o vidrio. La sujeción del aislador al poste se realiza por medio de
herrajes. Pero además, un aislador debe tener las características mecánicas
necesarias para soportar los esfuerzos a tracción a los que está sometido.
El objetivo del diseño del aislamiento característico de una línea de transmisión, es
el de proporcionar la máxima confiabilidad del sistema, en caso de presentarse una
sobretensión que pudiera afectar el funcionamiento de la misma, logrando así un
suministro continuo de corriente eléctrica.
Es necesario que la red de tierras proporcione, entre otros factores, una trayectoria
de baja impedancia a las corrientes causadas por un sobrevoltaje, que en un
momento dado se pudieran presentar.
9
ENUNCIACION DEL TEMA
El tema Diseño Del Aislamiento De Líneas De Transmisión, muestra la
información, de los parámetros más relevantes que interviene en el diseño de
dichas líneas.
Los aisladores de suspensión se utilizan en sistemas de potencia y energía para
proporcionar aislamiento eléctrico y también como ayuda mecánica sosteniendo
líneas de transmisión y distribución. Los aisladores de suspensión que están en
servicio en líneas de potencia están expuestos a sobrevoltaje, y abuso mecánico
severo (tormentas), rayos y arcos eléctricos.
Es conocido que la distribución de voltajes entre los aisladores de una cadena no
es equitativa entre dichos aisladores. Más aún, se sabe que los aisladores más
cercanos la torre (potencial de tierra) soportan menos magnitud de voltaje que
aquellos que se encuentran más cerca de la línea.
Los aisladores son, de todos los elementos de la línea, aquellos en los que se
pondrá el máximo cuidado, tanto en su elección, como en su control de recepción,
colocación y vigilancia en explotación.
Son utilizados en redes eléctricas de transmisión y subtransmisión que van desde
los centros generadores de energía hasta las subestaciones de enlace, los voltajes
asociados a las redes de subtransmisión son del orden de 69, 85, 115Y 138 KV ,
y para las redes de transmisión son de 161, 230 y 400 KV.
En efecto, frágiles por naturaleza, se ven sometidos a esfuerzos combinados,
mecánicos, eléctricos y térmicos, colaborando todos ellos a su destrucción. Todo
nuevo tipo de aislador necesita ser confirmado por un uso muy prolongado, dada la
imperfección de nuestro conocimiento en esta materia.
En la actualidad existe una gran variedad de aisladores para este tipo de redes,
construidos a base de diferentes materiales. Generalmente se les encuentra
formando cadenas de suspensión, formada por varias unidades.
10
EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
La estructura del presente trabajo de investigación, se encuentra dividida en tres
capítulos, para una mejor comprensión del mismo.
En el primer capitulo de este tema, se trata acerca de los motivos de la realización
de este trabajo, la introducción, la naturaleza, sentido y alcance del mismo, la
enunciación del tema de investigación y la explicación de la su estructura.
El segundo capitulo, abarca el marco teórico de la investigación, el cual a su vez
esta dividido en cuatro sub.- temas, que forman el tronco común del trabajo.
El primer subtema, trata sobre el estudio de los materiales dieléctricos, sus
principales características, propiedades y sus aplicaciones en la industria eléctrica.
En el subtema dos, se trata el estudio de los aisladores, su concepto, funciones,
clasificación, características más importantes, las normas y especificaciones más
comunes.
El subtema tres, abarca los principales aspectos que interviene en el diseño de los
aisladores de las líneas de transmisión, las normas y especificaciones de diseño, a
si como las principales pruebas realizadas a los aislamientos de la línea.
El subtema cuatro, trata sobre el fenómeno de la contaminación en los aislamientos
externos, sus efectos, consecuencias y las posibles alternativas de solución a dicho
problema.
Finalmente en el capítulo tres, se presentan las conclusiones de la investigación, la
bibliografía utilizada, los anexos y apéndices del tema tratado.
11
12
DESARROLLO DEL TEMA
En condiciones ideales, el aislamiento de las líneas de transmisión debe ser capaz
de soportar cualquier sobrevoltaje que se pueda presentar en el sistema en el cual
operan, pero la longitud de las cadenas de aisladores y de las distancias mínimas
de aire deberán ser tan grande, que por tal motivo el costo del aislamiento resulta
ser exageradamente alto.
Por consiguiente, el diseño del aislamiento de las líneas se planea de tal manera,
que pueda soportar todo sobrevoltaje interno (producidos por la maniobra de
interruptores y sobrevoltajes de baja frecuencia), pero no así todo impulso de
voltaje provocado por descargas de origen atmosférico (sobrevoltaje externo).
La esencia del método de aislamiento se explica a continuación:
1. La longitud de la cadena de aisladores y la de las distancias de aire se
diseñan para soportar, los máximos sobrevoltajes que pueden presentarse
en la línea en condiciones de humedad, ya sean de baja frecuencia o por
accionamiento de interruptores.
2. Debido a que las características de flameo de impulso por maniobra de
interruptores en una cadena de aisladores, está influenciada por la forma de
onda del sobrevoltaje, deben checarse, factores como la puesta a tierra,
condiciones de contaminación, la forma de los electrodos, entre otros más, y
ser comparados con líneas patrón, las cuales reproducen las condiciones de
operación de las cadenas tanto como sea posible, antes de hacer el diseño
del aislamiento.
3. La longitud de las cadenas de aisladores, está determinada por las
características de las ondas de accionamiento, por que la longitud necesaria
es por lo general, mayor para los sobrevoltajes por switcheo que para los
sobrevoltajes de baja frecuencia (60 hz).
4. Para evitar fallas por descargas atmosféricas, se recurre por lo general, a la
disposición de cables de guarda y la reducción de la resistencia en la base
de la torre (resistencia a pie de torre), así como el uso de interruptores de
alta velocidad, y si es necesario, debe protegerse a la cadena de aisladores
con dispositivos especiales llamados cuernos para arco.
5. Un factor determinante en el diseño del aislamiento, es el BIL (Nivel básico
de aislamiento al impulso) que está basado en una de voltaje de 1.2 x 50
microsegundos, el tiempo de cresta es de 1.2 microsegundos, y está dentro
del rango de onda por descargas atmosféricas, por lo que usualmente el
diseño del aislamiento por rayo está coordinado en el BIL.
13
PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACION
El motivo principal de la realización de este trabajo de investigación, es el de
proporcionar a los estudiantes de Ingeniería Mecánica Eléctrica y a los futuros
lectores, la información relativa a los principales elementos que intervienen en el
diseño del aislamiento de líneas de transmisión, de manera práctica y objetiva para
una mejor comprensión del mismo.
Los elementos a tener en cuenta para el diseño de una línea de transmisión desde
el punto de vista de descargas atmosféricas son:




Espaciamiento eléctrico
Cantidad de aisladores
Ángulo de apantallamiento
Sistema de puesta a tierra de las estructuras
Los cuales son ajustados de modo que ofrezcan una tasa de salidas preestablecida
según los criterios básicos del proyecto. Con respecto a los espaciamientos
eléctricos de las líneas de transmisión, las exigencias atmosféricas tienen menor
importancia a medida que el nivel de tensión se eleva, debido al aumento del nivel
de aislamiento de las líneas de transmisión.
La cantidad de aisladores de una línea de transmisión se diseña de tal forma que
soporte todo “sobrevoltaje interno” (sobrevoltajes por maniobra y sobrevoltajes de
baja frecuencia), pero no todo “sobrevoltaje extremo” (impulso de voltaje
ocasionado por descargas atmosféricas). Lo anterior porque la longitud de la
cadena de aisladores sería tan grande que el costo del aislamiento resultaría
exageradamente alto.
Con respecto a los sobrevoltajes de baja frecuencia se deben hacer correcciones
por variables ambientales tales como: densidad relativa del aire, humedad absoluta
y relativa, precipitación (lluvia), contaminación y viento (factor determinante del
ángulo de balanceo). Pero cuando el aislamiento está sometido a impulsos de
origen atmosférico no se hacen correcciones por variables ambientales porque no
alteran el comportamiento del aislamiento (lluvia, humedad, etc.).
14
MARCO CONTEXTUAL
Las líneas de transmisión de energía son actualmente utilizadas en todo el territorio
nacional, es por tal razón, que referiremos nuestro marco contextual, a todo el país
en general.
El estado de Veracruz se localiza en la parte este de la Republica Mexicana, limita
al norte con el estado de Tamaulipas, al sur con los estados de Chiapas, Oaxaca y
Tabasco, al este con el golfo de México y al oeste con los estados de San Luís
Potosí, Hidalgo y Puebla.
Se encuentra dividido, en siete regiones naturales de norte a sur, que son: la
Huasteca, la Sierra de Huayacocotla , el Totonacapan, las Grandes Montañas, las
Llanuras del Sotavento, Los Tuxtlas y el Istmo de Tehuantepec.
El municipio es la base de la división territorial y de la organización política de los
Estados Unidos Mexicanos, nombre oficial de nuestro país, también llamado
México o Republica Mexicana, el estado de Veracruz cuenta con una extensión
territorial de 72105 Km2 (dato proporcionado por el INEGI, en el año de 1998),
cuenta con un total de 212 municipios, una población de 6, 883, 273 habitantes,
una densidad de población de 98 hab/Km 2, la capital del estado es la ciudad de
Xalapa de Enríquez, sede del gobierno del estado que actualmente preside el Lic.
Fidel Herrera Beltrán, y sus ciudades principales son: Veracruz, Coatzacoalcos,
Minatitlán, Poza Rica y Xalapa.
15
16
INTRODUCCIÓN
Las instalaciones eléctricas, deben aislarse las partes conductoras de corriente y de
las conectadas a tierra, así como de aislarlas entre si. Esto es indispensable para
dirigir correctamente la corriente eléctrica, en el circuito eléctrico. La técnica utiliza
dieléctricos para este propósito, entre los cuales podemos mencionar los siguientes
ejemplos: sólidos, líquidos y gaseosos.
En este capitulo, se aborda el estudio de los materiales dieléctricos que se
caracterizan por ser prácticamente aislantes debido a que sus cargas,
denominadas cargas ligadas, no tienen tanta libertad de movimiento como en los
conductores. Estos materiales están compuestos por átomos y moléculas cuya
distribución interna de cargas se modifica en presencia de un campo eléctrico, de
manera que las cargas negativas se desplazan con respecto de las positivas dando
lugar, a su vez, a la modificación del campo eléctrico.
1.1 DEFINICION DE DIELECTRICO
Los materiales dieléctricos son aquellos en los que las cargas elementales
(electrones orbitales y protones del núcleo) están fuertemente ligadas de manera
que no hay posibilidad de que haya desplazamientos macroscópicos de carga.
Estos materiales son por lo tanto no conductores.
“Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducen la electricidad,
generalmente no metálicos con una alta resistividad, por lo que la circulación
de corriente eléctrica a través de ellos es muy débil, debido al fuerte enlace
entre sus electrones libres y su núcleo atómico, y por lo que pueden ser
utilizados como aislantes”.
Algunos ejemplos de dieléctricos líquidos más comúnmente utilizados en la
ingeniería eléctrica son: el aceite para transformadores, de condensadores y
cables, barnices y líquidos sintéticos; como dieléctricos gaseosos usados
comúnmente se encuentran, el aire y el hexafloruro de azufré (SF6).
Siendo los materiales dieléctricos sólidos, nuestro principal objetivo de estudio en
este presente capitulo.
Cada uno de estos grupos de dieléctricos tiene diferencias específicas. No
obstante, en todos ellos tienen lugar los siguientes procesos físicos: en un campo
eléctrico todos los dieléctricos se polarizan, lo que se relaciona con el ordenamiento
interno de los mismos; bajo la acción de una tensión alterna tiene lugar una
dispersión de energía que se transforma en calor, en los campos eléctricos intensos
el dieléctrico puede ser destruidos, es decir, sufrir una ruptura después de la
ruptura los dieléctricos adquieren gran conductividad.
17
Los materiales dieléctricos sólidos se emplean fundamentalmente cuando además
de efectuar una función aislante, también tienen que cumplir simultáneamente una
función mecánica, esta puede ser la suspensión de un conductor (cadena de
aisladores), el apoyo de una barra de tensión (aislador de soporte en una
subestación) o simplemente la sujeción y amarre de piezas sometidas a diferencias
de potencial.
1.2 Dipolo eléctrico en el seno de un campo E.
El dipolo eléctrico se define como la agrupación de dos cargas puntuales iguales y
de signo opuesto separada por cierta distancia, generalmente del orden de las
dimensiones atómicas, los dipolos aparecen en cuerpos aislantes o dieléctricos, a
diferencia de lo que ocurre en los materiales conductores, en los aislantes los
electrones no son libres. Al aplicar un campo eléctrico a un material dieléctrico este
se polariza dando lugar a que los dipolos eléctricos se reorienten en la dirección del
campo disminuyendo la intensidad de éste.
Uno de los aspectos más característicos de los dipolos, es que su comportamiento
eléctrico esta determinado por su momento de dipolo eléctrico U, definido como:
U  (q  L)  E ……… 1.1
A la expresión entre paréntesis, se le llama momento bipolar del dipolo y se designa
por la letra P :
P  (q  L) ……….. 1.2
Fig.1.1 Dipolo eléctrico
Fig.1.2 Polarización de un dieléctrico
Donde q es el valor absoluto de las cargas eléctricas y L representa el vector
distancia dirigido desde la carga negativa hasta la carga positiva.
El interés por el estudio de los dipolos eléctricos también reside en que las
agrupaciones de las cargas que constituyen la materia, cuando se encuentran en
presencia de un campo eléctrico se comportan de forma aproximada a como lo
harían los dipolos eléctricos, bajo la acción de dicho campo.
18
1.3 Polarización de un dieléctrico. Definición del vector polarización
Vamos a estudiar cuál es el efecto de un campo eléctrico sobre un dieléctrico,
comenzando por precisar que existen dos tipos de sustancias dieléctricas una de
ellas caracterizada porque las cargas eléctricas, en cada una de sus moléculas, se
encuentran distribuidas simétricamente, de forma tal que el centro de simetría de
las cargas positivas coincide con el centro de las cargas eléctricas negativas,
llamándose estas moléculas no polares; mientras que el otro tipo está caracterizado
porque la distribución de la electricidad en sus moléculas no es simétrica, es decir,
que el centro de simetría de las cargas eléctrica positivas no coincide con el centro
de simetría de las cargas eléctricas negativas y, por consiguiente cada molécula
constituye un dipolo eléctrico y recibe el nombre de molécula polar.
La polarización eléctrica de un material es una magnitud vectorial definida como el
momento dipolar eléctrico por unidad de volumen. Por tanto, si “p” es el momento
dipolar inducido en cada átomo o molécula y “n” el número de átomos o moléculas
por unidad de volumen, la polarización es: P  p  n , en general la polarización
eléctrica tiene la misma dirección que el campo eléctrico aplicado.
Si suponemos que las moléculas no son polares e imaginamos que el dieléctrico se
encuentra entre dos placas metálicas cargadas respectivamente de electricidad
positiva y negativa, entonces la distribución de la electricidad pierde su simetría en
todas sus moléculas, dirigiéndose las cargas eléctricas negativas hacia la parte
superior y las cargas positivas hacia la parte inferior, de tal forma que cada
molécula se convierte en un dipolo eléctrico. En estas condiciones decimos que el
dieléctrico está polarizado.
Fig. 1.3 Moléculas no polares en un dieléctrico
En el caso de tratarse de moléculas polares, los dipolos eléctricos, que existen en
cada molécula, en el caso de que no se encuentren en un campo eléctrico, están
distribuidos con orientaciones distintas. Si ahora suponemos que el dieléctrico se
encuentra en un campo eléctrico entonces las fuerzas del mismo dan lugar a un
cambio de orientación de los dipolos que, sin embargo, no adquieren orientaciones
paralelas, como ocurría anteriormente. No obstante, las cargas eléctricas negativas
se encuentran siempre en la parte superior de los respectivos dipolos, mientras que
las positivas se encuentran en la parte inferior.
19
Fig. 1.4
Estos desplazamientos en el caso de los materiales aislantes están limitados a
fracciones muy pequeñas del diámetro molecular debido a las intensas fuerzas
restauradoras que se forman por el cambio de configuración de carga de la
molécula. El efecto total desde el punto de vista macroscópico se visualiza con
mayor claridad como un desplazamiento de toda la carga positiva en el dieléctrico
con relación a la carga negativa. Se dice que el dieléctrico está polarizado, y que
sus
moléculas
tienen
un
momento
dipolar
inducido.
Una molécula de un dieléctrico consta de iones positivos y negativos y de
electrones, siendo la cantidad de electrones libres en el dieléctrico muy pequeña.
En la práctica un dieléctrico no es un aislador absoluto, en estado normal, las
cargas elementales de la molécula de un dieléctrico cerca de los centros de
equilibrio se encuentran en movimiento térmico, oscilante y desordenado. Si el
dieléctrico se conecta a un circuito de corriente continua (condensador), bajo la
acción de las fuerzas de campo eléctrico, las cargas elementales de las moléculas
del dieléctrico se desplazaran en dirección de la fuerza que actúan sobre estas.
Como resultado del desplazamiento de las cargas en el interior del dieléctrico, en el
circuito surge una corriente temporal que se llama corriente de polarización.
Examinemos otra corriente que puede fluir a través de un dieléctrico durante un
tiempo prolongado, en un dieléctrico real siempre hay electrones libres e iones, por
pequeña que sea su cantidad, hay que tomarlos en consideración. Bajo la acción
del campo eléctrico los iones y electrones libres empiezan a desplazarse en el
interior del dieléctrico, formando lo que se conoce con el nombre de: corriente de
fuga.
La magnitud de la corriente de fuga es en algunos casos considerablemente mayor
que la corriente de polarización. Al pasar a través de un dieléctrico, la corriente de
fuga, conforme a la ley de JOULE – LENZ, desprende calor, lo que es necesario
tener en cuenta al hacer cálculos técnicos.
20
Si conectamos un dieléctrico a un circuito de corriente alterna, el proceso de
polarización pasara periódicamente tanto como en una como en otra dirección y en
el circuito surgirá una corriente alterna; este proceso, el cual se repite
ininterrumpidamente, exigirá gasto de energía ,el desplazamiento periódico de
iones y electrones libres en el material dieléctrico provocara la corriente de fuga.
1.4 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE UN DIELÉCTRICO

