Tema: Aisladores Objetivo General: Investigar los aisladores, sus tipos y sus aplicaciones mediante el análisis de la información adquirida tanto en libros como en páginas virtuales para comprender su comportamiento y utilización.
Objetivos Específicos: 1. Conocer el funcionamiento del aislador y su utilización. 2. Entender los tipos de aisladores y su funcionamiento en los SEP. 3. Indagar el uso y aplicación de los aisladores y cada uno de sus tipos.
Marco Teórico: Aisladores Son elementos sólidos que tienen propiedades mecánicas capaces de soportar los esfuerzos producidos por los conductores, su función eléctrica es aislar los conductores sometidos a una diferencia de potencial con respecto a tierra (estructuras o soportes de las instalaciones, como subestaciones o líneas de transmisión), o bien con respecto a otros conductores de fase o muros.
Función del aislador 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
Condiciones generales que deben cumplir los aisladores Como condiciones generales, los aisladores empleados en las líneas eléctricas aéreas, han de cumplir lo siguiente:
a. Rigidez dieléctrica suficiente para que su tensión de perforación sea muy superior a
b.
c.
d.
e.
su tensión de servicio, con objeto de que soporten las sobretensiones que puedan presentarse en la línea, sin peligro de perforación. La rigidez dieléctrica de un aislador depende esencialmente del material que lo constituye y del espesor del mismo. Forma adecuada para evitar las descargas de contorneamiento entre el conductor en contacto con los aisladores y los soportes metálicos que fijan estos mismos aisladores y que, a su vez se fijan a los apoyos de la línea Disminuir la corriente de fuga entre aislador y soporte, hasta que su valor sea prácticamente despreciable; esto es, para las condiciones más desfavorables, como ser, cuando el aislador está sometido a la lluvia. Resistencia mecánica suficiente para que trabaje en buenas condiciones de seguridad, bajo la acción de los esfuerzos que el conductor transmitirá al aislador. La carga de rotura debe ser, por lo menos, igual a la del conductor que deben soportar, aplicada dicha carga en la sección de amarre del conductor al aislador. Efecto de envejecimiento lo menor posible, para evitar gastos de reposición y de mantenimiento. Este se debe a la degeneración del material constituyente del conductor, producida por diversas causas. Actualmente con los procedimientos de fabricación de los materiales aislantes, se consiguen envejecimientos muy lentos, conservando durante muchos años sus buenas propiedades mecánicas y eléctricas.
Características eléctricas y mecánicas de los aisladores. Eléctricas Línea de fuga: Es la distancia entre las fuerzas conductoras de las que está provisto el aislador, en las condiciones que se establecen disruptiva, medida sobre la superficie del aislador.
para los ensayos de tensión
Distancia disruptiva: Es la distancia, en el aire, entre las piezas de las que está provisto el aislador, en las condiciones establecidas para los ensayos de tensión disruptiva. También se denomina de contorneamiento.
Tensión de corona: Es el valor eficaz de la tensión, expresado en kilovoltios, al que deja de ser visible, en la oscuridad, toda manifestación luminosa en cualquier punto del aislador, causada por la ionización del aire o efecto corona.
Descarga disruptiva o de contoneo: Se produce en la superficie del aislador a través del aire. bajo aspecto de una o conjunto de chispa o arco, que establecen conexión eléctrica entre las piezas metálicas del aislador, sometidas a la tensión de servicio. Para la determinación de la tensión disruptiva en seco a la frecuencia normal, se somete al aislador a un ensayo en atmósfera seca a una frecuencia de 60 Hz. Para determinar la tensión disruptiva bajo lluvia a la frecuencia normal, el ensayo también se realiza con una frecuencia de 60 Hz, sometiendo al aislador a los efectos de una lluvia artificial. Las normas establecen que en ambos casos se debe determinar la tensión mínima disruptiva, durante 5 determinaciones sucesivas sobre el aislador en ensayos de un minuto de duración.
