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• Jhonn Mendoza Bustillos

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Aislantes, aisladores

AISLADORES ::. Los aisladores son los elementos encargados de sostener los conductores en las estructuras bajo condiciones de viento y contaminación ambiental; a la vez como su nombre lo indica aísla el conductor de las estructuras y evitan el efecto corona; los aisladores en su mayoría son fabricados en porcelana, ya que brinda gran resistencia a las condiciones ambientales por no ser un material poroso lo que limita la absorción de agua. Existen diversos tipos de aisladores, entre los cuales se pueden destacar los aisladores de suspensión, aisladores tipo tensor, aisladores tipo pin y aisladores tipo carrete. Aislador de Suspensión: Este tipo de aislador o llamado también tipo disco es el mas empleado en redes de transmisión de energía eléctrica, se utilizan cadenas de aisladores para suspende el conductor, el número de elementos aisladores que debe tener la cadena se determina por la tensión de servicio en la línea de transporte de energía. Así, en las líneas a 110 kV, las cadenas suelen tener 6 ó 7 elementos aisladores y en las líneas a 220 kV, 10 a 12. Existen aisladores de suspensión de 6”y 10” los cuales soportan un esfuerzo mecánico de 10.000 y 15.000 libras.

Figura 3.2.1. Aislador de Suspensión

Aislador tipo Tensor: El aislador tipo tensor es utilizado para suspender los conductores en redes de transmisión aéreas en las que existe un ángulo de giro mayor a 30º o en los extremos de la línea, razón por la cual deben soportar esfuerzos mecánicos elevados, existen aisladores tipo tensor de 3 1/2”, 4 1/4”, 5 1/2”, 6 3/4”.

Figura 3.2.2. Aislador tipo Tensor

Aislador tipo Pin: El aislador tipo pin es empleado en redes eléctricas de distribución, en estructuras en las cuales van crucetas, este, es empleado para sostener el conductor.

Figura 3.2.3. Aislador tipo Pin Existen aisladores de pin sencillos y dobles y es seleccionado según el nivel de tensión al cual va a trabajar, para 7.2 kV, 13.2kV, 15 kV se emplea pin sencillo y para 23 kV y 34.5 kV se emplea pin doble.

Aislador tipo Carrete: El aislador tipo carrete se emplea en redes aéreas de distribución de energía eléctrica, en las estructuras que no llevan crucetas para sostener el conductor, el aislador es ubicado en

perchas, estas pueden ser de uno, dos, tres, cuatro y cinco puestos según la cantidad de líneas.

Figura 3.2.4. Aislador tipo Carrete

MATERIALES AISLANTES ::. En las líneas de transmisión y distribución de energía eléctrica, el aislamiento eléctrico es realizado principalmente por dos elementos el aire y los aisladores los cuales son fabricados en diferentes materiales como porcelana, vidrio y resina epoxica. AIRE: El aire es elemento más empleado en las Redes Eléctricas para aislamiento, la rigidez dieléctrica del aire se puede ver afectada por la contaminación del ambiente, la altura sobre el nivel de mar y la densidad del aire. El aire tiene una rigidez dieléctrica de alrededor de 32 kV/cm a la presión normal, y alcanza un valor alrededor de 160 kV/cm a una presión de 100 N/cm2 y alrededor de 500 kV/cm para 300 N/cm2. El aire y otros gases tienen elevadísima resistividad y están prácticamente exentos de pérdidas dieléctricas. Tienen en mayor o menor medida la propiedad común que la rigidez dieléctrica crece a medida que aumenta la presión. PORCELANA: La porcelana es el material más utilizado en la fabricación de aisladores, esta conformado por arcilla, feldespato y cuarzo ó alúmina, la porcelana ofrece baja porosidad lo que ayuda a la baja absorción de agua, alta resistencia al calor y resistencia mecánica. VIDRIO: El vidrio empleado en la fabricación de aisladores esta compuesto por sílice, oxido de calcio y oxido de sodio, por ser un material frágil debe sufrir un proceso de endurecimiento, los aisladores de vidrio son empleados en zonas de alta contaminación. RESINA EPOXICA: Las características principales de este tipo de aisladores es la gran resistencia que presenta contra impactos, brinda una baja posibilidad de filtración y tiene un excelente dieléctrico en comparación con los aisladores de porcelana.