RESISTIVIDAD ( RESISTENCIA ESPECIFICA)

PERMITIVIDAD (CONSTANTE DIELECTRICA)

ANGULO DE PERDIDAS DIELECTRICAS

RIGIDEZ DIELECTRICA
1.4.1 RESISTIVIDAD
Se ha establecido anteriormente que un dieléctrico técnico en la práctica, no es un
aislador en absoluto, por tal razón un dieléctrico deja pasar una corriente durante su
trabajo, la magnitud de esta corriente es muy pequeña en comparación con las que
pasan por las partes conductoras de una instalación eléctrica (conductores, cables,
barras), la corriente tiene dos vías para su recorrido, a través del espesor del
dieléctrico y por su superficie.
La resistencia específica cúbica o volumétrica del dieléctrico permite evaluar la
resistencia al paso de corriente eléctrica del dieléctrico mediante la corriente I vol a
través de su volumen. Por medio de la resistencia especifica superficial, puede
evaluarse la propiedad del dieléctrico, de oponer resistencia al paso de la corriente
I sup a través de su superficie, de aquí el que se pueda comparar el menor o mayor
carácter aislante de cada dieléctrico, para una mejor aplicación posterior.
21
Las corrientes cúbicas y superficiales del dieléctrico (refiérase a las corrientes que
circulan por el volumen y la superficie del dieléctrico), son muy pequeñas por lo
general en todos los dieléctricos de aquí es de donde proviene el carácter aislante.
Las siguientes figuras muestran lo explicado anteriormente:
I fuga
I sup
I sup
Ivol
Fig. 1.5 Corriente de fuga en un dieléctrico
S
h
Fig. 1.6 Resistividad volumétrica de un dieléctrico
22
La corriente total, corriente de fuga
I
f
es igual a la suma de corrientes: la que
pasa a través del espesor (volumen) del dieléctrico
superficie del dieléctrico
I vol
y la que pasa por la
I su p . Expresando lo anterior en forma matemática se
obtiene la siguiente relación:
I f = I vol + I su p . ……… (1.3)
Al pasar por dos vías, la corriente supera a la resistividad volumétrica Rvol , y a la
resistividad superficial Rsup . La resistividad total del aislamiento en el dieléctrico
Rais , esta determinada por:
Rais 
Rvol  Rsup
Rvol  Rsup
……… (1.4) , de donde
Rasi =
U
I f
; …… (1.5)
La resistividad de la unidad de volumen se llama resistividad volumétrica y se
designa mediante  U . Por unidad de resistividad volumétrica se toma la de un
cubo, de un material dado, con una arista de 1cm, la unidad para medir la
resistividad volumétrica es el ohmio- centímetro (Ω  cm.) y se determina por la
formula:
h
…. (1.6)
Rvol =  U
s
Donde:
h = espesor del dieléctrico en cm.
s = área de la cara lateral en cm2.
La resistencia de superficie del dieléctrico se llama resistividad superficial y se
designa con  s , y se mide en ohmios (Ω).
Como unidad de resistividad superficial se toma la resistencia de un rectángulo, (de
cualquier dimensión) escogido arbitrariamente en la superficie del material, si la
corriente pasa a través de los lados opuestos de este rectángulo, la resistividad
superficial se determina por la fórmula:
Rsup =
s
a
; …………. (1.7)
b
Donde: a = distancia entre los electrodos colocados paralelamente
b = espesor de los electrodos.
23
I sup
a
b
a
Fig.1.7 Resistividad superficial de un dieléctrico
1.4.2 PERMITIVIDAD (constante dieléctrica)
La permitividad es una magnitud que caracteriza la capacidad del dieléctrico
colocado entre las armaduras de un condensador. Como es sabido, la capacidad
de un condensador plano depende de sus características geométricas, (cuanto
mayor sea el área de las placas, mayor será su capacidad), de la distancia entre las
placas o del espesor del dieléctrico (tanto más grueso sea el dieléctrico, tanto
menor será la capacidad), así como del material para cuya características sirve la
permitividad.
En forma matemática lo anterior se expresa como se indica a continuación:
“La capacitancia C de un condensador es la razón entre la magnitud de la carga en
cualquiera de los conductores y la magnitud de la diferencia de potencial entre
ellos”.
Q
, ……….. (1.8)
V
Donde:
C
C
 faradios , F .
V
Q  Carga en Columbios
V  Diferencia de potencial en voltios.
C = Capacitancia en,
La permitividad es numéricamente igual a la relación entre la capacidad de un
capacitor con cualquier dieléctrico y la capacidad de un condensador igual, pero
con aire como dieléctrico. En forma matemática se expresa como:

C
……… (1.9)
CO
24
La permitividad es una constante física que describe cómo un campo eléctrico
afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vacío ( ) es:
F
8.854 10 12
m
La permitividad esta determinada por la habilidad de un material de polarizarse en
respuesta a un campo eléctrico aplicado y, de esa forma, cancelar parcialmente el
campo dentro del material. Está directamente relacionada con la susceptibilidad
eléctrica. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma
cantidad de carga eléctrica sea guardada con un campo eléctrico menor y, por
ende, a un potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo.
1.4.3 ANGULO DE PERDIDAS DIELECTRICAS
Se ha analizado anteriormente ejemplos de conexión de un dieléctrico a circuitos de
corriente alterna y continua, resulta ser que durante el trabajo de un dieléctrico real
en un campo eléctrico formado por la corriente alterna, se desprende energía
térmica; la potencia que se absorbe en estos casos se denomina: pérdidas
dieléctricas.
Las pérdidas dieléctricas son proporcionales al cuadrado de la tensión, a la
frecuencia de la corriente alterna, a la capacidad del condensador y a la tangente
de pérdidas dieléctricas; por consiguiente, en cuanto mayor es tan δ, tanto mayor
serán las pérdidas de energía en el dieléctrico.
En un dieléctrico ideal la corriente capacitiva adelanta en la fase a la tensión en 90º,
mientras que en uno real la corriente capacitiva adelanta a la tensión en un ángulo
menor de 90º; sobre la disminución de este ángulo ejerce influencia la corriente de
fuga que se denomina también corriente de conducción, la diferencia entre 90º y el
ángulo de desfasaje (entre la tensión y la corriente que pasa en el circuito con
dieléctrico real) se llama ángulo de pérdidas dieléctricas o ángulo de pérdidas y se
designa con la letra δ (delta).
Esto se puede explicar mejor usando el siguiente razonamiento:
Cuando un dieléctrico esta sometido a una diferencia de tensión, circula a través de
el una corriente que tiene tres componentes: una corriente capacitiva ( I C ), una
corriente de absorción ( I A ) y una corriente de conducción cuyo valor esta limitado
por la resistencia ohmica del material ( I R ).
25
Cuando el dieléctrico esta sometido a una tensión continua, la corriente total
disminuye con el tiempo, hasta alcanzar un valor constante correspondiente al valor
de la corriente de fuga.
Si el dieléctrico esta sometido a una tensión alterna, las tres corrientes que
determinan el valor total de corriente queda establecido durante todo tiempo que el
dieléctrico esta bajo la acción de tensión alterna.
I  I C  I A  I R ………. (1.10)
De acuerdo a la expresión anterior un dieléctrico se puede representar por medio
del siguiente circuito equivalente:
Ic
C
Ra
Ca
Ia
Ra
I
Ir
V
Ir
Fig. 1.8 Circuito equivalente de un dieléctrico
La corriente de absorción Ia tiene dos componentes una activa ( I 'a) y otra
capacitiva ( I ' ' a) el diagrama vectorial de corrientes es el siguiente:
26
I'a
I ''a
Ir
IA
I
I´c
Ia
V
Fig. 1.9 Diagrama vectorial del circuito equivalente de un dieléctrico
Al diagrama vectorial anterior también se le conoce con el nombre de diagrama
vectorial de perdidas en los dieléctricos bajo la acción de corriente alterna.
El diagrama vectorial anterior es la representación más exacta, pero su aplicación
resulta laboriosa, por lo que para fines prácticos, se emplea el diagrama vectorial
de pérdidas en dieléctricos simplificado, el cual se muestra a continuación:
C
Ic
Ic
I
Ia

Rr

V
Ia
Fig. 1.10 Diagrama vectorial simplificado
V
Fig. 1.11 Circuito
equivalente
Donde:
Ia = Corriente total = I ' a  Ir …………………. (1.11)
Ic  Corriente capacitiva total = I ' ' a + I ' c ……... (1.12)
I  Corriente de fuga
El ángulo

se conoce como ángulo de pérdidas dieléctricas.
27
La tensión y corriente activa que se disipa en forma de calor es calculada mediante
la expresión:
P  V  Ia  VI  cos  ; ……………………………… (1.13)
Y la potencia reactiva esta dada por:
Pr  V  I  VI  cos   VI  sen(90   ) . …………. (1.14)
Del diagrama vectorial se tiene:
Ia
Ia
………… (1.15) ; Por lo tanto,   TAN 1 ( ) ……….. (1.16)
Ic
Ic
La corriente capacitiva esta dada por la expresión:
TAN 
V
1
1
………. (1.17) ; de donde, Xc 
=
………….. (1.18)
Xc
c 2fc
V
Ic 
 Vc …………….. (1.18' )
1
c
Ia  VcTAN ……… (1.19)
Las perdidas activas y reactivas son:
Pa  V  Ia  V 2c  TAN …… (1.20)
Pr  VIc  V 2c ……………….. (1.21)
Ic 
Se acostumbra llamar a la TAN δ, tangente del ángulo de pérdidas dieléctrica, y
determina las pérdidas en un dieléctrico que se encuentra bajo la acción de una
corriente alterna; depende de la naturaleza del dieléctrico, de la frecuencia y de la
temperatura.
Cuándo se tienen corrientes de fuga muy pequeñas, el ángulo δ es muy pequeño y
en estas condiciones el factor de potencia (FP):
COS  SEN  TAN
28
1.4.4 RIGIDEZ DIELECTRICA
La capacidad de un dieléctrico de soportar una tensión dada sin perforarse,
se llama rigidez dieléctrica.
La rigidez dieléctrica es principal cualidad de los materiales aislantes, la intensidad
del campo eléctrico dentro de cuyos límites puede trabajar normalmente el material
aislante, no debe superar un valor bien determinado.
Esta propiedad muy importante de los dieléctricos nos permite evaluar su
capacidad de oponerse a la acción destructiva de las fuerzas eléctricas, a cierto
valor de la intensidad tiene lugar la alteración del funcionamiento del dieléctrico, su
material es perforado por una chispa que se transforma en un arco, el dieléctrico
pierde sus propiedades aislantes, su resistencia decae bruscamente y las partes
conductoras que estaban separadas antes por un cuerpo aislante se ponen en
corto circuito, y tiene lugar la perforación del dieléctrico.
La tensión que ocasiona la perforación en el dieléctrico se llama: tensión disruptiva
U disr .
Una destrucción del dieléctrico provocaría la unión de los conductores, y traer
consigo graves consecuencias en la instalación eléctrica, la magnitud de la
intensidad máxima del campo eléctrico, a la que ocurre la ruptura del dieléctrico, se
llama rigidez dieléctrica.
En forma matemática la rigidez dieléctrica se expresa de la siguiente manera:
E disr 
U KV
,
, …………… (1.23)
h cm
O bien,
KV
.
mm
Donde:
U = tensión aplicada (KV)
h = espesor del dieléctrico (cm. o mm)
Con lo anterior puede establecerse que en su aplicación practica, el material
aislante no debe encontrarse bajo una tensión que pueda provocar la perforación
del dieléctrico.
29
En definitiva, la rigidez dieléctrica de los materiales depende principalmente de:
- La heterogeneidad del campo eléctrico aplicado, y por extensión de la forma de
los
conductores,
- Naturaleza e intensidad de la ionización de las incrustaciones de gas, y
-Cambios
químicos
que
pueda
experimentar
el
material.
La rigidez dieléctrica o tensión de perforación de un dieléctrico no es una constante
porque depende de las propiedades físicas del material, condiciones del medio
ambiente y naturaleza y duración de la tensión aplicada así como de la frecuencia
con que el material la sufre.
1.5 PERFORACION EN DIELECTRICOS
Se pueden distinguir dos tipos de perforación: eléctrica y térmica. Junto a estos dos
tipos es necesario considerar también la perforación por ionización, que es el
resultado de la ionización del gas alojado en las pequeñísimas cavidades o
burbujas que pueden tener los materiales dieléctricos sólidos o líquidos.
Perforación eléctrica en un dieléctrico sólido
La perforación eléctrica consiste en la destrucción de la estructura de la sustancia
bajo la acción de fuerzas del campo eléctrico. En un campo eléctrico débil las
cargas eléctricas de las moléculas se desplazan de modo elástico, pero si la
intensidad del campo alcanza la magnitud disruptiva, las partículas cargadas saltan
de las posiciones iniciales, lo que conduce a la perforación del dieléctrico.
Examinemos ahora la perforación térmica en los dieléctricos sólidos
Como se sabe, hallándose un dieléctrico en un campo eléctrico alterno se
desprende calor a cuenta de las perdidas dieléctricas, siendo negativo el coeficiente
de temperatura de la resistencia, el calentamiento del material irá acompañado de
la disminución de la resistencia del dieléctrico, esto traerá un aumento de la
corriente que pasa por el dieléctrico y un aumento; de este modo el proceso de
calentamiento va creciendo cada ves mas hasta que el material se destruye
(carboniza, funde, etc.).
La temperatura también es importante. El deterioro de los aislantes a temperaturas
elevadas es gradual. Se manifiesta principalmente por resecarse o carbonizarse el
material, lo que lo hace quebradizo, haciéndole perder resistencia mecánica más
que rigidez dieléctrica. Tras una carbonización severa, la rigidez dieléctrica puede
quedar muy perjudicada, pero el fallo se asocia más generalmente a defectos
mecánicos del aislante originado por vibraciones o esfuerzos mecánicos en los
cortocircuitos.
30
1.6 PERDIDAS DIELECTRICAS EN LOS AISLANTES SÓLIDOS
La mayoría de los aislantes sólidos cuando se encuentran bajo la acción de un
campo eléctrico variable, permite el paso de una corriente pequeña ya que se
comportan en parte como conductores, esto ocasiona pérdidas que se manifiestan
en forma de calor.
La energía disipada de esta forma se debe a las pérdidas dieléctricas que son
básicamente de dos tipos:
a) Pérdidas por conducción ( muy pequeñas y de poca importancia)
b) Pérdidas por polarización
Las pérdidas por conducción aparecen en los aislantes por efecto de traslación
de cargas eléctricas que pueden ser electrones libres o iones.
La conducción eléctrica se debe al movimiento de los electrones libres (en
pequeñas cantidades) que existen en todos los materiales aislantes.
La conducción iónica aparece en los materiales capaces de producir iones, que
tienen una movilidad que depende en gran parte de la temperatura, la traslación
de los mismos origina una corriente eléctrica que engendra calor y pérdidas de
energía.
Pérdidas de polarización; se deben al movimiento de los dipolos que tienden a
orientarse por la acción de un campo eléctrico, en estas pérdidas la frecuencia
es muy importante, ya que para corriente continua o frecuencias muy bajas no
hay perdidas considerables, lo mismo ocurre con frecuencias elevadas, pero
existe un rango de frecuencias en el que las pérdidas si son considerables,
debido a que la constante dieléctrica varía con la frecuencia, dicha constante
afecta también a las pérdidas por polarización.
El máximo de las pérdidas por polarización se presenta a una frecuencia para la
cual se tienen mayores variaciones de la constante dieléctrica; la variación de la
constante dieléctrica con la frecuencia es de la forma:
  

 f 
1  
 fo 
2
……………… (1.22)
Donde:
α y β
son constantes y
corresponde a la máxima dispersión.
f0
es el valor de la frecuencia que
31
CONDICIONES GENERALES
Los conductores empleados en líneas aéreas, en la mayor parte de los casos, son
desnudos; por lo tanto, se necesita aislarlos de los soportes por medio de
aisladores, fabricados generalmente con porcelana o vidrio, la sujeción del aislador
al poste se realiza por medio de herrajes. Pero además, un aislador debe tener las
características mecánicas necesarias para soportar los esfuerzos a tracción a los
que está sometido.
2.1 CONCEPTO DE AISLADOR
Los aisladores son los elementos cuya finalidad consiste en aislar eléctricamente el
conductor de la línea de apoyo que lo soporta, al emplearse los conductores, se
precisa que los aisladores posean buenas propiedades dieléctricas ya que la misión
fundamental de este es evitar el paso de la corriente del conductor hacia tierra. La
unión de los conductores con los aisladores y de estos con los apoyos se efectúa
mediante piezas metálicas denominadas herrajes.
Fig. 2.0 Herrajes para aisladores
32
El paso de la corriente del conductor al apoyo puede producirse por las causas
siguientes:

Por conductividad del material: es decir a través de la masa del aislador.
Para evitar esto se emplean materiales cuya corriente de fuga es
despreciable (Ej.: Vidrio, porcelana, polímeros.)

Por conductividad superficial: se produce cuando una corriente de fuga
contornea la parte exterior del aislador por aumento de la conductividad, esto
es ocasionado por haberse depositado en la superficie del aislador una capa
de polvo o humedad.
Esta conductividad recibe el nombre de efecto corona y suele reducirse dando un
perfil adecuado a la superficie del aislador.