Tensión de perforación: Es el valor de la tensión capaz de producir la ruptura del
aislador en un determinado punto como consecuencia de una descarga a través de su masa. Las normas establecen que los ensayos para la tensión de perforación se realicen a la frecuencia normal de 60 Hz, aumentando el valor de la tensión gradualmente, a razón de 1000 V/seg, hasta llegar a la perforación del aislador Tensión crítica: Es la tensión para la cual comienzan a formarse arcos superficiales entre el conductor y el soporte del aislador. Tensión nominal de servicio: Es la constituida por la tensión de la red.
Mecánicas
Carga crítica: Es la carga mecánica del conductor capaz de producir en el aislador
averías que ocasionan descargas eléctricas. Carga máxima de servicio: Está constituida por la carga que soporta el aislador en condiciones normales de funcionamiento de la línea. Carga de rotura total: Es el esfuerzo mecánico que provoca la separación de las partes por rotura del aislador (en el caso de la cadena sería la rotura de un elemento).
Coeficientes eléctricos y mecánicos
Coeficiente de seguridad eléctrico: Es la relación entre la tensión crítica y la tensión nominal de servicio.
Coeficiente de seguridad electromecánico: Es la relación entre la carga crítica y la máxima carga de servicio.
Coeficiente de seguridad mecánico: Es la relación entre la carga de rotura total y la
máxima carga de servicio.
Ensayos en un aislador
Ensayo con alta frecuencia: Se someten los aisladores durante 10 segundos a una
tensión alterna caracterizada por una sucesión de trenes de ondas amortiguadas, de frecuencia comprendida entre 200 kHz y 300 kHz, cuyos trenes de ondas se repiten aproximadamente 100 veces por segundo. El valor de la tensión será tal que provoque una sucesión ininterrumpida de chispas contorneando el aislador. Debe desecharse la partida de aisladores si el número de éstos que se perforan durante el ensayo es superior al 10%. Ensayo mecánico de larga duración: Los aisladores se someten a un esfuerzo mecánico continuo durante largo período de tiempo. Los valores del esfuerzo y del tiempo se establecen previamente entre el fabricante y el comprador. Después del ensayo los aisladores se someten durante 1 minuto a una tensión de frecuencia normal, cuyo valor sea tal que provoque descargas disruptivas externas cada 4 ó 5 segundos. Los aisladores deben resistir este ensayo sin perforarse.
MATERIALES EMPLEADOS PARA LA FABRICACIÓN DE AISLADORES En la fabricación de aisladores eléctricos se debe utilizar materiales que posean alta resistividad, y gran resistencia mecánica, entre otras cualidades necesarias para el buen desempeño del aislador. Hoy en día los materiales más usados son:
Porcelana: Constituida por caolín y cuarzo, con un tratamiento de cocción a 1400ºC; se recubre de una capa de silicato, recociéndose posteriormente para obtener un vidriado en caliente que hace impermeables los aisladores y dificulta la adherencia de polvo o humedad.
Esteatita y resinas epoxi: Se emplean cuando los aisladores han de soportar grandes esfuerzos mecánicos, debido a que su resistencia mecánica es el doble que la de la porcelana.
Vidrio: Es una mezcla de ácido silícico con óxidos de calcio, sodio, bario, aluminio, etc., fundida entre 1300 y 1400 ºC. La composición de base cálcico-alcalina, obtenida por enfriamiento brusco mediante una corriente forzada de aire frío, posee elevada dureza y resistencia mecánica, incluso gran estabilidad, ante los cambios de temperatura, con el inconveniente del mayor coeficiente de dilatación.
Materiales compuestos (polimétricos): Fibras de vidrio y resina en el núcleo y distintas gomas” en la parte externa, con formas adecuadas, han introducido en los años más recientes la tecnología del aislador compuesto. Estas modernas soluciones con ciertas formas y usos ponen en evidencia sus ventajas sobre porcelana y vidrio. “
La siguiente tabla diferentes aisladores:
muestra
las
principales
ventajas
y
desventajas
de
los
Tipos de Aisladores Aisladores de porcelana Están constituidos por caolín y cuarzo. Por lo general, son aisladores que se caracterizan por: Alta resistencia eléctrica y mecánica. Estructura muy densa. Absorción de la humedad nula. Dificultad para adherir el polvo.