Por perforación de la masa del aislador: al ser muy difícil mantener la
uniformidad dieléctrica de un material en toda su masa, existe el peligro de
que se perfore el aislador, sobre todo si el espesor es grande. Por ello, los
aisladores suelen fabricarse en varias piezas de pequeño espesor unidas por
una pasta especial.

Por descarga disruptiva a través del aire: puede producirse un arco entre
el conductor y el soporte a través del aire, cuya rigidez dieléctrica a veces no
es suficiente para evitar la descarga. Esto suele ocurrir con la lluvia, debido a
la ionización del aire, y se puede evitar con un diseño adecuado para
aisladores de intemperie, 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.
Aislador flameado
33
Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, las cualidades específicas que
deben cumplir los aisladores son:
1.- Rigidez dieléctrica suficiente para que la tensión de perforación sea lo más
elevada posible. Esta rigidez depende de la calidad del vidrio o porcelana y del
grueso del aislador. La tensión de perforación es la tensión a la cual se ceba el arco
a través de la masa del aislador.
2.- Disposición adecuada, de forma que la tensión de contorneamiento presenta
valores elevados y por consiguiente no se produzcan descargas de contorno entre
los conductores y el apoyo a través de los aisladores. La tensión de
contorneamiento es la tensión a la que se ceba un arco a través del aire siguiendo
la mínima distancia entre fase y tierra, es decir, el contorno del aislador. Esta
distancia se llama línea o distancia de fuga.
3.- Resistencia mecánica adecuada para soportar los esfuerzos demandados por el
conductor, por lo que la carga de rotura de un aislador debe ser cuanto menos igual
a la del conductor que tenga que soportar.
4.- Resistencia a las variaciones de temperatura.
5.- Ausencia de envejecimiento.
2.2 FUNCIONES DE LOS AISLADORES
Los aisladores cumplen la función de sujetar mecánicamente el conductor
manteniéndolo aislado de tierra y de otros conductores.
Deben soportar la carga mecánica que el conductor transmite a la torre a través de
ellos.
Deben aislar eléctricamente el conductor de la torre, soportando la tensión en
condiciones normales y anormales, y sobretensiones hasta las máximas previstas
(que los estudios de coordinación del aislamiento definen con cierta probabilidad de
ocurrencia).
La tensión debe ser soportada tanto por el material aislante propiamente dicho,
como por su superficie y el aire que rodea al aislador.
La falla eléctrica del aire se llama contorneo, y el aislador se proyecta para que esta
falla sea mucho más probable que la perforación del aislante sólido.
Surge la importancia del diseño, de la geometría para que en particular no se
presenten en el cuerpo del aislador campos intensos que inicien una crisis del
sólido aislante.
34
2.2.1 FORMA DE LOS AISLADORES
La forma de los aisladores está en parte bastante ligada al material, y se puede
hacer la siguiente clasificación:
AISLADORES DE CAMPANA: (también llamados de disco) Generalmente
varios forman una cadena, se hacen de vidrio o porcelana con insertos metálicos
que los articulan con un grado de libertad (horquilla) o dos (caperuza y vástago,).
AISLADORES DE BARRA: Los hay de porcelana, permiten realizar cadenas de
menor cantidad de elementos (mas cortas), la porcelana trabaja a tracción y existen
pocos fabricantes que ofrecen esta solución, especialmente si se requieren
elevadas prestaciones, ya que no es una solución natural para este material, en
cambio es la solución natural de los aisladores de suspensión compuestos.
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, para el
aislador compuesto siempre se realiza un único elemento capaz de soportar la
tensión total.
AISLADORES RIGIDOS: En tensiones bajas y medias tienen forma de campana,
montados sobre un perno, y se realizan de porcelana o vidrio.
A medida que la tensión crece, tamaño y esfuerzos también, 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.
En estos casos pueden ser de porcelana y modernamente de materiales
compuestos, 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.
Los aisladores se completan, como ya indicado, con insertos metálicos de formas
estudiadas para la función, y que tienden a conferir movilidad (en las cadenas) o
adecuada rigidez (en las columnas).
Para evitar solicitaciones anormales e indebidas de los elementos aislantes, los
casos mas comprometidos se resuelven con fusibles mecánicos instalados del lado
del conductor o del lado base y que al romperse permiten el giro del aislador,
cargándose entonces en forma mas favorable.
Al especificar los aisladores se resaltan dos tipos de características, que deben
combinar por su función, las mecánicas, y las eléctricas.
35
2.3 CARACTERISTICAS DE LOS AISLADORES
2.3.1 CARACTERISTICAS MECANICAS
Los aisladores de cadena deben soportar solo cierta tracción 7000, 16000 o más
Kg., los aisladores rígidos deben soportar cierta compresión, y/o cierta flexión.
Los ensayos de características mecánicas se hacen con solicitación eléctrica
simultánea, al estar sometidos a las inclemencias del tiempo una característica muy
importante es la resistencia al choque térmico (que simula el pasar del pleno sol a
la lluvia), también por los sitios donde se instalan, los aisladores son sometidos a
actos vandálicos (tiros con armas, proyectiles pétreos o metálicos arrojados), es
entonces importante cierta resistencia al impacto.
Frente a estas solicitaciones el comportamiento de los tres tipos de materiales es
totalmente distinto, el vidrio puede estallar, siendo una característica muy
importante que la cadena no se corte por este motivo.
La porcelana se rompe perdiendo algún trozo pero generalmente mantiene la
integridad de su cuerpo, mecánicamente no pierde características, solo son
afectadas sus características eléctricas.
2.3.2 CARACTERISTICAS ELECTRICAS
Los aisladores deben soportar tensión de frecuencia industrial e impulso (de
maniobra y/o atmosféricos), tanto en seco como bajo lluvia, influyen en la tensión
resistida la forma de los electrodos extremos del aislador.
Una característica importante es la radió interferencia, ligada a la forma del
aislador, a su terminación superficial, y a los electrodos (herrajes), en las cadenas
de aisladores, especialmente cuando el número de elementos es elevado la
repartición de la tensión debe ser controlada con electrodos adecuados, o al menos
cuidadosamente estudiada a fin de verificar que en el extremo crítico las
solicitaciones que se presentan sean correctamente soportadas.
La geometría del perfil de los aisladores tiene mucha importancia en su buen
comportamiento en condiciones normales, bajo lluvia, y en condiciones de
contaminación salina que se presentan en las aplicaciones reales cerca del mar o
desiertos, o contaminación de polvos cerca de zonas industriales.
36
La contaminación puede ser lavada por la lluvia, pero en ciertos lugares no llueve
suficiente para que se produzca este efecto beneficioso, o la contaminación es muy
elevada, no hay duda de que la terminación superficial del aislante es muy
importante para que la adherencia del contaminante sea menor, y reducir el efecto
(aumentar la duración).La resistencia a la contaminación exige aumentar la línea de
fuga superficial del aislador, esta se mide en mm/kv (fase tierra), y se recomiendan
valores que pasan de 20, 30 a 60, 70 mm/kv según la clasificación de la posible
contaminación ambiente.
2.3.3 Propiedades conservadoras de los aisladores:

El aislador debe ser impermeable, para evitar que penetre agua en su
cuerpo.

El aislador no debe ser poroso, para evitar que penetre a su cuerpo
sustancias no aislantes,

Debe ser muy liso, para presentar gran dificultad a la formación de depósitos
sobre la superficie del aislador y además, para en caso de lluvia, el agua no
escurra por el cuerpo del aislador de manera continúa y así pueda el aislador
bajo estas condiciones mantener la línea aislada.

El aislador debe tener una forma especial que tiene que ver
fundamentalmente con la conservación de la resistencia eléctrica, bajo
condiciones de lluvia y también que ver con la resistencia mecánica del
aislador, pero no en su conservación.
37
2.4 CLASIFICACION DEL AISLAMIENTO ELÉCTRICO
Generalmente los aisladores se clasifican de acuerdo al nivel de voltaje y tipo de
instalación en la cual son utilizados, por ejemplo existen aisladores para líneas de
transmisión, redes de distribución y subestaciones.
Los aisladores empleados en líneas de transmisión son fabricados usualmente de
porcelana, vidrio templado y materiales sintéticos.
Los aisladores de porcelana vidriada por lo general contiene un 50% de caolín, un
25% de feldespatos y un 25% de cuarzo, la porcelana debe ser moldeada por
procedimientos en húmedo, debe ser compacta y su superficie debe ser vitrificada,
la porcelana eléctrica posee excelentes propiedades para ser utilizada como
aislante eléctrico, tales como alta resistencia dieléctrica, alta resistencia mecánica,
elevado punto de fusión, inercia química, etc.
La resistencia dieléctrica de los aisladores de porcelana es del orden de los 60 a los
70 KV/ cm y su resistencia mecánica varia de unos 40,000 a 65,000 lbs/plg 2 a la
compresión y de 1500 a 12,500 lbs/plg2 a la tensión.
Por su parte los aisladores fabricados a base de vidrio templado, tienen una
resistencia dieléctrica del orden de 140 KV/cm, estos aisladores son
mecánicamente más fuertes que los de porcelana a la compresión y tiene
aproximadamente la misma resistencia mecánica a la tensión que los de porcelana.
Según su forma los aisladores de vidrio se subdividen en: estándar, utilizados en
líneas de baja polución, anticontaminación con dos formas distintas y mayor línea
de fuga, aerodinámicos, de forma plana para facilitar su autolimpiado por la lluvia y
el viento, y esféricos, de las mismas características que el anterior pero más
resistentes al vandalismo.
En términos generales, estos tipos de aisladores presentan ciertas ventajas unos
con respecto a otros, así entonces los aisladores de vidrio templado tienen las
siguientes ventajas sobre, los de porcelana:

Debido a su composición se pueden observar las perforaciones y
constituciones no homogéneas a simple vista.

Después de una onda de sobrevoltaje en un aislador deteriorado se puede
identificar más fácilmente, debido a que el vidrio se estrella y la porcelana se
rompe cuando falla el dieléctrico.

El vidrio tiene un menor coeficiente de expansión térmica, lo cual minimiza
los esfuerzos por cambios súbitos en la temperatura ambiente.
38
2.4.1 TIPOS DE AISLADORES
AISLADOR TIPO CAPERUZA Y VASTAGO
Este tipo de aislador se encuentra sometido principalmente a esfuerzos de tensión
su forma física esta caracterizada por estar formada por una caperuza y un
vástago de acero galvanizado, unidos a los extremos de un disco elaborado con un
material aislante (generalmente de porcelana o vidrio templado), mediante un
resistente cementado.
Caperuza. Es una pieza de fundición maleable o dúctil galvanizada en caliente,
está ensamblada con la pieza de vidrio de forma adecuada (cemento, etc.) para
soportar las solicitaciones termomecánicas. 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 tipo R para
asegurar el acoplamiento con otras unidades.
Vástago. Es una pieza de acero forjado galvanizado en caliente, está ensamblada
con la pieza de vidrio mediante cemento aluminoso, colocado sobre el vástago
puede montarse el electrodo de sacrificio, consiste en un manguito de zinc utilizado
como protección frente a la contaminación salina o industrial.
Se les encuentra instalados principalmente en forma vertical (suspensión), los
principales modelos usados en el mundo son el estándar, niebla, superniebla,
aerodinámico, etc.
Fig.2.1 Aislador tipo caperuza y vástago
39
2.4.2 AISLADOR TIPO SUSPENSIÓN
Se encuentra sometido principalmente a esfuerzos de tensión, su concepción física
es parecida a la del aislador tipo caperuza y vástago, presentando variantes en las
dimensiones y en la forma del vástago; generalmente se les encuentra suspendido
en forma horizontal, 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,
en vanos largos y con conductores pesados. Las unidades o discos modernos de
caperuza y vástago han dado resultados muy satisfactorios y se han adoptado
progresivamente para hacer frente a las necesidades de las más altas tensiones y
de la construcción más pesada, con simplicidad y economía.
Una unidad aisladora del tipo suspensión, según la norma ANSI C29.1, es un
ensamble de una pieza de porcelana y herrajes metálicos, provista de medios de
acoplamiento no rígidos a otras unidades o herrajes terminales según se muestra
en la Fig.2.2, un aislador de suspensión típico se distingue los siguientes
elementos:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
ESMALTE
ARENA CERAMICA
CEMENTO
OJAL O CUENCA
PINTURA BITUMINOSA
CUERPO CERAMICO
PERNO METALICO (POSADOR O BOLA)
Figura 2. 2. Componentes de un aislador tipo suspensión
40
Las líneas de transmisión aéreas en alta tensión se aíslan por medio de estos
aisladores, debido a que al aumentar las tensiones de operación de las líneas, el
costo de los aisladores tipo alfiler aumenta, por lo que resulta antieconómico su uso
en tensiones elevadas. Tal como su nombre lo indica, en este tipo de aisladores de
suspensión el conductor se suspende por debajo del soporté por medio de estos
aisladores.
La tensión de arco por contorno en cadenas tipo suspensión, casi proporcional a la
distancia a tierra en el aire y aproximadamente igual a la tensión de arco entre
varillas con la misma distancia, a 60 hz y con las sobretensiones que se originan
en las maniobras.
En la práctica, el número de discos o unidades que conforman la cadena de
aisladores es aproximadamente proporcional a la tensión, con ligero aumento para
las tensiones más altas y con cierto margen en la longitud de cada unidad.
Para la tensión de 69 kv se usan de 4 a 6 unidades, para 115 kv de 7 a 9, para 138
kv de 8 a 10, para 161 kv de 12 a 14, para 230 kv de 14 a 20.
NUMERO DE
AISLADORES
STÁNDAR TIPO
SUSPENSION
RECOMENDADO
(254mm x 145mm)
Df 305mm
TENSIÓN
NOMINAL
( KV)
NBI AL IMPULSO
(KV)
69
350
4 -6
115
500
7 -9
138
650
10 -12
161
750
12 - 14
230
900
14 – 20
400
1250
20 – 24
Tabla 2.1 Número de aisladores estándar (254x146mm) tipo suspensión para
diferentes tensiones de transmisión usadas en México.
41
2.4.3 AISLADORES DE TENSIÓN O AMARRE
Un conjunto de unidades de suspensión dispuestas al extremo o final de una línea,
en una estructura, se denomina aislador de amarre o de tensión, estos aisladores
deben soportar el pleno esfuerzo de tracción y han de ser calculados con un amplio
factor de seguridad para la máxima cantidad de hielo y presión del viento; el
esfuerzo máximo que pueden resistir los aisladores y sus herrajes debería ser
equiparado al de los conductores.
Es práctica corriente proteger las cadenas de amarre o final de la línea,
especialmente contra el deterioro debido a arcos, empleando dos o tres o discos
adicionales e instalando cuernos a anillos de guarda.
Figura 2. 3 Forma de las cadenas de aisladores
42
2.5 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.
Analizaremos la calidad de la porcelana o del vidrio, la tensión de contorneamiento
en seco o en lluvia, la tensión de perforación y la resistencia mecánica del aislador.
2.5.1Ensayo de la calidad de la porcelana y del vidrio
Un ensayo elemental para darnos cuenta de la calidad de la porcelana y de su
buena vitrificación consiste en romper el aislador y examinar las superficies de
fractura, que deben ser brillantes y homogéneas y en ningún caso presentarán
fisuras, oquedades o burbujas, se comprueba también que el esmalte superficial
esté exento de grietas, sea duro e inatacable por los agentes atmosféricos.
También resulta interesante estudiar la porosidad de la porcelana y su variación
con los cambios de temperatura.
Los aisladores de vidrio se analizan con luz ordinaria y polarizada, comprobando la
ausencia de fisuras y de burbujas.
2.5.2 Ensayo de contorneamiento
En este ensayo se comprueba si la tensión de contorneamiento es realmente la
especificada por el fabricante. Esta tensión es aquella en la que se produce un arco
o descarga disruptiva por la superficie del aislamiento entre el soporte metálico y el
conductor.
El ensayo se realiza sometiendo al aislador a una tensión cada vez más elevada
entre la caperuza y el vástago, hasta que se produce el arco eléctrico; en ese
momento estaremos ante la tensión de contorneamiento.
El ensayo se realiza también bajo lluvia artificial controlada con una inclinación de
45º sobre el aislador. La tensión de contorneamiento bajo lluvia es menor que en
condiciones normales pero siempre debe ser superior a la tensión nominal de
empleo del aislador.
Los aisladores se fabrican con el interior ondulado con el fin de aumentar la longitud
que debe recorrer el arco eléctrico para que salte. Esta distancia se llama línea de
fuga y es una característica fundamental en los aisladores.
43
Fig. 2.3.1. Ensayo de contorneamiento
2.5.3 Ensayo de perforación
La tensión de perforación es aquella en que se produce la rotura del aislador, ya
que el arco eléctrico atraviesa el vidrio o la porcelana.
Con frecuencia industrial, la perforación del aislador no puede ser obtenida estando
rodeado de aire, ya que saltaría el arco por la superficie y no por el interior. Por lo
tanto se impide la formación del arco de contorneo sumergiendo el aislador en
aceite mineral, con lo cual se puede elevar la tensión de prueba hasta obtener la
rotura o la perforación del aislador.
44
2.6 CONDUCTANCIA O PERDITANCIA
Ningún aislador es perfecto todos dejan pasar una pequeña corriente (corriente de
fuga), 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.
Los valores de estas corrientes son muy pequeños, sin embargo en cálculos
estrictos es necesario tomarlos en cuenta.
Al paso de estas corrientes se oponen una resistencia característica:
Una resistencia volumétrica y una resistencia superficial, estas resistencias se
encuentran en paralelo por lo que la resistencia equivalente esta dada por:
Re q 
Rv  Rs
…………….. EC 2.0
Rv  Rs
I


I'

V
Figura 2.4. Circuito equivalente de un aislador
Donde:
I ' = corriente de fuga en el aislador
 = Angulo de pérdidas dieléctricas
45
2.7 DISTRIBUCION DE TENSIONES EN UNA CADENA DE AISLADORES
GRADIENTE DE POTENCIAL
En el diseño del aislamiento en sistemas de alta tensión, tanto por razones
económicas como de seguridad, es necesario conocer la distribución del campo
eléctrico y del potencial del elemento dominante, cosa que ha tomado vital
importancia con la tendencia y la necesidad actual de incrementar las tensiones en
la transmisión de la energía eléctrica.
Se observará que la distribución de potencial y del campo eléctrico no es lineal,
esto quiere decir que cada aislador esta sometido a un valor diferente de tensión
dependiendo de su ubicación en la cadena.
En una cadena de aisladores el gradiente de potencial no es el mismo en todas las
unidades o elementos, debido a la capacitancia de los herrajes de cada unidad
respecto a tierra, las corrientes capacitivas no son iguales entre una unidad y otra, y
el gradiente de potencial a lo largo de la cadena no es uniforme, la caída de
tensión es máxima en la unidad contigua al conductor, 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, 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 anterior, producida por la capacidad.
Cuando los aisladores se encuentran a la intemperie, por efectos de la
contaminación, la superficie conductora aumenta y con esto la capacidad,
aumentando de manera simultanea la corriente de pérdidas por la reducción de la
distancia de flameo o fuga, resaltando así una disminución en la tensión de
formación del arco, en comparación con la de un aislador limpio y seco.
46
2.7.1 Método del circuito equivalente
Con el objeto de ilustrar el comportamiento de una cadena de aisladores durante
su operación en un línea de transmisión, es conveniente llevar a cabo el estudio de
la distribución de tensiones a lo largo de una cadena de aisladores, tomando en
cuenta la capacitancia que se forma en el aire, entre cada unión y la de las torres
que están conectadas a tierra.
En una cadena de aisladores se manifiestan varios grupos de capacidades,
asociadas a las diferentes partes que la constituyen, tales son:
1. La capacidad debida al dieléctrico del aislador (porcelana, vidrio o material
del que este hecho) entre la cuenca y el pin de cada unidad, siendo la
capacitancia de cada aislador del orden de los 30 Pf (pico faradios) la cual
representaremos por la letra (C).
2. La capacidad entre las partes metálicas (herrajes) y el terminal de tierra
(torre), debida principalmente al dieléctrico del aire, siendo capacidades de
dispersión, esta capacitancia esta dada para el mas alto valor de tensión del
sistema y la mayor distancia entre la cadena y la torre y es del orden de 3
a 6 Pf . Por lo general la capacitancia formada entre el conductor y la torre
es muy pequeña y no tiene efecto en la distribución de potencial de la
cadena de aisladores, esta capacidad la representaremos por (Ce).
3. La capacidad entre cualquier elemento metálico de la cadena y todos los
demás elementos metálicos de la misma.
4. La capacidad entre las partes metálicas (herrajes) y el conductor de fase, (k).
La determinación exacta de Cpm es muy compleja y su efecto aunque notorio no
es de los mas significativos, por lo general suele despreciarse en la mayoría de los
casos, según las mediciones la capacidad K es muy pequeña comparada con la
capacidad Ce siendo siempre menor que el 10 % con lo cual, al despreciarla, se
simplifica mucho el circuito equivalente.
47
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.
En está figura se omiten por razones de simplicidad las capacitancias entre los
elementos metálicos de la torre (Cpm) y la capacitancia entre los herrajes y el
conductor (K), pero en cálculos estrictos debe ser tomado el valor de dicha
capacitancia, para mejores resultados.
Fig. 2.4. Arreglo de capacitancias para el caso de 4 aisladores.
Como se deduce de la simple inspección de la figura, la corriente de capacidad a
través del elemento más próximo a la línea es mayor que la de todos los demás y
va disminuyendo en cada uno de ellos con su lugar de colocación, en el orden
conductor-soporte, sucediendo lo mismo con la diferencia de potencial sufrida por
los mismos y cuya expresión es:
V  ZI ………. 2.1
I
……. 2.2
V
jC
j
………2.3
Z
C
48
Donde:
i  Corriente capacitiva
C= Capacitancia que representa a cada aislador
  Frecuencia natural, ( 2f )
Ce = capacitancia de cada elemento a tierra
Vn = potencial de la línea
Vn-1= potencial en la unión de los dos últimos elementos
De la figura anterior se deduce que, las corrientes de capacidad están en fase
(adelantadas  / 2 ), aplicando las leyes de Kirchhoff a cada unión de la torre, se
tiene el siguiente sistema de ecuaciones:
i1 = i1’ + i1’’………………. 2.4
i1’ = i2’ + i2’’ ……………….. 2.5
i2’ = i3’ + i3’’………………. 2.6
Como en general se verifica que I  CV , el sistema anterior se transforma como
sigue:
C (Vn  Vn1 )  C (Vn1  Vn2 )  cVn1 …………… 2.4’
C (Vn1  Vn2 )  C (Vn2  Vn3 )  cVn2
………… 2.5’
C (Vn2  Vn3 )  C (Vn3  Vn4 )  cVn3 …………
2.6’
Dividiendo el sistema anterior por C y haciendo K 
(Vn  Vn1 )  (Vn1  Vn2 )  KVn1 ………..
2.4’’
(Vn 1  Vn  2 )  (Vn  2  Vn 3 )  KVn  2 ………
2.5’’
(Vn2  Vn3 )  (Vn3  Vn4 )  KVn3 ………
2.6’’
c
, obtenemos:
C
49
Finalmente despejando los valores de voltaje deseados, se obtiene el siguiente
sistema de ecuaciones:
Vn  (2  K )Vn1  Vn2 ……….
2.4’’’
Vn1  (2  K )Vn2  Vn3 ………
2.5’’’
Vn2  (2  K )Vn3  Vn4 ………
2.6’’’
Una vez determinadas las ecuaciones características para el cálculo del potencial
en una cadena de aisladores, procederemos a resolver un ejemplo sencillo.
Sea una cadena de aisladores de tipo suspensión con tres unidades sometidos a
una tensión de 75 KV, para un valor constante de K = 0.2, determine la tensión que
soporta cada aislador.
Supóngase para fines prácticos de estudio, el siguiente arreglo de capacitores
mostrado en la siguiente figura.
e
e
Figura 2.5 Arreglo de capacitores para el ejemplo estudiado
50
Aplicando las formulas obtenidas anteriormente se tiene:
………. 2.4’’’
Vn1  (2  K )Vn2  Vn3 ……… 2.5’’’
Vn2  (2  K )Vn3  Vn4 ……… 2.6’’’
Vn  (2  K )Vn1  Vn2
Por tratarse de una cadena de solo 3 aisladores, se sabe por deducción que el
voltaje Vn3  0 , por lo que el sistema se reduce solo a:
Vn  (2  K )Vn1  Vn2 …
2.7
Vn1  (2  K )Vn2 ………
2.8
Sustituyendo valores y realizando las operaciones correspondientes, queda:
Si Vn  75KV y K  0.2 .
Sustituyendo en la EC… 2.7
75  (2  O.2)Vn1  Vn2 ……..
2.7’
75  2.2Vn1  Vn2 …………. 2.7’’
Sustituyendo en la EC… 2.8
Vn1  (2  0.2)Vn2 …………
2.8’
Vn1  (2.2)Vn2 ……………. 2.8’’
Sustituyendo la ECU… 2.8’’ en la EC… 2.7’’, se obtiene:
75  2.2(2.2Vn 2 )  Vn2
75  4.84Vn2  Vn2
75  3.84Vn2 ,
Por lo tanto al despejar la incógnita se tiene:
Vn  2 
75
 19.5KV
3.84
51
Sustituyendo este valor en la ECU…. 2.8’’ se tiene:
Vn1  (2.2)Vn2 ;
Vn1  (2.2)(19.5)  42.9KV
Por lo tanto de acuerdo a los resultados anteriores podemos establecer lo siguiente:
El aislador más cercano a la torre (apoyo) soporta una tensión de: 19.5KV
El siguiente aislador soporta una tensión igual a:
Vn1  Vn2  42.9  19.5  23.4KV
Y por ultimo el aislador más cercano al conductor soporta una tensión igual a:
Vn  Vn1  75  42.9  32,10KV .
Con este ejemplo queda demostrado lo estudiado anteriormente, en lo cual se
estableció que el reparto de potencial en una cadena de aisladores no es lineal, y
que por lo tanto existirá una desigual repartición de voltaje, siendo esta menor en el
aislador mas cercano a la torre incrementándose su magnitud a lo largo de la
cadena y teniendo un potencial máximo en el aislador más cercano al conductor.
Otro concepto interesante y que tiene gran importancia en el diseño del aislamiento
de líneas de transmisión es el de “eficiencia de la cadena”, que no es más que una
medición de la utilización del material en la cadena, y esta dada por la siguiente
expresión:
Tensión de arqueo para n aisladores
… 2.9
Eficiencia de la cadena =
n (tensión de arqueo para cada aislador)
También suele expresarse como:
Tensión en una cadena de aisladores
Eficiencia de la cadena =
…. 2.10
n (tensión en cada aislador)
De acuerdo a lo anterior la eficiencia de la cadena para el ejemplo estudiado será
igual a:
Eficiencia de la cadena 
75000
 0.7788  77.88%
3  32.1
52
2.8 Dispositivos de protección
El daño recibido por los aisladores en caso de arco es un serio problema de
mantenimiento, y se han ideado diferentes dispositivos para conseguir que en caso
de saltar el arco, se mantenga apartado de la cadena de aisladores. Tales
dispositivos han resultado útiles, pero los adelantos en los métodos de protección
de líneas aéreas mediante cable a tierra y el uso limitado, pero relativamente
afortunado, de los tubos de explosión, no solo han reducido los daños en los
aisladores, sino que han mejorado el comportamiento del conjunto de la línea.
La primera medida de precaución consistió en pequeños cuernos o antenas fijados
a la grapa se encontró sin embargo, que para obtener resultados eficaces era
necesario disponer de antenas bien abiertas, no solo en la grapa, sino también en
la parte superior del aislador, bajo tensiones de choque o descargas atmosféricas,
especialmente, el arco tiende a saltar en cascada en la cadena de aisladores, y las
pruebas demostraron que la separación entre los cuernos debía ser
considerablemente inferior a la longitud de la cadena de aisladores. Por ello, 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.
Fig. 2.6 cuernos de arqueo para un aislador
53
2.8.1 AROS EQUIPOTENCIALES
Son anillos que dan la misma protección que las puntas de arqueo al aislamiento de
las líneas de transmisión. Los anillos de protección, pantalla reguladora del
gradiente de potenciales, resultan más eficaces, 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, puede evitarse la descarga en cascada sobre los
aisladores, incluso con ondas de frente muy recto o escarpado, 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, con ello la protección conseguida no se limita
simplemente a ofrecer una distancia explosiva más corta para el arco, como en el
caso de las antenas los anillos eficaces son de diámetro más bien ancho, y,
tratándose de cadenas de suspensión, debe comprobarse que la distancia a las
torres o estructuras sea por lo menos igual que al distancia entre anillos.
Fig. 2.7 Aros equipotenciales
54
2.8.2 AMORTIGUADORES DE VIBRACION
Los amortiguadores de vibración absorben la energía de las vibraciones actuando
como amortiguador y perturbador del movimiento vibratorio, 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.
Fig. 2.8 Amortiguadores de vibración
55
3.0 DISEÑO DEL AISLAMIENTO
El diseño eléctrico de las líneas de transmisión determina el tipo, tamaño y número
de conductores del haz por fase, los conductores de fases se seleccionan para
tener la suficiente capacidad térmica para satisfacer la corriente en forma continua,
sobrecargas de emergencia y las capacidades de corriente de corto circuito.
El diseño eléctrico también se encarga de determinar el número de discos de
unidades de aisladores, tanto en posición vertical o en forma de V, y el espacio libre
de fase a fase y de fase a torre, todo seleccionado para proporcionar un adecuado
aislamiento de la línea, el aislamiento de la línea debe soportar sobretensiones
transitorias debidas a rayos y a operaciones de conexión y desconexión, incluso
cuando los aisladores están contaminados por sales marinas o residuos
industriales.
El número, tipo y ubicación de los cables de guarda se seleccionan para interceptar
las descargas atmosféricas, que de lo contrario chocarían con los conductores de
fase, a si mismo el diseño eléctrico del aislamiento de las líneas de transmisión,
también se ocupa de la selección adecuada de la red de tierras al pie de la torre,
con el fin de reducir la resistencia, mediante el uso de varillas clavadas en la tierra o
con un conductor enterrado ( llamado también toma de tierra equilibrada) que corre
paralelo a la línea.
La altura de la línea se selecciona para satisfacer los espacios libres preescritos del
conductor a tierra y para controlar el campo eléctrico al nivel del suelo y su
potencial de choque eléctrico.
56
TERMINOLOGIA
3.1 TENSIÓN NOMINAL Y TENSIÓN MAXIMA DEL SISTEMA
El valor efectivo de la tensión de fase a fase (entre fases), para la cual un sistema
eléctrico se diseña, se conoce con el nombre de “tensión nominal del sistema”.
En condiciones normales de operación la tensión puede variar hacia arriba o debajo
de esta tensión nominal. En virtud de que la coordinación del aislamiento se refiere
con la máxima elevación de esta tensión denominada “máxima tensión del
sistema”, se consideran solo las tensiones superiores a la nominal, ya que tienen
gran importancia para el aislamiento del sistema, debido a que en ocasiones se
puede operar durante horas y a veces hasta días con estas tensiones.
Normalmente la máxima tensión permisible de un sistema, se expresa como un
porcentaje sobre la tensión nominal, y es sobre estas máximas tensiones del
sistema, en que se basan todos los niveles de aislamiento y las normas
internacionales (IEC 38), recomiendan las tensiones preferidas.
En la Republica Mexicana se usan los valores indicados en la tabla que se muestra
a continuación, correspondiente a las tensiones nominales normalmente usadas en
transmisión.
Tensión nominal del sistema en
KV
Máxima tensión del sistema en
KV
69
115
230
400
72.5
123
245
420
TABLA 3.1 TENSIONES NOMINALES USADAS EN LA REPUBLICA MEXICANA
Por otra parte los valores recomendados por la norma IEC 38, son los que se
indican en la siguiente tabla:
Tensión nominal del sistema
en KV
.415
Máxima tensión del sistema
en KV
.475
11
33
66
132
275
380
12
36
72.5
145
300
420
TABLA 3.2 TENSIONES NOMINALES RECOMENDADAS POR LA IEC 38
57
3.1.1 IMPULSO DE RAYO NORMALIZADO
Es un impulso en forma de onda completa que tiene un tiempo de frente de onda
con un valor de 1.2 microsegundos (μs) y un tiempo de cola de 50 μs, que se
presenta cuando la onda adquiere un valor equivalente la 50% de la cresta, por lo
general la terminología técnica describe esto como un impulso de: 1.2  50s .
3.1.2 TENSIÓN PERMISIBLE AL IMPULSO
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.
3.1.3 NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO AL IMPULSO
Es un valor de referencia para la resistencia del aislamiento al impulso, expresado
en términos de valor de cresta de la tensión permisible al impulso de rayo
normalizado.
En la tabla siguiente, se dan los valores de niveles de aislamiento al impulso de
rayo normalizado para líneas de transmisión en la Republica Mexicana.
NIVELES DE AISLAMIENTO AL IMPULSO DE RAYO NORMALIZADO PARA
ALGUNAS TENSIONES NOMINALES EN LINEAS DE TRANSMISION.
Tensión nominal en
KV
Tensión máxima en
KV
Nivel básico al impulso
de rayo normalizado
( NBI ) KV
69
72.5
350
115
123
550
230
245
750
850
900
1050
400
420
1300
1425
TABLA 3.3 Niveles de aislamiento al impulso para algunas tensiones normalizadas
58
3.1.4 CONEXIÓN A TIERRA DEL NEUTRO
El factor de conexión a tierra o “factor de aterrizaje” de un sistema, es la relación de
la mayor tensión r.m.s. de la línea a tierra en una fase no fallada, durante una falla
de línea a tierra a la tensión r.m.s. de línea a línea que se tendría cuando la falla a
tierra sea eliminada.
Se dice que un sistema esta efectivamente aterrizado, si está relación no excede el
80%, y no efectivamente aterrizado, si excede este valor. La condición de
efectivamente aterrizado se obtiene en forma aproximada, cuando la relación de la
X
reactancia de secuencia cero a la reactancia de secuencia positiva ( 0 ) , es menor
X1
que tres.
Nivel de aislamiento y nivel de protección
Hasta el momento el nivel de aislamiento de una parte de un equipo se define como
la relación de su impulso y tensión permisible.
La tensión permisible de impulso o “nivel de aislamiento al impulso” se verifica por
pruebas de sobretensión de impulso y son frecuentemente referidas como, “nivel
básico de aislamiento al impulso “o “prueba de BIL (NBI) “.
El nivel de aislamiento al impulso esta relacionado con la máxima tensión del
sistema, por las tablas dadas en la norma de la Comisión Internacional de
Electrotecnia (IEC71).
En la Republica Mexicana para los niveles de subtransmisión y transmisión, se
recomiendan los valores dados en la tabla anterior.
El nivel de protección al impulso de un dispositivo de protección es la mas alta
tensión (valor cresta) que aparece en sus terminales cuando una tensión de
impulso de forma de onda estándar se aplica bajo condiciones especificas, este
nivel de tensión se denomina frecuentemente “nivel de protección” del sistema al
cual el dispositivo protección esta conectado.
59
3.2 COORDINACION DEL AISLAMIENTO
La definición más acertada se encuentra contenida en la publicación del SEV
(Asociación de Ingenieros Electricistas Suizos) del año de 1947, cuya traducción
puede formularse en los siguientes términos: “se entiende por coordinación del
aislamiento, a todas aquellas medidas que tienen como finalidad evitar fallas en el
sistema como consecuencia de las sobretensiones que se generan el mismo, al
igual que la propagación de estas sobretensiones en aquellos sitios del sistema
donde causen el menor daño, siempre y cuando sea económicamente viable y
tratando en lo posible de que el suministro de energía no se vea interrumpido”.
La definición citada anteriormente, ilustra a manera de ejemplo, que es preferible
una falla en una de las líneas de transmisión y no en una de las subestaciones,
donde los daños serian mayores, pues allí se encuentran concentrados los equipos
de mayor costo.
3.2.1 REQUERIMIENTOS BÁSICOS DE LA COORDINACIÓN DEL AISLAMIENTO
Para prevenir fallas por aislamiento, el nivel de aislamiento de los diferentes
elementos conectados al sistema debe ser mayor que la magnitud de las
sobrecorrientes transitorias que aparecen en el sistema.
La magnitud de las sobrecorrientes transitorias esta usualmente limitada a un nivel
de protección por medio de dispositivos de protección y entonces el nivel de
aislamiento tiene que estar por arriba del nivel de protección para un mejor margen
de seguridad.
Normalmente el nivel de aislamiento al impulso se ha establecido en un valor del
orden de 20 al 25 % arriba del nivel de protección, verificando este valor con
pruebas de sobretensión al impulso (con una onda de 1.2 /50 μs).
Desafortunadamente, tanto la coordinación del aislamiento como el nivel de
protección dependen de un número de condiciones que no pueden ser expresadas
precisamente como simples números. El nivel de protecciones de las distintas
partes de una instalación, depende entre otras cosas de la magnitud y repetición,
así como de la polaridad de la sobretensión aplicada.
60
3.3 SOBRETENSIONES EN LAS REDES ELECTRICAS
La elección del nivel de aislamiento de los sistemas eléctricos, el diseño de los
aisladores de las líneas de transmisión, y de las subestaciones, está condicionada
por la magnitud y forma de los sobrevoltajes que se puedan producirse.
Estos sobrevoltajes podemos clasificarlos en tres grupos:
1. Sobrevoltajes permanentes de baja frecuencia debido a desequilibrios en las
redes.
2. Sobrevoltajes transitorios de alta frecuencia debidos a la operación de
interruptores.
3. Sobrevoltajes transitorios debidos a descargas atmosféricas (rayos).
Los dos primeros grupos de sobrevoltajes son conocidos como de origen interno,
debido a que son causados por fenómenos que tienen su origen en el sistema
mismo.
El tercer grupo de sobre voltajes tiene su origen en fenómenos externos al sistema
eléctrico y pueden llamarse sobrevoltajes de origen externo.
A continuación daremos una breve descripción de estos tipos de sobrevoltajes.
3.3.1 Sobrevoltajes permanentes de baja frecuencia debido a desequilibrios
en las redes.
Estos sobrevoltajes se producen a la frecuencia nominal del sistema, debido a
fallas monofásicas o bifásicas a tierra o por la apertura de una o dos fases.
Este tipo de sobrevoltajes persistirán mientras no se haga desaparecer las
condiciones de desequilibrio que los produjeron.
3.3.2 Sobrevoltajes transitorios de alta frecuencia debidos a la operación de
interruptores.
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, la
amplitud de la oscilación de frente de onda de estos sobrevoltajes, depende entre
otros factores, 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.
En los casos más desfavorables, por ejemplo la desconexión de líneas de
transmisión largas, la amplitud de la oscilación transitoria puede alcanzar valores
del orden de dos o hasta tres veces la tensión normal de operación si no se toman
medidas preventivas para limitarlas.
61
3.3.3 Sobrevoltajes transitorios debidos a descargas atmosféricas (rayos).
Las descargas eléctricas atmosféricas son las producidas por golpes directos de
rayos sobre las líneas de transmisión o sobre los hilos de guarda.
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, se incluyen en este grupo, 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.
La siguiente figura muestra la forma típica de una onda de corriente debida a un
rayo, el tiempo en que alcanza el valor de cresta es del orden de uno a diez
microsegundos (1- 10 μs) y decae en un valor de la mitad del valor de cresta en
unos diez a cien microsegundos (1-100 μs), el valor pico de la cresta puede ser del
orden de unos 100,000 amperes (100 KA).
Fig. 3.1 Forma típica de una onda producida por rayo.
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, siendo la
tensión de servicio de las líneas de alta y media tensión suficiente para
mantenerlos en el canal del aire ionizado.
62
La interrupción de sistemas con punto neutro directamente conectado a tierra se
efectúa mediante los interruptores, ya que el arco produce un corto circuito
monofásico.
Las descargas directas de rayos sobre las líneas producen sobrevoltajes mucho
más elevados que los inducidos y son una de las principales causas de interrupción
en las líneas.
Los sobrevoltajes producidos por las descargas de rayos son impulsos
unidireccionales de muy corta duración (decenas de microsegundos), con un frente
escarpado y la cola de disminución muy lenta, se estima que el 70% o mas de las
descargas atmosféricas tienen una magnitud de cresta igual a, o mayor que 2000
KV, registrándose un valor máximo de 20,000 KV.
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. 3.2, que se considera típica de las producidas
por rayos. Como se ve en dicha figura, el tiempo que para alcanzar el valor de
cresta es de 1.5 μs y el tiempo en que la onda decrece a la mitad del valor de
cresta es del orden de 40 μs.
I
100KA
50KA
1.2s
50s
ts
Fig. 3.2 Forma típica de onda normalizada para representar un impulso de voltaje
debido aun rayo.
63
3.4 GENERADOR DE IMPULSOS DE MARX
Para reproducir los impulsos de voltaje debidos a rayos, en los laboratorios, se
emplea el generador de Marx, que consiste esencialmente una serie de
condensadores, separados por explosores, que se cargan en paralelo a través de
resistencias alimentadas por la fuente de corriente continua, cuando la carga de
cada condensador alcanza un valor suficientemente alto, la diferencia de potencial
entre los explosores hace saltar un arco entre estos quedando conectados los
condensadores en serie, lo que produce un alto voltaje en forma de un impulso
positivo o negativo (dependiendo de cómo se haya conectado el circuito de carga).
Este impulso de voltaje se aplica al aislamiento que se desea probar.
La forma de la onda de voltaje producida por el generador de impulsos queda
determinada por los valores de las resistencias, inductancias y capacitancias del
circuito de carga; en la figura se muestra esquemáticamente el diagrama del
generador de impulsos de Marx.
Fig. 3.3 Generador de impulsos de Marx
64
3.5 Características de aislamiento de los aisladores
Para poder seleccionar los aisladores para una aplicación determinada, es
necesario conocer su comportamiento al aplicable los tres tipos de sobrevoltajes
que pueden presentarse en un sistema eléctrico de potencia.
3.5.1 Nivel de aislamiento a baja frecuencia
Los aisladores están sometidos normalmente a una diferencia de potencial de baja
frecuencia (60 hz), resultante del voltaje de operación del sistema en que están
instalados, podrán también estar sometidos a sobrevoltajes de baja frecuencia en
casos de fallas monofásicas o bifásicas a tierra, cuya magnitud depende de las
características del sistema.
Además, si los aisladores están colocados a la intemperie, que es el caso mas
frecuente en las instalaciones en alta tensión, habrá que considerar su
comportamiento en condiciones de atmósfera seca y húmeda.
El parámetro dominante en el comportamiento de los aisladores sometidos a
voltajes de baja frecuencia es la longitud del contorno del aislador o línea de fuga
superficial, que determina la resistencia que ofrece el aislador al paso de la
corriente por su superficie; en condiciones atmosféricas normales se considera
adecuada una longitud de 25 cm. de línea de escape superficial por cada mil volts
de fase a tierra; en atmósferas contaminadas es necesario aumentar la longitud de
esta línea, utilizando aisladores de diseño especial.
Los aisladores se diseñan de manera que el valor del voltaje necesario para
perforar el aislamiento sea mayor (por lo menos del orden de un 30%) que el voltaje
necesario para flamear exteriormente al aislador.
El nivel de aislamiento de los aisladores para sobrevoltajes de baja frecuencia, en
atmósfera seca, esta determinado por la longitud de la línea de flameo en seco, en
atmósfera húmeda, el nivel de aislamiento para sobrevoltajes de baja frecuencia
esta determinado por la longitud de la línea de flameo en húmedo, que en aislador
mostrado en la figura es la suma de los segmentos de la recta d + e + c, que son
normales a la superficie del aislador.
65
FIG. 3.4 Dimensiones características de un aislador
La figura anterior muestra los principales parámetros de un aislador, el segmento
de líneas punteadas es la longitud de escape superficial, también llamada distancia
de fuga, la suma de los segmentos de recta a+ b+ c, es conocida como línea de
flameo en seco y la suma de los segmentos de recta d + e + c, es conocida como
línea de flameo en húmedo.
3.5.2 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.
Si se somete un aislador a una serie de impulsos de voltaje de forma de onda
normalizada (1.5 x 40 μs) y de diversos valores de cresta y se traza la gráfica
determinada por el valor de cresta de cada onda y el tiempo que tarda en
producirse el flameo del aislador se obtiene la curva mostrada en la figura 3.5, que
se llama curva voltaje – tiempo del aislador.
66
FIG. 3.5 Curva voltaje tiempo que caracteriza el comportamiento de un aislamiento
sometido a impulsos eléctricos.
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; 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.
67
3.5.3 Nivel de aislamiento para sobrevoltajes de alta frecuencia
En las líneas de transmisión y de subestaciones de voltaje muy elevado, el nivel de
aislamiento esta determinado principalmente, por los sobrevoltajes producidos por
la apertura o cierre de interruptores.
A diferencia de los sobrevoltajes producidos por rayos, que son impulsos
unidireccionales de gran magnitud y corta duración, los sobrevoltajes 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.
Las pruebas de laboratorio han demostrado que al aumentar la magnitud de este
tipo de sobrevoltajes, la distancia a través del aire para tener un nivel de
aislamiento suficiente para que no se produzca un arco a tierra, no aumenta
proporcionalmente a la magnitud de voltaje, si no como se indica en la figura, donde
se observa que la distancia crece más rápidamente que el voltaje.
V
d
FIG. 3.6 Voltaje de flameo en aire para sobrevoltajes de alta frecuencia en función
de la longitud del aislador
68
3.6 Efecto de las condiciones atmosféricas sobre los aislamientos externos
Las características de los aislamientos externos dependen de la temperatura
ambiente, la presión atmosférica y la humedad, las características de aislamiento
normalizadas de los aisladores se refieren a una presión atmosférica de 76 cm. de
mercurio, a una temperatura ambiente de 25 ºC y a una humedad absoluta de
15.45 cm. de mercurio.
El voltaje de flameo de los aisladores en el aire varia en proporción directa del
factor de densidad del aire, que esta dado por la siguiente expresión:

3.92b
273  t
Donde:
  Factor de densidad del aire
b = presión barométrica en cm. de columna de mercurio
t = temperatura ambiente en ºC.
Este factor es igual a la unidad para una presión barométrica de 76 cm. de columna
de mercurio y a un temperatura ambiente de 25 ºC. Para tomar en cuenta la
corrección por humedad atmosférica, pueden aumentarse los valores de voltaje de
flameo en un 1% por cada milímetro de mercurio, en defecto de 15.45 y disminuirse
en 1% por cada milímetro de mercurio en exceso de 15.45.
Al aumentar la altitud sobre el nivel del mar, lo que implica una disminución de la
presión atmosférica, 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, para tener un nivel de aislamiento adecuado.
Por ejemplo, al nivel del mar una cadena de aisladores formada por 12 unidades
estándar de tipo suspensión (25.4 cm. de diámetro por 146cm. de paso), tiene un
nivel básico de aislamiento al impulso de 1050 KV, a una altitud de 2300 m.s.n.m, a
la que corresponde una presión barométrica de 56cm. de columna de mercurio y a
una temperatura ambiente de 25 ºC, el factor de densidad del aire tiene el siguiente
valor:
Sustituyendo valores se tiene:

3.92b
273  t

3.92  56
 0.74
273  25
Por lo que el nivel básico de aislamiento al impulso se reduce a:
1050  0.74  777 KV.
69
Tensión
nominal
en KV
Nivel
básico de
impulso
NBI (KV)
Longitud
máx. de
la línea
en KM
Longitud
promedio
del claro
en mts.
Resistencia Nivel
al pie de isoceraunico
torre máx.
(ohms)
69
350
70
190
10
30
115
550
115
250
10
30
138
650
140
320
10
30
161
750
160
280
10
30
230
900
100
300
10
30
230
1050
230
450
10
30
345
1175
345
480
20
30
400
1350
100
500
20
30
400
1425
400
500
20
30
Tabla 3.3 Valores recomendados para diseño de líneas aéreas
70
3.7 PRUEBAS DE AISLADORES
Uno de los aspectos que frecuentemente es descuidado por los ingenieros de
diseño de líneas de transmisión, es el conocimiento conceptual de las pruebas a las
que se someten los aisladores, y a la interpretación de sus resultados, con el objeto
de especificar correctamente sus características de diseño.
Antes de mencionar y describir brevemente las pruebas más representativas en
aisladores, es conveniente aclarar los conceptos que se mencionan, para lo cual se
darán algunas definiciones dadas en la norma del COMITÉ CONSULTIVO
NACIONAL DE NORMALIZACION DE LA INDUSTRIA ELECTRICA (CCONNIE)
publicación 8-3-1, sobre métodos de prueba en aisladores de porcelana para
energía eléctrica.
3.7.1 Tensión sostenida a baja frecuencia
Es el valor eficaz (r.m.s) de la tensión que se puede aplicar a un aislador en
condiciones especificadas, sin causarle flameo o perforación sostenida en húmedo
y tensión sostenida en roció.
Tensión de perforación a baja frecuencia
Es el valor eficaz (r.m.s) de la tensión aplicada a un aislador, bajo condiciones
específicas que originan descarga disruptiva a través de cualquier parte del
aislador.
3.7.2 Tensión de flameo al impulso
La tensión de flameo al impulso de un aislador es el valor de cresta de la onda de
impulso, que bajo condiciones especificas produce flameo a través del medio
circundante.
3.7.3 Tensión critica de flameo al impulso
Es el valor de cresta de la onda de impulso, que bajo condiciones especificas
produce flameo a través del medio circundante en el 50% de las aplicaciones.
En esta definición conviene aclarar que se deben aplicar ondas positivas y
negativas en el aire para el caso de tensiones inferiores de 230 KV, siendo las
ondas positivas las criticas.
3.7.4 Tensión al impulso (no disruptiva)
La tensión al impulso es el valor de cresta, de la onda de impulso que bajo
condiciones especificas debe resistir un aislador, sin que en este se produzca
flameo o perforación en el mismo.
71
3.7.5 Distancia de fuga
La distancia de fuga de un aislador, es la suma de las distancias más cortas
medidas a lo largo de las superficies aislantes entre las partes conductoras
(longitud del contorno del aislador).
3.7.6 Distancia de flameo en seco
La distancia de flameo en seco, de un aislador es la distancia más corta medida a
través del medio circundante entre las partes conductoras. En caso de existir partes
metálicas conductoras intermedias, la distancia de fuga en seco es la suma de las
distancias parciales medidas según se indica en la definición de distancia de fuga.
Las pruebas más comúnmente realizadas a aisladores pueden agruparse en tres
categorías: pruebas prototipo, pruebas de flameo y pruebas de rutina.
Las pruebas prototipo por lo general se hacen para probar la calidad del producto
de los fabricantes, las pruebas de flameo normalmente se hacen para hacer
correcciones al diseño y las pruebas de rutina se hacen a todos los aisladores
cuyos prototipos han sido aceptados.
3.8 Pruebas prototipo
Dentro de estas pruebas se pueden mencionar como más importantes las
siguientes:
3.8.1 Prueba de ciclo térmico (shock térmico)
En esta prueba el aislador se sujeta tres veces a un ciclo de temperatura, como
sigue; inmersión por un tiempo T minutos en un baño de agua a una temperatura
no menor de 70 ºC sobre la temperatura del agua, se seca y se vuelve a sumergir
de manera inmediata en agua a la temperatura ambiente. Se seca por T minutos y
se vuelve a repetir el proceso hasta terminar el ciclo.
El tiempo T se calcula de acuerdo con la expresión:
T  (15 
W
)
1.36
Donde W = peso de aislador en kg.
El aislador pasa la prueba si al completar el ciclo no se daña la porcelana o el
recubrimiento externo.
72
3.8.2 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, no se deben presentar daños en el aislador, la
deflexión permanente debe ser menor del 1%.
3.8.3 Prueba electromecánica
Esta prueba solo se aplica a aisladores de tipo suspensión o tensión únicamente.
Consiste en someter al aislador a un esfuerzo mecánico de 2.5 veces la máxima
carga de trabajo especificada por los fabricantes, durante un minuto y aplicando
simultáneamente el 75 % de la tensión de flameo.
El aislador pasa la prueba si al terminarla no presenta flameos (manchas en su
superficie) y desgaste en su superficie exterior.
3.8.4 Prueba de perforación
Esta prueba en el caso de aisladores tipo suspensión, se aplica una tensión entre la
lámina y entre las uniones metálicas que sostienen el aislador.
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, el aislador no debe sufrir
daños y/o perforación para aprobar la prueba.
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 1.2/50 μs negativa con un valor de dos veces la onda de impulso de
flameo del 50% de la tensión de flameo, se deben de aplicar veinte de estos
impulsos al aislador en cuestión; el procedimiento se debe de repetir para tensiones
prospectivas de 2.5, 3 y 3.5 la tensión de flameo del 50% y continuar hasta que el
aislador se perfore o se llegue al limite de capacidad del generador de impulsos, el
aislador pasa la prueba si no se perfora.
73
3.9 PRUEBAS DE FLAMEO
Entre las pruebas de flameo más importantes se pueden mencionar las siguientes:
3.9.1 Prueba de flameo al 50 % de la tensión de impulso
Esta prueba se debe hacer sobre un aislador limpio montado en forma normal como
lo indica la norma y el generador de impulsos debe aplicar una onda normalizada
de 1.2/50 μs de una amplitud tal que el 50% de los impulsos aplicados causen
flameos, se invierte la polaridad de las ondas aplicadas y se repite la prueba. Se
deben aplicar por lo menos una serie de veinte ondas de impulso en cada impulso y
el aislador no debe presentar daño alguno para pasar dicha prueba.
3.9.2 Prueba de tensión permisible al impulso (prueba de Bil)
Pruebas de aislamiento, existen dos tipos de pruebas: la prueba de baja frecuencia
y la de BIL.
La prueba de BIL, está basada en un impulso de sobrevoltaje de gran magnitud en
un pequeño intervalo de tiempo, siendo el máximo valor de aislamiento que debe
existir sin que se flamee o se perfore el aislamiento, la onda de impulso de BIL, es
una onda normalizada de una duración de 1.5 x 40 μs.
La prueba de baja frecuencia se basa en, aplicar una sobretensión al sistema
seleccionado, con la característica de que dicha sobretensión se encuentre a la
misma frecuencia que la nominal.
La norma NEMA establece, aplicar el 100 % del voltaje nominal más 2000 volts
durante un periodo de 5 minutos.
La norma IEC establece, aplicar un sobrevoltaje del 75 % del nominal más 1000
volts, durante un 1 minuto.
3.9.3 Prueba de flameo en seco por un minuto
Esta prueba consiste en aplicar a un aislador limpio montado en la forma normal
una tensión a la frecuencia nominal del sistema (60Hz en nuestro país), la tensión
se aumenta en forma gradual hasta los valores que especifica la norma y se
mantiene durante un minuto hasta que el flameo ocurra.
El aislador se hace flamear por lo menos otras cuatro veces incrementando en cada
caso la tensión de flameo hasta que llegue al valor de prueba aproximadamente en
10 segundos y la media de las 5 aplicaciones consecutivas no debe ser menor que
el valor que se establezca en la norma.
74
3.9.4 Prueba de flameo en húmedo y prueba de lluvia por un minuto
En estas pruebas el aislador montado normalmente se moja con agua inyectada en
forma de roció con características tales que tenga una resistencia entre 900 y 1100
ohms/mm con una temperatura del orden de 10 ºC de la temperatura ambiente en
la vecindad del aislador durante la prueba. El agua se aplica con un ángulo de 45º
teniendo un volumen equivalente a una precipitación media del orden de 3.00
mm/min.
El aislador con una tensión aplicada del 50% de la prueba de un minuto se le rocía
con el agua durante 2 minutos y entonces se eleva la tensión al valor de la prueba
durante un minuto, en un tiempo de 10 segundos aproximadamente y se mantiene
en ese valor durante un minuto.
A partir de este valor se aumenta la tensión hasta que ocurre el flameo, el
procedimiento se repite tomando un tiempo entre pruebas de unos 10 segundos
hasta que el aislador flamee por lo menos otras cuatro veces, la tensión de flameo
no debe ser menor que las que se especifiquen en las normas según sea el tipo de
aislador.
3.10 PRUEBAS DE RUTINA
Entre este tipo de pruebas podemos mencionar como más importantes las
siguientes:
3.10.1 Pruebas eléctricas de rutina
Esta prueba se efectúa poniendo los aisladores en posición invertida a su montaje
normal y se sumergen en agua hasta una profundidad suficiente para cubrir el
cuello del aislador, el agujero donde se introduce el alfiler también se llena con
agua.
La prueba se inicia con bajas tensiones que se van incrementando hasta que
ocurra el flameo en intervalos de varios segundos, la tensión debe mantenerse a
este valor por lo menos durante 5 minutos o hasta que ocurra la falla, por lo general
la falla ocurre hasta 5 minutos después que la ultima pieza ha sido removida. Al
llegar a esta situación la tensión se reduce hasta un tercio de la tensión de prueba
antes de desconectarse.
3.10.2 Pruebas mecánicas de rutina
Esta prueba se realiza después de haber montado una cadena de aisladores ya
sea en forma suspendida en posición vertical u horizontal, aplicándosele una carga
de tensión mecánica con un 20% de exceso del valor especificado por el fabricante
como máxima tensión de resistencia mecánica, durante el tiempo de un minuto.
75
3.11 CONCEPTO DE RELACIÓN DE IMPULSO
De la descripción que se ha realizado para las pruebas más características de los
aisladores, por lo general se aplicaron dos tipos de tensión en dichas pruebas, la
tensión de impulso y la tensión de impulsos a la frecuencia nominal y de estas las
tensiones de impulso son mucho mayores en magnitud que las anteriores.
La razón se debe a que en un impulso, el tiempo que transcurre entre la aplicación
y el valor de cresta pico de la onda, es excesivamente corto ( de 1 a 2 μs), y no hay
tiempo para preparaciones en la trayectoria de la tensión ruptura del medio
circundante. Con las tensiones a la frecuencia nominal del sistema, por tratarse de
una caída de tensión alterna hay tiempo suficiente para que se presente el
proceso de colisión que resulta de la ionización, este fenómeno tiene un efecto
sensiblemente menor en la tensión de ruptura.
La relación entre las dos tensiones de flameo que se presentan en un aislador se
conoce con el nombre de relación de impulso y se expresa de la siguiente
manera:
Tensión de flameo al impulso
RELACIÓN DE IMPULSO =
Tensión de flameo a la frecuencia nominal
Esta relación tiene valores del orden de 1.4 para aisladores tipo alfiler y de 1.3 para
los de tipo suspensión.
76
3.12 IMPEDANCIA CARACTERISTICA DE LA TORRE
Este valor se determina por lo general de modelos a escala de la torre, debido a su
complejidad geométrica el cálculo analítico es demasiado complejo.
Sin embargo, con base en medidas de este tipo y análisis teóricos, se han
elaborado fórmulas que tienen buena coincidencia con los datos medidos, en el
caso de tratarse de torres cuya geometría permite idealizarlas como un cono de
altura h y con un radio r en la base, la fórmula más utilizada es la siguiente:
Z T  30 ln(1 
h2
)............ohms
r2
…………………..3.1
En el caso de tratarse de torres que se pueden representar como cilíndricas se
emplea la formula siguiente:
h
r
Z T  60 ln( )  90( )  60....ohms …………………3.2
r
h
Donde h y r son la altura y el radio equivalente de la torre (periferia media dividida
entre 2π).
La impedancia de las torres usadas en líneas de 230 KV de un valor entre 50 y 250
ohms, siendo mayor mientras mas esbelta sea la torre.
Fig. 3.7 Representación cónica y cilíndrica de torres de transmisión para determinar
su impedancia característica.
77
3.13 Resistencia de pie de torre
Un parámetro determinante en el diseño de las líneas de transmisión, es la
resistencia de la trayectoria que sigue la corriente del rayo para entrar a tierra. La
resistencia de puesta a tierra esta directamente relacionada con la composición
natural del suelo, es decir, que el suelo con composición arcillosa tendrá una
resistencia baja cuando sea altamente húmedo (del orden de los 100 ohms-metro)
y con alto contenido de minerales conductores; caso contrario se tendrá una
resistencia alta, cuando el suelo sea de composición seca y altamente rocoso(del
orden de los 1000 ohms-metro), lo que indica que la resistencia del pie de torre
puede variar con la época del año.
Cuando una línea de transmisión tiene constantes salidas, debidas a flameos por
alta resistencia de pie de torre, se debe buscar mejorar (reducir) dicha resistencia,
lo cual se logra mediante una red de tierras en la base de la torre, la cual consiste
en un arreglo de varillas enterradas en la tierra conectadas mediante un electrodo o
con el uso de un conductor enterrado (llamado toma de tierra equilibrada), que
corre paralelo a la línea.
3.13.1 Esfuerzos de tensión en el aislamiento de las torres
Para una descarga en una torre, la impedancia característica Terminal, es el
resultado de la impedancia característica de la torre ZT, en paralelo con la mitad de
la impedancia del hilo de guarda ZG. Cuando se tienen dos hilos de guarda se
debe tomar la impedancia equivalente promedio.
El potencial en la parte superior de la torre se obtiene a partir de la impedancia
equivalente:
Z
Z T  1 / 2Z G
………………………….
Z T  1 / 2Z G
3.3
78
3.13.2 Sombra Eléctrica
Se considera que la zona de influencia de una línea de transmisión, llamada su
sombra eléctrica, o ancho de banda de atracción, depende de la altura del punto
más alto de la línea sobre el terreno, que es el cable de guarda y de la distancia
horizontal entre cables de guarda, si existe más de uno.
De forma matemática podemos expresar lo anterior de la siguiente manera:
A  4h  b …………………….. 3.4
Donde:
A = Ancho de la sombra eléctrica
b = Distancia horizontal entre cables de guarda
h = Altura efectiva sobre el terreno del cable de guarda
La altura efectiva tiene en cuenta que la altura del cable varía desde h g la torre,
hasta hgv en la mitad del vano.
Si el vano es claro:
h  hg  (hg  hgv ) 
2
3
…………….. 3.5
Se debe tener en cuenta que no esta cuantificada la influencia del paso de la línea
por un terreno boscoso, el cual disminuye la altura efectiva, ni tampoco que la línea
pueda estar en el borde de una montaña muy alta, lo que aumenta la posibilidad de
la intercepción de los rayos.
FIG. 3.8 Sombra eléctrica de una línea de transmisión
79
3.13.3 Numero de descargas directas en una línea
Es el producto de la densidad a la zona por la línea de influencia de ésta, si
queremos determinar el número de descargas a la línea por cada 100 Km. de
longitud, NL, tendremos entonces:
NL  N ( A
)  100 ………………………………… 3.6
1000
Donde:
NL = Numero de descargas sobre la línea por 100 Km. Por año
N = Descargas por Km2 – año
A = Sombra eléctrica en metros
3.13.4 Cable de Guarda
Los hilos de guarda se ubican arriba de los conductores de fase para proteger a
estos últimos de descargas atmosféricas, suelen ser de acero de alta o extra alta
resistencia mecánica Alumoweld o ACSR con sección transversal mucho menor
que la de los conductores de fase. El diseño del cable de guarda consiste
básicamente en la determinación de su ubicación en la estructura, las
características mecánicas se deben considerar de tal forma que resista la carga
mecánica y no vaya a tener una flecha excesiva, las características eléctricas,
deben garantizar bajas pérdidas por inducción y bajos voltajes de peso y de
contacto.
La ubicación del cable de guarda debe ser tal, que sea escasa la probabilidad de
que caiga un rayo, con una corriente capaz de provocar flameos; básicamente se
pueden dividir las metodologías de diseño de la ubicación del cable de guarda en
dos grandes grupos: las que encuentran una posición efectiva del cable, tal que
permitan una buena protección o apantallamiento, y las que asignan a una posición
determinada del cable de guarda, una cierta probabilidad de falla de
apantallamiento.
FIG. 3.9 Combinación de la altura del cable de guarda con el ángulo de
apantallamiento para líneas de transmisión operando en alta tensión.
80
3.13.5 Distribución en torres y vanos
Si se ha hecho un cálculo adecuado del ángulo de apantallamiento del cable de
guarda, prácticamente las descargas que alcanzan la línea, ninguna golpeara al
conductor, sino a la torre o al cable de guarda.
Es importante entonces, saber que porcentajes de las descargas totales golpea al