A pesar de estas ventajas presentan los siguientes inconvenientes respecto a los aisladores de vidrio: o
o
o
En caso de fallo de un aislador por una onda de sobretensión, el aislador de porcelana se rompe si falla el dieléctrico. Presentan un coeficiente de dilatación térmica más elevado que el vidrio, en consecuencia los aisladores de porcelana están más influenciados por la variación de la temperatura ambiente. Estos aisladores no tienen la capacidad de ser atravesados por los rayos solares sino que esos rayos los absorben provocando un sobrecalentamiento mayor que en el caso del vidrio.
Aisladores Tipo Alfiler Es un aislador formado por uno o varios faldones que se montan rígidamente en un vástago roscado llamado alfiler, con el cual forma un conjunto desmontable. Uso: Aislar conductores eléctricos en líneas áreas de distribución.
Aislador Tipo Poste-Línea Es un aislador formado por una pieza de porcelana unida con una base metálica, formando un ensamble rígido con el cual se forma un conjunto desmontable. Uso: Aislar conductores eléctricos en líneas aéreas de redes d e distribución en zonas de alta incidencia de descargas atmosféricas.
Aislador Poste-Línea Tipo Contaminación Es un aislador formado por una pieza de porcelana unida con una base metálica formando un ensamble rígido con una base metálica, formando un ensamble rígido con el cual se forma un conjunto desmontable. Uso: Aislar conductores eléctricos en líneas aéreas de redes d e distribución en zonas de alta contaminación. Puede usarse en zonas de alta incidencia de descargas atmosféricas.
Aisladores Tipo Columna Aislador de porcelana de forma cilíndrica con faldones y con herrajes que permiten su instalación rígida por ambos extremos. Uso: Como componente de cuchillas desconectadores y como soporte de buses y equipo en subestaciones.
Aislador Tipo Carrete o Rollo Aislador de forma cilíndrica con una o varias ranuras circunferenciales externas y perforado axialmente para su montaje. Uso: Soportan y aíslan las líneas de baja tensión (220V, 440V) montados sobre bastidores.
Aislador Tipo Retenida Aislador de porcelana de forma cilíndrica con dos perforaciones y ranuras transversales. Usos: Como soporte aislante en los cables tensores entre el poste y el suelo y para tensar líneas aéreas y estructuras de distribución.
Aisladores de vidrio templado Al igual que los anteriores, presentan buena resistencia mecánica y eléctrica, poseen una estructura densa y son impermeables. Una ventaja que es fundamental de este tipo de aisladores es su bajo grado de envejecimiento aún estando expuesto a esfuerzos mecánicos elevados. Además de ser aisladores económicos, debido a su alta capacidad dieléctrica debido a la homogeneidad del vidrio, los hace prácticamente imperforables.
En caso de fallo en este tipo de aisladores por una onda de sobretensión, el aislador afectado tiende a deshacerse en pequeños trozos lo cual facilita el descubrimiento del aislador afectado a la hora de cambiarlos o hacer mantenimiento. Como ya hemos dicho, este tipo de aisladores tiene la ventaja de que deja pasar los rayos solares con lo que el sobrecalentamiento producido por estos es pequeño.
Aisladores de esteatita y resinas epoxi Este tipo de aisladores se caracterizan sobre el resto porque son capaces de soportar grandes esfuerzos mecánicos debido a que poseen una resistencia mecánica que supone el doble que la de los aisladores de porcelana. Además, al ser materiales poliméricos tienen mejores propiedades aislantes que el resto de los tipos d e aisladores. Su gran desventaja es su elevado coste que les hace que se empleen para aplicaciones muy concretas que requieran requisitos muy específicos.