cable de guarda lejos de la torre y cuantas descargas caen sobre la torre o el cable
de guarda, o en cercanías de estas.
3.13.6 Salidas por falla de apantallamiento
Estas salidas se deben a la caída directa de un rayo, sobre el conductor de fase,
por falla del cable de guarda, encargado de la protección de la línea.
Un rayo de 100 KA (que es muy probable que ocurra) produce en una línea con
impedancia característica de 400 Ω, ondas de voltaje de lado y lado del punto del
impacto de 6000 KV, que exceden por amplio margen el BIL de una línea de 230
KV (aproximadamente de 1050 KV), por esta razón la probabilidad de falla por
flameo entre conductores y la posterior salida de la línea, es muy cercan al 100%, si
falla el apantallamiento.
81
3.14 DISEÑO POR SOBRTENSIONES DE ORIGEN ATMOSFERICO
Para poder diseñar el aislamiento de una línea de transmisión con un
comportamiento aceptable durante su periodo de operación se debe de disponer de
métodos confiables para predecir el flameo y las salidas de operación de la línea.
Actualmente los métodos disponibles son aquellos que emplean curvas
generalizadas como las que aparecen en el, EHV TRANSMISSION LINES del
Edison Institute y aquellas técnicas basadas en la aplicación del método de Monte
- Carlo, que permiten el uso de aspectos probabilísticos para el análisis detallado
de una línea especifica y parámetros establecidos en la descarga y que dan
resultados bastante aproximados.
En realidad se puede decir que cualquiera de los métodos de cálculo en el diseño
del aislamiento, carece de una base sólida de conocimientos teóricos, ya que tiene
que ser complementados por la experiencia adquirida en campo, de esto se
observa que en algunos casos los resultados obtenidos coinciden con las
experiencias vividas en campo, pero en otros casos no es así, y es necesario
realizar modificaciones de acuerdo a las necesidades que se presenten, estos
procedimientos no limitan la posibilidad de hacer modificaciones y compensar
errores que puedan mejorar los cálculos.
La mayoría de los métodos de cálculo de aislamiento, se enfocan a la
determinación del índice de flameos que provocara fallas en el aislamiento debido a
descargas por rayo, este método planteado esta dirigido hacia la determinación de
la frecuencia con la que habrá descargas en la línea ( por 100 Km. al año ) a la que
llamaremos (FD), a la proporción de las descargas que causaran flameos en el
aislamiento (P0) y a la proporción de los flameos que producirán fallas en el
suministro de potencia (P1).
En base a la información anterior tenemos lo siguiente:
INDICE DE FLAMEO (IF) = FD x P0 FLAMEOS/ 100 Km. AL AÑO………3.7
INDICE DE SALIDAS (IS) = IF x P1 SALIDAS/100 Km. AL AÑO………….3.8
Como se dijo anteriormente este método trata de predecir el índice de las
descargas que producen flameos en los aislamientos de las líneas de transmisión,
considerando dos casos distintos: índice de flameos en líneas no acorazadas e
índice de flameo en líneas acorazadas (con cable de guarda).
82
3.14.1 Índice de flameo en línea no acorazadas (sin cable de guarda)
Las ondas de descargas en las líneas de transmisión se pueden presentar por
diversos mecanismos, los mas dañinos son los causados por las tensiones
inducidas de las descargas a tierra en las cercanías de la línea, la descarga entre
conductores de fase producen las más altas sobretensiones para una corriente de
descarga dada, un valor aproximado en el conductor en el punto de descarga, se
puede calcular con relativa facilidad la corriente de descarga ( I ) producida en la
vecindad de la torre, de la siguiente forma:
V
I  ZO
……………. 3.9
2
Donde:
ZO = Impedancia característica de la línea
Una de las preguntas de mayor importancia en el diseño, de líneas de transmisión
es la de, ¿Cuántas descargas pueden ocurrir en una línea de transmisión durante
un año? su respuesta, no es del todo precisa, ya que se trata de una cuestión
probabilística, y por lo tanto no puede ser dada de forma absoluta.
Estudios realizados en los Estados Unidos, relacionan el número de descargas al
año directamente con el nivel isoceraunico, sobre una base adquirida por
experiencias de campo, estos estudios llevaron al desarrollo de una fórmula que
relaciona a estos parámetros, en líneas de transmisión que tiene torres con una
altura promedio de 30 metros y considerando que no tiene cable de guarda.
Esta fórmula se expresa de la siguiente forma:
FD = 62DT  / 30 DESCARGAS / 100 Km. AL AÑO. ………………..3.10
DT = NIVEL ISOCERAUNICO O DIAS CON TORMENTA AL AÑO.
Otra fórmula obtenida en base a experiencias de campo, fue desarrollada en la
Unión Soviética (hoy en día Rusia) la cual permite calcular los mismos parámetros
que la anterior y se aplica a torres con una altura promedio de 25 a 30 metros, y
considera la altura promedio del hilo de guarda (h), la cual se expresa de la
siguiente forma:
FD = 2.7  hDT  / 30 DESCARGAS/ 100 Km. AL AÑO. ……………3.11
83
3.14.2 INDICE DE FLAMEOS EN LINEAS ACORAZADAS (CON CABLE DE GUARDA)
Las fallas sobre líneas acorazadas pueden ser causadas por flameos, debido a
fallas en el acorazado de la línea.
Por muchos años se ha considerado que la protección efectiva, mediante cables de
guarda en líneas de transmisión, requiere de una ubicación de dicho cable con
respecto a la posición de los conductores, esto requiere que el cable de guarda
con los conductores forme un ángulo relativamente pequeño, para brindar una zona
de protección adecuada a la línea con torres de una altura no mayor a los 30
metros, y por lo general dependiendo del tipo de estructura, se requieren de dos
cables de guarda para cumplir dicho propósito.
Con el incremento de las tensiones de transmisión, lo cual origino el uso de torres
de transmisión de mayor altura (de 45 metros o más) y de dos o más conductores
por fase, origino consigo que el número de salidas de estas líneas se incrementara
en gran número que las anteriores, debido a que la protección usada no era la
adecuada.
Puede decirse que existen diferentes métodos para analizar el comportamiento de
la protección contra sobretensiones de origen atmosférico que pueden resumirse en
dos grupos: los empíricos y los analíticos.
Fig. 3.10 Posición del cable de guarda con respecto al conductor exterior
84
3.14.3 MÉTODO DE BURGSDORF KOSTENKO
Este método ha sido usado con buenos resultados, el cual se considera como un
método empírico y fue desarrollado por ingenieros rusos, en el cual se desarrollo
una fórmula empírica para calcular la probabilidad (Pθ) de fallas por blindaje que
expresa el número de descargas que pasan de los hilos de guarda a los hilos de
fase como un porcentaje del número total de descarga en la línea.
Esta fórmula supone que Pθ es una función del ángulo de protección, pero
Kostenko (autor de este método) re- examino los datos obtenidos en las
investigaciones de campo, y propuso una ecuación que da a conocer la influencia
de la altura (h) de los cables de guarda a la torre.
Mediante estas observaciones Kostenko llego al desarrollo de la siguiente fórmula:
h
log 10 P   S
 2.0 …………………..3.12
90
Donde:
h = altura del cable de guarda
 S  Angulo de protección en grados
Para encontrar el número de fallas por acorazado, se multiplica P / 100 por el
número (FD) de descargas sobre la línea por 100 Km. /año, la corriente crítica por
rayo que causa flameo es:
2VFC
…… ……………………3.13
ZO
Donde:
VFC = Tensión critica de flameo
ZO = Impedancia característica de los conductores de fase
I
Este método también de una fórmula empírica para la probabilidad (P %) de que
una descarga pueda exceder un valor ( I en KA)
I
……………………. 3.14
log P  2.0 
60
El índice de flameos con acorazado es entonces:
IF  FD  P  10 2 Flameos por 100 Km. /año..................3.15
La protección contra flameo esta dada por la expresión:
PF  FD  P  IF  10 4
Flameos por 100 Km. /año..........3.16
85
3.14.4 Grado de aislamiento de las líneas
Se llama grado de aislamiento a la relación entre la longitud de la línea de fuga de
un aislador (o la total de la cadena) y la tensión entre fases de la línea.
Como tensión entre fases de la línea, se tomara el valor de la “tensión más
elevada” (tabla 3.1).
El grado de aislamiento viene dado por la expresión:
GA 
n  LF
................................. 2.18
E
En donde:
GA = grado de aislamiento (cm/kV al neutro)
LF = línea de fuga (cm.).
E = tensión más elevada (KV) tabla 3.1
n = número de aisladores de la cadena.
Los grados de aislamiento recomendados, según las zonas que atraviesan las
líneas, son los siguientes:
ZONA DE
CONTAMINACION
DISTANCIA DE
FUGA (CM/KV DE
LINEA A TIERRA)
KV PROMEDIO POR
CENTIMETRO DE
LONGITUD AXIAL
EF
Mayores de 6.0
0.39
F
4.45
0.47
M
3.35
0.63
L
2.65
0.78
TABLA. 3.4 Distancia de fuga (de fase a tierra) recomendada para cada zona de
contaminación en particular (tabla dada por el INSTUTUTO DE
INVESTIGACIONES ELECTRICAS, CFE 1975).
86
3.14.5 CALCULO DE LA CADENA DE AISLADORES
La longitud de la cadena de aisladores, y por ende el número de elementos que la
conforman, no puede ser arbitrario, como se demostró anteriormente la distribución
de tensión a lo largo de la cadena comienza a empeorar a partir de un número
determinado de elementos; si se aumenta la longitud de la cadena, por ejemplo la
tensión critica de flameo, se incrementa, pero llega un momento en que su longitud
es igual a la distancia disruptiva (espaciamiento entre las partes energizadas y las
conectadas a tierra, es decir, entre el conductor y la estructura metálica de la torre).
La descarga es muy factible que ocurra entonces a lo largo de la cadena, y por
tanto, es muy importante, mantener una relación adecuada entre la longitud de la
cadena y la distancia disruptiva a tierra.
La longitud de la línea de fuga de un aislador se mide sobre la superficie del mismo,
la de una cadena de aisladores, es la de un solo aislador multiplicada por el número
de los que la componen.
La longitud de la cadena de aisladores, puede ser determinada de acuerdo a la
siguiente expresión:
Lf  N º asladoresDf / aislador .................................. 3.17
Por lo tanto el número de aisladores, en una cadena se puede obtener de acuerdo
a la siguiente relación:
Nº de Aisladores 
Lf
D f / aislador
....................... 3.18
Otra expresión que da el mismo el resultado, en el cálculo de la cadena de
aisladores, pero considerando el voltaje de operación de la línea, es la siguiente
expresión:
Longitud de la cadena = KV NEUTRO 
cm
....................3.19
KV
87
4.1 La contaminación en aislamientos externos
La contaminación es causada por un gran variedad de agentes como: polvos
obtenidos de la combustión de carbón, petróleo, polvos de cemento, lluvia salina,
irrigación con plaguicidas, fertilizantes, etc., estos cuando se mezclan por efecto de
la lluvia o niebla, pueden reducir la tensión de flameo a la frecuencia nominal en
aisladores de porcelana hasta la mitad y en ocasiones hasta una cuarta parte
dependiendo del tipo y densidad de contaminantes, así como de la frecuencia de
las lluvias de lavado.
Los aisladores que se encuentran bajo condiciones de intemperie, están sometidos
a las condiciones del medio en que se encuentran situados, las cuales varían
ampliamente de lugar a otro, dependiendo de las características de la zona en que
se encuentre la parte de la instalación en cuestión, estas características hacen
posible que el nivel de aislamiento requerido, pueda variar a lo largo de una misma
línea, pues las condiciones de contaminación son diferentes a lo largo de la traza.
De manera general puede decirse que los aisladores ubicados en las líneas
eléctricas aéreas están siempre expuestos a la contaminación, pues aun cuando se
toman medidas con respecto a limitar o reducir las emisiones contaminantes por las
fuentes industriales, la contaminación del tipo natural es prácticamente imposible de
evitar, por lo que se ha dirigido principalmente los trabajos de investigación al
diseño y selección de aislamientos adecuados, a si como de establecer medidas y
procedimientos para su explotación, bajo diferentes condiciones meteorológicas y
de contaminación que se pueda presentar.
4.2 Proceso de la contaminación en aislamientos eléctricos.
El proceso de contaminación en aisladores se origina cuando se depositan
partículas de contaminante sobre la superficie aislante, estas se adhieren por la
acción de diversos factores involucrados en dicho proceso, además al interactuar
con la humedad se vuelven conductoras, originando sobre la superficie del aislador
la aparición de corrientes de fuga, descargas parciales y finalmente flameo, con la
subsiguiente salida de operación de las líneas de transmisión, distribución y
subestaciones eléctricas.
México cuenta con una gran variedad de climas y suelos, los cuales favorecen el
proceso de contaminación en los sistemas externos. La contaminación ambiental es
una de las causas mas frecuentes de falla en líneas tanto de transmisión,
distribución, y subestaciones de energía eléctrica; de acuerdo con estudios
realizados se sabe que la severidad del nivel de contaminación que afecta a los
aisladores, esta directamente asociado tanto con la climatología como con el tipo
de contaminante que predomine en la región.
88
4.3 Composición de la materia contaminante
Generalmente las partículas que se depositan en la superficie de los aisladores
forman una capa contaminante, la cual tiene la capacidad de absorber humedad
presente en le medio ambiente provocando la aparición de corrientes de fuga sobre
la superficie.
4.3.1 Materia insoluble en suspensión permanente
Comprende todos los materiales inorgánico insolubles, condensables, de tamaño
microscópico, los cuales tienen un índice de disolución en agua muy bajo, estos se
mantienen en suspensión mediante fuerzas cinéticas debidas al movimiento
molecular de los gases en la atmósfera, pero se precipitan por medio de fuerzas
eléctricas. Generalmente la materia insoluble no contribuye en la conductividad
eléctrica, pero si influye en el voltaje de flameo debido a su capacidad de retener
humedad, un ejemplo claro de material insoluble es el caolín, material que es
utilizado en los laboratorios para contaminar artificialmente a los aisladores.
4.3.2 Materia soluble en suspensión
Comprende todos los materiales orgánicos pesados (sales, polvos, gases, humos,
polen, etc.), los cuales se depositan en la superficie de los aisladores,
fundamentalmente por gravedad, dentro de este mismo grupo también se
encuentran las materias orgánicas en descomposición y partículas de vapor de
agua (niebla, llovizna, sereno,) que se condensan o dispersan de acuerdo a las
condiciones meteorológicas del viento y la temperatura ambiente.
Desde el punto de vista eléctrico, la materia soluble, es la que permite la
conducción eléctrica de fase a tierra a través de la superficie del aislador.
4.4 Tipos de contaminación
Existen dos tipos fundamentales de contaminación: marina, industrial y rural,
pudiéndose incluir un cuarto tipo en los casos de las zonas industriales cercanas la
mar.
La contaminación marina, puede ubicarse no solo en las inmediaciones de la
costa, sino también a considerables distancias de las mismas por la acción de los
vientos; su nivel de contaminación se ubica entre los niveles medio y alto, siendo en
algunos casos considerado como critico; esta contaminación contiene un alto
contenido de sal con un grado de humedad elevado, esto debido a que
generalmente se tiene una dirección de mar a tierra, además es muy inestable, ya
que en un año puede alcanzarse tanto el nivel mínimo como el máximo de
contaminación.
89
La contaminación industrial, tiene su aparición con el desarrollo de las industrias
y los efectos de las mismas al medio pueden ser de diversos tipos, en dependencia
de la fuente que la origina: química, petroquímica, metalúrgica, etc., este tipo de
contaminación es considerada del tipo artificial, los desechos que arrojan las
industrias sobre las líneas de transmisión y subestaciones eléctricas ocasionan
altos niveles de contaminación en periodos cortos de tiempo, en algunos lugares
los desechos se adhieren fuertemente a la superficie del aislador, provocando el
deterioro y deficiencia en su desempeño eléctrico, trayendo como consecuencia el
flameo de los aisladores.
En su forma general, los contaminantes constan de dos partes fundamentales: una
parte eléctricamente inerte que al humedecerse no se disocia en iones, y que por lo
tanto no es conductora y cuya función es darle a la capa sus características
adhesivas y absorbentes, y una parte eléctricamente activa que al humedecerse se
disocia y presenta por tanto características conductoras.
ZONA DE CONTAMINACION
EXTRA FUERTE (EF)
FUERTE (F)
MEDIA (M)
LIGERA (L)
CARACTERISTICAS NOTABLES
Polvos de carbón, petróleo,
productos químicos, grandes
cantidades de partículas salinas
en suspensión. Zonas desérticas
con grandes periodos sin lluvia.
Lluvia marina, polvos de carbón,
petróleo, zonas con lluvia ligera y
niebla. Áreas expuestas a los
vientos del mar o muy cercanas a
la costa.
Lluvia marina ligera, irrigación
con plaguicidas y fertilizantes,
niebla ligera y pocas lluvias áreas
expuestas a los vientos del mar
pero no muy cercanas a la costa.
Niebla, fertilizantes, plaguicidas,
lluvias intensas, zonas rurales sin
quema de pastizales. Áreas sin
industrias, zonas agrícolas.
Tabla 4.1 Características de las zonas expuestas a la contaminación
90
4.5 Flameo en aisladores contaminados.
Arqueo (flashover) en los aisladores debido a la contaminación
La contaminación puede reducir significativamente, el voltaje al cual se produce el
arqueo que saca de servicio a la línea (medido como voltaje de potencia a la
frecuencia nominal) conduciendo a cortes de energía no planeados y disminuyendo
la confiabilidad del sistema, el proceso de arqueo (siendo el que descarga la línea)
es un proceso complicado que ocurre a través de diferentes fases a saber, la
formación de la capa contaminante, el incremento de la corriente de fuga, la
formación de la banda seca, generación de los arcos parciales y si las condiciones
son favorables, el arqueo y la salida de servicio de la línea de transmisión.
El flameo en aisladores debido a la contaminación, es un fenómeno dinámico que
se presenta en varias etapas, estas pueden resumirse en los siguientes pasos:







Formación de la capa contaminante
Humedecimiento de la capa contaminante
Secado de la capa contaminante
Formación de las bandas secas
Descarga a través de las bandas secas
Descarga parcial (arco)
Flameo del aislador
4.5.1 Formación de la capa contaminante
Los problemas de contaminación en aisladores ocurren cuando el medio que las
rodea lleva diversas sustancias, especialmente salinas e industriales, estas
sustancias se depositan sobre los aisladores creando una capa que en condiciones
secas no causan mayor problema. el deposito de contaminante es gobernado por la
interacción de varias fuerzas que actúan simultáneamente ( gravitacional, eléctrica,
viento), el componente conductor de los contaminantes influye en el voltaje de
arqueo (flashover) del aislador proveyendo en condiciones húmedas, una cubierta
conductiva en la superficie del aislador, el componente inerte por otro lado, es la
porción de materia sólida que no se disuelve; la humedad es entregada por la
naturaleza a través de los mecanismos de condensación y roció, la condensación
representa un proceso lento de humedad durante el cual los contaminantes
conductivos se pueden disolver completamente, este proceso a menudo se produce
bajo condiciones de niebla o roció en las horas de la mañana, la bruma y llovizna
pueden causar el mismo efecto.
91
La superficie del aislador suele ser un factor muy importante, debido a que se ha
encontrado que la cantidad de partículas contaminantes depositadas sobre los
aislamientos varia en forma lineal con la rugosidad de la superficie del aislador, es
decir, mientras más lisa sea la superficie de un aislador menor será la cantidad de
partículas que se depositen, por el contrario, la rugosidad de la superficie permite la
formación de esta capa.
El campo eléctrico debido a su acción provoca la atracción de las partículas,
haciendo con esto más denso el depósito del contaminante en regiones de mayor
intensidad, es decir, en el lado de la línea, por esto la capa formada sobre la
superficie del aislamiento no es homogénea.
4.5.2 Humedecimiento de la capa contaminante
Esta se presenta por migración de humedad (la cual puede ser niebla, roció, o lluvia
ligera) en la capa contaminante, cuando esta capa se humecta, su comportamiento
es el de un electrolito, disminuyéndose su resistencia e incrementándose la
corriente de filtración a través de ella. Con el aumento de la corriente se incrementa
el calor generado y a su vez la temperatura de la capa contaminante lo que hace
que disminuya a un más su resistencia debido al coeficiente térmico de los
electrolitos.
Cuando un aislador contaminado esta seco, la distribución de voltaje es
esencialmente la misma que para un aislador limpio, pero a medida que el proceso
de humectación progresa la resistencia superficial se ve afectada, debido a que la
parte soluble del contaminante se convierte en electrolito iniciándose así un flujo de
iones conocidos como corrientes de fuga.
4.5.3 Secado de la capa contaminante
Cuando la resistencia de la capa empieza lentamente a aumentar, hasta que la
pérdida de humedad sea tal que la capa empieza a secarse, momento en el cual
alcanza valores altos de resistencia, este fenómeno es mas acentuado en las
partes estrechas del aislador donde la densidad de corriente es mayor, es en este
instante que la capa empieza a secarse y la conductividad de estas zonas bajan
rápidamente hasta que alcanzan el cero, formándose así zonas perfectamente
secas detectables a simple vista, las cuales son conocidas con el nombre de
bandas secas. El incremento en la resistencia producido por la banda seca, hace
que la corriente disminuya pero su formación implica que la mayor parte de la
tensión aplicada al aislador aparezca a través de ella, por estar a un mojado o
húmedo el resto de la capa contaminante depositada sobre el aislador y por tanto
posee baja resistencia.
92
4.5.4 Descarga a través de las bandas
El ancho de la banda seca varia en dependencia de varios factores: características
de absorción de la capa, régimen de humectación, lugar donde se forma la banda
seca, etc., dicha banda se sigue formando a través de un proceso cíclico hasta un
punto en que la tensión aplicada a la misma es ligeramente inferior al valor
requerido para iniciar la descarga por el aire, por lo que cualquier disminución en el
ancho de la banda, distorsión del campo eléctrico o el desarrollo de algún proceso
de ionización provocara la descarga, el arco crecerá hasta un límite en el que
dependiendo las características del sistema este se extingue o produce un corto
circuito en el aislador.
4.5.5 Descarga parcial
Cuando una banda seca completa es establecida, la mayor parte del voltaje
aplicado en el aislador es entonces impuesto entonces en ella debido a su alta
resistencia, la corriente es interrumpida por la ruptura del aire como puente entre
esta banda seca y mantendrá la corriente, el arco lleva la corriente en un canal
concentrado liberando el calor en una forma muy concentrada más que distribuirlo
sobre la superficie, esto conduce a preferir la elongación de la amplitud de la banda
seca en la ubicación del punto final de arco, donde la densidad de corriente es más
alta, el arco puede extenderse longitudinalmente y se llega a cubrir una parte critica
del camino a lo largo de la fuga, el arqueo (flashover) definitivo será prácticamente
inevitable.
4.5.6 Flameo
En condiciones de humedad, la circulación de la corriente de fuga genera la
disipación de energía por efecto joule (I2 R) ocasionando la evaporación de la
humedad contenida en la capa contaminante.
El incremento de esta corriente en las regiones conductivas, permite la falla por
flameo, debido a que se reduce la resistencia superficial y se incrementa la
corriente de fuga, logrando que las descargas lleguen a encadenarse y se presente
la falla a tierra causando la salida de operación de la línea.
La energía liberada durante el arco de potencia puede ser de tal magnitud, que
ocasione la falla del aislador ya sea por ruptura mecánica (caída del aislador), o por
daño parcial, en caso de no llegar a la ruptura mecánica o algún daño parcial
después del arco de potencia, el aislador seguirá trabajando hasta que nuevamente
la actividad de las bandas secas ocasione otro arco de potencia.
93
La siguiente figura muestra, en forma gráfica cada una de las etapas del flameo
mencionadas anteriormente.
Fig. 4.1 Etapas del flameo en aisladores
94
4.6 Efectos de los depósitos contaminantes sobre el aislamiento
Entre los principales efectos que provoca la contaminación sobre los aislamientos
externos encontramos los siguientes:
A. Excesiva corriente de fuga
A medida que se humedece la superficie del aislador, disminuye su resistencia
superficial, y se presenta una corriente de fuga apreciable de carácter intermitente
sobre la superficie del aislador, lo cual provoca la disipación de energía en forma
calorífica, aumentando la temperatura y esta a su ves disminuyendo la resistencia
dieléctrica del aislador, ocasionándole pérdidas de su capacidad aislante del
material.
B. Flameos continuos
El riesgo de flameo por contaminación
especiales:
puede presentarse en tres casos
1. Cuando el aislador se expone a la lluvia, después de haber sido energizado
al voltaje nominal de trabajo durante un largo periodo de tiempo.
2. Cuando un aislador contaminado y húmedo se energiza a su voltaje nominal
de trabajo.
3. Cuando un aislador contaminado y húmedo se somete a un voltaje
transitorio.
C. Perforación
El excesivo calentamiento local y el calentamiento diferencial ocasionados por la
excesiva corriente de fuga, disminuyen rápidamente la resistencia dieléctrica del
material, lo cual se traduce en una mayor disipación de energía calorífica, hasta
producir la ruptura y perforación del aislador.
D. Corrosión
Se produce una acelerada corrosión de las partes metálicas en las instalaciones
que operan en zonas de alta contaminación, las principales causas de dicha
corrosión son:
1. Efectos electrolíticos debidos a la corriente de fuga.
2. Pérdida de la capa de zinc (galvanizado), quedando el metal expuesto a la
acción corrosiva del medio.
3. Generación de ácido nítrico a partir del ozono producido por el efecto
corona y el calentamiento.
95
4.7 SOLUCIONES AL PROBLEMA DE LA CONTAMINACIÓN
La severidad del problema de la contaminación en una instalación especifica esta
gobernada generalmente por lo siguiente:



Densidad de la capa del deposito contaminante
Frecuencia e intensidad de las lluvias y del viento.
Naturaleza del contaminante, su conductividad y su facilidad de adherirse a
la superficie del aislador
Desde hace varias décadas se han realizado grandes esfuerzos a nivel
internacional con vistas a encontrar métodos eficaces que permitan combatir de
manera satisfactoria el efecto de la contaminación en los aislamientos externos y,
por tanto, encaminados a lograr el comportamiento confiable del aislamiento de los
sistemas eléctricos.
Con el fin de reducir el efecto de la contaminación superficial, los métodos mas
utilizados actualmente son los siguientes:





Sobreaislamiento
Aisladores de diseño especial (anti- niebla)
Limpieza manual periódica
Lavado de aisladores
Recubrimientos superficiales
4.7.1 Sobreaislamiento
Una forma efectiva de prevenir problemas de flameo en zonas contaminadas,
consiste en aumentar la distancia de fuga sobre la superficie del aislador, una
manera efectiva de aumentar las distancias de fuga consiste, en utilizar aisladores
sobredimensionados, por ejemplo usar aisladores de 34.5 kv en circuitos de
13.2KV, ó aumentar el número de aisladores cuando se trata de una cadena de
aisladores tipo suspensión.
El sobreaislamiento es una medida muy empleada durante muchos años para
disminuir las pérdidas que se asocian a las fallas por la acción de la contaminación,
aunque la misma no trabaja sobre la inhibición del proceso, si no que va a la
búsqueda de incrementar la longitud de fuga del aislamiento de forma que aun, en
presencia de bandas secas, no sea posible que ocurra la descarga parcial que
inicie el proceso de falla, esta medida tiene la necesidad de realizar un estudio
inicial de coordinación de aislamiento, ya que al sobre aislar el aislamiento exterior,
puede llegarse a sobre pasar los niveles de aislamiento diseñados para la línea y
equipos, lo que provocaría en determinadas condiciones que fallaran por esfuerzos
dieléctricos.
96
4.7.2 Aisladores de diseño especial
Los depósitos contaminantes se concentran principalmente en los puntos de mayor
intensidad de campo eléctrico y tienen la tendencia de a concentrarse en los
lugares en los cuales se produce una modificación de la velocidad del viento, es
decir, en los lugares más internos y protegidos del aislador; o sea que la
concentración de los depósitos esta influenciada, por el campo eléctrico y la forma
de los aisladores.
Los fabricantes de aisladores tratando de solucionar este problema, han
desarrollado diferentes diseños de aisladores incrementando la distancia de fuga en
gran proporción, modificando los perfiles, logrando así formas geométricas
aerodinámicas con una mayor distancia de fuga.
Algunos tipos de estos diseños son los aisladores tipo niebla, los cuales están
diseñados con una distancia de fuga de 30% a 50% por encima del aislador normal,
y con perfiles que facilitan la limpieza por la acción de las lluvias y el viento.
Los aisladores aerodinámicos presentan perfiles sencillos, libres de salientes y
cavidades para impedir la concentración de depósitos contaminantes, facilitan la
acción de lo vientos para su auto limpieza y facilitar también la aplicación de
recubrimientos protectores cuando se requiera.
4.7.3 Limpieza manual periódica
La limpieza periódica de la superficie de los aisladores, es una de las soluciones
utilizadas para reducir el problema de flameo causado por la contaminación, es
posiblemente el método de limpieza más laborioso que existe, pues requiere de una
gran inversión de tiempo y personal.
La limpieza manual suele utilizarse cuando el caso de contaminación es muy
crítico, es decir, cuando el contaminante depositado en la superficie del aislador se
endurece en presencia de la humedad y forma capas muy adherentes muy difíciles
de remover por cualquier proceso mecánico o de lavado a presión, cuando se
presentas estas situaciones es más conveniente reemplazar los aisladores por
unidades limpias, y después proceder a limpiar las unidades contaminadas.
Fig. 4.2. Limpieza manual a los aisladores
97
4.7.4 LAVADO DE AISLADORES
Con el fin de evitar cortes frecuentes en el suministro de la energía eléctrica, se
prefiere utilizar el sistema de lavado en caliente, al lavado de aisladores
desenergizados. Este método es efectivo cuando los depósitos contaminantes son
altamente solubles al agua, tal es el caso de sal marina, ciertos contaminantes
químicos, o cuando dichos depósitos son insolubles pero presentan poca
adherencia sobre la superficie del aislador.
Se usan dos métodos principales de limpieza: lavados manuales desde
instalaciones portátiles con surtidores de agua (jet washing) y lavado automático
con bombas de alta presión que atomizan el agua directamente sobre los
aisladores energizados (spray washing).
Este método de lavado en caliente, es de gran uso a escala mundial, y fue utilizado
por primera vez en Australia por el año de 1932 en líneas de 33 KV, debido a que el
lavado natural no eliminaba el depósito contaminante en el aislamiento,
posteriormente esta técnica fue utilizada países como Alemania, Rusia, Japón,
Noruega ,Polonia, Estados Unidos, etc.,.
Este método consiste en aplicar al aislamiento un chorro de agua a presión o
elementos no conductores suaves (como la fibra de maíz) para que con esa acción
eliminar el contaminante depositado sobre la superficie de los aisladores, estos
métodos se consideran de gran efectividad para lograr eliminar los contaminantes,
en el caso del lavado de agua a presión que puede decirse es el de mayor uso a
escala mundial, el lavado puede ser ejecutado de forma manual o automática, el
método automático es usado fundamentalmente en subestaciones, y en particular,
en aquellas ubicadas en lugares donde el grado de acumulación del contaminante
es intenso.
Fig. 4.3 Lavado manual de aisladores con la línea en caliente
98
Para el lavado en caliente se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:




Los aisladores se deben lavar completamente y con la frecuencia necesaria
entre un lavado y otro, de tal manera que se evite la formación de la capa
conductora del contaminante.
El lavado no debe generar flameo sobre los aisladores, por lo general el
lavado se inicia por la parte inferior progresando hacia arriba, evitando el
flujo de agua contaminada y posibles flameos, un segundo lavado eliminara
el agua residual.
Se deben de tomar todas las medidas de seguridad para evitar que ocurran
flameos hacia los surtidores o atomizadores, la manguera debe estar
conectada solidamente a tierra y el operador deberá permanecer en una
plataforma elevada igualmente a tierra.
El lavado deberá efectuarse al menos una vez al mes, dependiendo de las
condiciones de contaminación, y es posible que se requiera el lavado de dos
veces por semana en zonas de alta contaminación.
En la elección del método de lavado, y de su sistema de trabajo tiene una gran
importancia elementos como las características de la instalación que se va a lavar
y del equipo de lavado, el proceso de lavado y los principios de seguridad para el
personal y la instalación, en la selección del equipamiento tiene que tenerse en
cuenta aspectos tales como tipo y dimensión de las boquillas, presión y gasto de
agua mientras que en lo relativo al proceso influye la periodicidad y duración del
mismo.
Uno de los problemas de seguridad que debe resolverse en la aplicación de esta
técnica es el evitar la electrocución del operario en el momento de efectuar el
lavado, siendo los elementos que determinan esa seguridad la corriente superficial
sobre los aisladores y por el chorro de agua, el nivel de aterrizamiento, la distancia
desde la boquilla al elemento aislante, la presión del chorro y la conductividad del
agua, las características de la boquilla, la velocidad de lavado y la forma de lavado.
99
FIG. 4.4 Aislador después de haber sido lavado
4.7.5 Recubrimientos superficiales
Un recubrimiento repelente al agua aplicado sobre la superficie del aislador, impide
la formación de una película continua de agua, debida a que esta permanece en
gotas discretas que ruedan fácilmente por la superficie, además las partículas
sólidas son encapsuladas previniendo el contacto con el agua y la formación de
electrolitos a partir de contaminantes solubles, en esta forma el aislador sin perder
sus características eléctricas puede operar normalmente bajo la acción de lluvia,
roció o niebla, durante un periodo de tiempo.
Tabla 4.2 Recubrimientos a base de hidrocarburos
100
101
CONCLUSIONES
Se ha presentado en forma clara, los principales elementos que interviene en el
diseño del aislamiento de las líneas de transmisión.
Los aisladores son elementos de gran importancia y utilidad en los sistemas de
distribución de energía eléctrica. Se debe asegurar siempre el correcto estado del
mismo haciéndose el mantenimiento correspondiente.
Las dimensiones y forma del aislador, dependen de la tensión límite que puede
soportar, sin que se forme un arco en su superficie, alcanzando ambos extremos.
Como estos elementos están expuestos a los agentes atmosféricos, las
prescripciones indican la llamada tensión de flameo, la que provoca el salto de
chispa bajo condiciones normalizadas de lluvia, humedad, presión o nieve, que se
pueden reproducir en laboratorio.
Otra conclusión que podemos establecer, es la de mencionar los principales
factores que interviene en el diseño del aislamiento de líneas de transmisión los
cuales son:
1. La longitud adecuada de la distancia de fuga total o longitud de la
cadena, para evitar en lo posible flameos en los aisladores.
2. Una baja resistencia de impedancia a pie de torre, para una adecuada
conducción de la corriente producida por un rayo a tierra.
3. Evitar en lo posible fallas por descargas atmosféricas, por lo que
generalmente, se colocan cables de guarda en la parte superior de las
estructuras.
4. Numero de aisladores tipo suspensión adecuado para soportar las
sobretensiones que se originen en el sistema, así como para brindar
un adecuado aislamiento entre las partes conductoras y metálicas de la
torres de transmisión.
102
BIBLIOGRAFIA
1. MANUAL ESTÁNDAR DEL INGENIERO ELECTRICISTA
A.E KNOWLTON
EDITORIAL LABOR S.A
BARCELONA – ESPAÑA
2. MANUAL DE INGENIERIA ELECTRICA
DONALD FINK / H. WAYNE BEATY
13 ERA EDICION
EDITORIAL MC GRAW HILL
3. SISTEMAS DE TRANSMISION Y DISTRIBUCION DE POTENCIA
ELECTRICA
ENRIQUEZ HARPER GILBERTO
NORIEGA EDITORES
ISBN 968 – 18 – 6715 – 7
4. TRANSMISION DE ENERGIA
ING. RAMON CHAZARO APARICIO
EDITORIAL UNIVERSIDAD VERACRUZANA
TEXTOS UNIVERSITARIOS
5. TECNICA DE LAS ALTAS TENSIONES TOMO I Y II
ENRIQUEZ HARPER GILBERTO
NORIEGA EDITORES
6. FISICA PARA CIENCIAS E INGENIERIA TOMO II
SERWAY AND BEICHER
QUINTA EDICION
EDITORIAL MC GRAW HILL
7. ALTA TENSION Y SISTEMAS DE POTENCIA
CARL A. SIEGERT
SEGUNDA EDICION 1983
EDI TORIAL LIMUSA
8. APUNTES DE SISTEMA DE POTENCIA I
CATEDRATICO ING. RAMON CHAZARO APARICIO
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
9. APUNTES DE PROTECCIONES A SISTEMAS DE POTENCIA
CATEDRATICO ING. JUSTINO BAUTISTA ESPINOSA
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
103
ANEXOS
TABLA A1. PRUEBAS RECOMENDADAS PARA LA EVALUACION DE LOS
AISLADORES.
PRUEBAS
ELECTRICAS
PRUEBA
FLAMEO EN SECO (60HZ)
NORMA
CONNIE 8.3-4
ANSI C29.1
FLAMEO EN HUMEDO (60 HZ)
CCONNIE 8.3.4 (200KV)
IMPULSO DE TENSIÓN
CCONNIE 8.3.4
POTENCIAL APLICADO
CCONNIE 8.3.4
ARCO DE POTENCIA
IEEE P1024/08
PERFORACION DIELECTRICA EN
ACEITE
PERFORACION DESPUES DE
50 HRS DE EBULLICION EN AGUA
CCONNIE 8.3.4
CCONNIE 8.3.4
FLAMEO CRITICO AL IMPULSO
ANSI C29.1
IMPULSO RAPIDO
ANSI C29.1
PRUEBAS MECANICAS
TENSIÓN MECANICA
ANSI C29.1
COMPRESION
ANSI C29.1
CHOQUE TERMICO
IEC 38
CANTILIVER
ANSI C29.1
TENSIÓN MECANICA SOSTENIDA
ANSI C29.1
104
TABLA A2. PRUEBAS RECOMENDADAS PARA EVALUAR LOS MATERIALES
AISLANTES EMPLEADOS EN LA ELABORACION DE AISLADORES.
PRUEBAS ELECTRICAS
PRUEBA
NORMA
RIGIDEZ DIELECTRICA
ASTM D 149
RESISTIVIDAD SUPERFICIAL
ASTM D 157
RESISTIVIDAD VOLUMETRICA
ASTM D 257
FACTOR DE PERDIDAS
ASTM D 150
ARCO EN SECO
ASTM D 495
PRUEBAS MECANICAS
TENSIÓN
COMPRESION
ASTM D 412 Y ASTM D
638
ASTM D 465
DUREZA
ASTM D 789
FLEXION
ASTM D 790
105
TIPO DE PRUEBA
SECCION DE LA
NORMA ANSI
C29.1
PROPIEDADES
ESFUERZO
MECANICO
5.1
ESFUERZO
MECANICO
5.2
Y
ELÉCTRICO
COMBINADO
MECANICAS
RESISTENCIA
CARGA
SOSTENIDA
POROSIDAD
ACEITE
ELECTRICAS
DE
5.3
EN
CHOQUE TERMICO
VOLTAJE
DE
FLAMEO Y AGUANTE
EN SECO A BAJA
FRECUENCIA
VOLTAJE
DE
FLAMEO Y AGUANTE
EN HUMEDO A BAJA
FRECUENCIA
VOLTAJE
DE
AGUANTE EN ROCIO
A BAJA FRECUENCIA
VOLTAJE
DE
FLAMEO Y AGUANTE
AL IMPULSO
VOLTAJE DE RADIO
INTERFERENCIA
5.4
5.5
4.4 Y 4.4
4.3 Y 4.5
4.6
4.7 Y 4.8
4.9
VOLTAJE
DE
EFECTO
CORONA 4.10
VISUAL
VOLTAJE
DE
PERFORACION
4.11
106
NORMAS ANSI.
ANSI C29.1
(1988; R 2002) Test Methods for Electrical Power Insulators
ANSI C29.2
(1992; R 1999) Insulators – Wet-Process Porcelain and
Toughened Glass – Suspension Type
ANSI C29.3
(1986; R 2002) Wet Process Porcelain Insulators – Spool Type
ANSI C29.4
(1989; R 2002) Wet-Process Porcelain Insulators – Strain Type
ANSI C29.5
(1984; R 2002) Wet-Process Porcelain Insulators – Low- and
Medium-Voltage Types
ANSI C29.6
Voltage Pin Type
(1996; R 2002) Wet-Process Porcelain Insulators – High-
ANSI C29.8
(1985; R 2002) Apparatus, Cap and Pin Type Wet-Process
Porcelain Insulators –
ANSI C29.9
Post-Type
(1983; R 2002) Wet-Process Porcelain Insulators – Apparatus,
107
TABLA A3. Numero de aisladores estándar recomendado, para diferentes
tensiones usadas en la Republica Mexicana.
TIPO DE AISLADOR
ALTURA
(mm)
DIAMETRO
(mm)
DISTANCIA DE FUGA
(mm)
SUSPENSION
STANDAR
146
254
305
TIPO STANDAR
170
280
370
TIPO NIEBLA
165
320
550
TIPO NIEBLA
ESPECIAL
195
400
690
TABLA A4. DIMENSIONES PARTICULARES DE DIFERENTES TIPO DE AISLADORES
108
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