Aisladores Poliméricos Con la incorporación de nuevos compuestos a partir de cauchos de silicona, evolucionadas y modernas técnicas de producción, se han desarrollado los aisladores poliméricos, los que tienen como gran ventaja comparativa respecto a los aisladores de porcelana y vidrio templado su peso muy inferior lo que facilita la instalación. Otra característica sobresaliente en el caso de aisladores de suspensión es que son de un solo cuerpo, desarrollados según la necesidad, lo que evita armar cadenas de aislación, facilitando su instalación y resistiendo acciones vandálicas pues por su composición no sufren daños por golpes. Pero dentro de las contras que tiene este aislador están los defectos propios del material y la destrucción por parte de las aves. Se utiliza para aislar los sistemas de media tensión de 13.2, 23 y 34.5 kV en los sistemas de distribución de energía eléctrica.
Aisladores Fijos Están unidos al soporte por un herraje fijo y no pueden, por consiguiente, cambiar normalmente de posición después de su montaje.
Su forma general es la de una campana que lleva en su parte superior una garganta sobre la que se fija el conductor por una ligadura (de hilo de cobre recocido para conductores de cobre o de hilo de aluminio para conductores a base de aluminio). Este aislador es el más simple y pertenece a las líneas de baja tensión.
Aisladores en Cadena o Suspendidos Están constituidos por un número variable de elementos según la tensión de servicio; estas cadenas son móviles alrededor de su punto de unión al soporte, y además, las articulaciones entre elementos deben tener bastante libertad para que los esfuerzos de flexión queden amortiguados; estas articulaciones suelen ser de rótula. Este tipo de aislador es el más empleado en media y en alta tensión, ya que presenta las siguientes ventajas: Permite elevar la tensión de funcionamiento con sólo aumentar la longitud de la cadena, es decir, colocando más elementos. Presenta una gran economía en la reparación de las cadenas, pues solamente es necesario cambiar el elemento averiado.
Criterio Personal: El aislador es un dispositivo cuya función es sujetar al conductor para aislarlo de
tierra y de otros conductores. En la fabricación de aisladores se utilizan diferentes materiales según su alta resistividad tales como la porcelana, vidrio, esteatita y resinas epoxi y materiales compuestos (polimétricos). En el aislador de porcelana en caso de una sobretensión si falla el dieléctrico el aislador se rompe. El aislador de porcelana posee un coeficiente de dilatación más elevado que ele de vidrio, por lo que están más influenciados por la variación de temperatura ambiente. No tienen la capacidad de ser atravesados por los rayos solares sino que esos rayos son absorbidos por el aislador provocando un sobrecalentamiento en ellos. Los aisladores de porcelana se clasifican en aislador soporte de porcelana tipo columna, aislador de porcelana tipo carrete, aislador de porcelana para retenida, aislador de porcelana tipo alfiler, aislador de porcelana tipo línea-poste y aislador de porcelana tipo línea-poste tipo contaminación. Los aisladores de vidrio son construidos por una mezcla de arena silícea y de arena calcárea, posee un coeficiente de dilatación muy alto. Son más utilizados debido a que el costo es más reducido y su transparencia facilita el control visual, por esta razón sustituyen en muchos casos a los de porcelana. Los aisladores de esteatita y resinas epoxi tienen una gran ventaja sobre el resto por soportar grandes esfuerzos mecánicos debido a que poseen una resistencia mecánica que es aproximadamente el doble que la de los aisladores de porcelana. Son de poca utilización ya que son de mayor costo que los aisladores de porcelana y de vidrio. Los aisladores tipo cadena o también llamados suspendidos están constituidos por varios elementos aisladores según la tensión de servicio, son muy económicos en su reparación ya que solo es necesario cambiar el elemento averiado
Análisis Técnico: El aislador es un dispositivo el cual tiene como función promordial aislar los
conductores sometidos a una diferencia de potencial con respecto a tierra. La rigidez dieléctrica del aislador debe ser suficiente para que la tensión de perforacion del aislador sea superior a la a la tensión de servicio, cuyo objetivo es soportar las sobretensiones que puedan producirse en la línea. El aislador posee características mecanicas y eléctricas esenciales las cuales son comprobadas por ensayos en los mismos. Cumple con caracteristicas tanto fsicas como mecánicas, entre las características físicas mas importantes tenemos: Línea de fuga en un aislador es medida sobre la superficie del aislador, y es la distancia entre las fuerzas c onductoras de las que esta provisto el aislador. La tensión de perforación en el aislador consiste en el valor de tensión mediante el cual ocurre la perforación del aislador, las normas establecen que los ensayos de tensión de perforacion se realicen con frecuencia de 60 Hz aumentando la tensión gradualmente a razón de 1000 V/seg hasta la ruptura del aislador. Las caracteristicas mecánicas más importantes tenemos: carga crítica la cual produce en el aislador averías que ocasionan descargas eléctricas, carga máxima de servicio constituye la carga que soporta el aislador en condiciones normales de funcionamiento de la línea y la carga de rotura total esta provoca la separación de las partes por rotura del aislador. Es sometido a diversos ensayos pero entre los más importantes que debe cumplir está el ensayo con alta frecuencia que consiste en someter los aisladores durante 10 segundos a una tensión alterna de frecuencia comprendida entre 200 kHz y 300 kHz y el ensayo mecánico de larga duración que consiste en someter a los aisladores a un esfuerzo mecánico continuo durante largo período de tiempo. El aislador poste-línea tipo contaminación es usado para aislar conductores eléctricos en líneas aéreas de redes de distribución en zonas de alta contaminación, pueden usarse en zonas de alta incidencia de descargas atmosféricas. Los aisladores poliméricos se utiliza para aislar los sistemas de media tensión de 13.2, 23 y 34.5 kV en los sistemas de distribución de energía elé ctrica. Los aisladores en cadena o suspendidos son los más empleados en media y en alta tensión, ya que presentan la ventaja de permitir elevar la tensión de funcionamiento con solo aumentar la longitud de la cadena.
Conclusiones: El aislador es un dispositivo que aisla las redes de distribución o transmisión de
sobretensiones o descargas atmosféricas. Deben cumplir diferentes condiciones para su distribución, para su utilización en la construcción de redes de distribución y transmisión. Los aisladores de vidrio tienen mayor resistividad eléctrica que los de porcelana, por esta razón son mejores para formar cadenas de aisladores. Los aisladores en cadena son mucho más económicos cuando de reparación se trata ya que solo basta con cambiar el elemento averiado. Los aisladores polímeros tienen mayor ventaja sobre los de porcelana y vidrio debido a su peso por lo que se hace más fácil su instalación
Recomendaciones: Para la instalación de los aisladores se debe tomar en cuenta el ambiente el cual va a
ser instalado. Debe tomarse en cuenta que cada tipo de aislador tiene su uso específico ya sea para baja, media o alta tensión. Es recomendable utilizar los aisladores en cadena para media y alta tensión, ya que permite elevar la tensión de funcionamiento con solo aumentar la longitud de la cadena Los aisladores de vidrio poseen una mejor resistividad eléctrica que los aisladores de porcelana por lo que serían mejores aisladores. Todos los aisladores deben someterse a los ensayos correspondientes para su distribución ya que de no cumplir las condiciones necesarias de los ensayos como el de alta frecuencia si el número de aisladores perforados es mayor del 10% todo el lote de aisladores debe desecharse.
Bibliografía: HENRIQUEZ Gilberto, Manual de Equipos Eléctricos, Editorial Limusa, 2008,
Primera Edición, Pág. 517 – 540 CONCHA Patricio, http://patricioconcha.ubb.cl/eleduc/public_www/capitulo2/aisladores.html http://www.mayecen.com/new/cat1/IUSA.pdf http://es.scribd.com/doc/93851613/aisladores-electricos http://es.scribd.com/doc/98379791/Diapositivas-de-Aisladores http://es.scribd.com/doc/83653682/aisladores