Aisladores de Porcelana Tipo Espiga (Pin) Aisladores de porcelana tipo espiga (pin) se utiliza principalmente en las líneas eléctricas de distribución, y proporcionar soporte rígido para el sistema de energía. Aisladores de porcelana tipo espiga (pin) consta de una sola pieza de cerámica o dos o más componentes de cerámica y los componentes están conectados permanentemente con cemento. Los materiales empleados end la construcción de los aisladores se ajustarán a lo establecido en la Norma ANSI C29.5 y ANSI C29.6. El color de aisladores de porcelana tipo espiga (pin) debe ser gris o marrón. El gris color debe ser de acuerdo a la norma y conforme a la notación Munsell 5BG 7.0/0.4. El cabeza es igual que aisladores de porcelana pito line post (tipo columna)

Aisladores de porcelana tipo espiga (pin) deberán ser fabricados de porcelana ¨proceso húmedo¨. Al vacío con orificio roscado de 1¨ para ANSI 55 serie y 1 3/8¨ ANSI 56 serie. Caracteríaticas de aisladores de porcelana tipo espiga (pin) deberán ser tales que no produzcan interferencias de radio comunicación y deben satisfacer como mínimo de las normas publicadas para tupo espiga aislador.

Características general de aisladores de porcelana tipo espiga (pin): Material aislante: cerámico, porcelana con alto contenido de alumina Norma de fabricacion: IEC60383, ANSI C29.1, ANSI C29.5, ANSIC29.6 Marca: Orient Power China Color de aisladores: marron y gris Modelo o clase de aisladores de porcelana tipo espiga (pin): ANSI 55-1, ANSI 55-2, ANSI 55-3, ANSI55-4, ANSI55-5, ANSI 55-6 ANSI56-1, ANSI 56-1,ANSI56-3, ANSI56-4, ANSI56-5 Rosca de aisladores de porcelana tipo espiga (pin): 1” (25.4mm) y 1 3/8” (34.92mm) Datos del embalaje: cajón o caja de madera con jergón Distancia de fuga: a la normas internationales Resistencia mecánica: 11KN, 13KN Tensión de aplicación: 6kv, 11kv, 15kv, 24kv, 25kv, 33kv/36kv Aisladores de porcelana tipo espiga (pin) se utiliza en líneas de distribución primaria para aislar y soportar los conductores en sistemas de distribución alta y media tensión. Podemos ofrecer la gama completa aisladores de porcelana tipo espiga (pin) de ANSI 55 y 56 serie.

2.7.1.- 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 de 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 o comprensión a los que está sometido. Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, las cualidades específicas que deben cumplir los aisladores son: • 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 con la cual se puede producir el arco a través de la masa del aislador. • Disposición adecuada, de forma que la tensión de contorneamiento presente 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 con la cual se puede producir el arco a través del aire, siguiendo la mínima distancia entre fase y tierra, es decir, el contorno del aislador. Esta distancia se llama línea de fuga. • Resistencia mecánica adecuada para soportar los esfuerzos demandados por el conductor, por lo que la carga de rotura de un aislador debe ser por lo menos igual a la del conductor que tenga que soportar. • Resistencia a las variaciones de temperatura. • Ausencia de envejecimiento.

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. En efecto, frágiles por naturaleza, se ven sometidos a esfuerzos combinados, mecánicos, eléctricos y térmicos, colaborando todos ellos a su destrucción.

2.7.2. Materiales empleados en los aisladores 2.7.2.1.- Aisladores de porcelana Su estructura debe ser homogénea y para dificultar las adherencias de la humedad y polvo, la superficie exterior está recubierta por una capa de esmalte. Están fabricados con caolín y cuarzo de primera calidad.

2.7.2.2.- Aisladores de vidrio Están fabricados por una mezcla de arena silícea y de arena calcárea. El material es más barato que la porcelana, pero tienen un coeficiente de dilatación muy alto, que limita su aplicación en lugares con cambios grandes de temperatura; la resistencia al choque es menor que en la porcelana. Sin embargo, debido a que el costo es más reducido y su transparencia facilita el control visual, hacen que sustituyan en muchos casos a los de porcelana.

2.7.2.3.- Aisladores de esteatita y resinas epoxicas Se emplean cuando han de soportar grandes esfuerzos mecánicos, debido a que su resistencia mecánica es aproximadamente el doble que los de porcelana, y sus propiedades aislantes también son superiores; sin embargo, el inconveniente es que tienen mayor costo.

2.7.3.- Tipos de aisladores 2.7.3.1.- 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.

2.7.3.2.- 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. • No se interrumpe el servicio por rotura de un aislador, ya que la cadena sigue sustentando al conductor. • Presenta una gran economía en la reparación de las cadenas, pues solamente es necesario cambiar el elemento averiado.

Existen diversos tipos de aisladores de cadena, que a continuación se detallan: • Caperuza-vástago, este aislador se compone de una campana de porcelana o vidrio templado, en forma de disco y que lleva en su parte inferior algunas ondulaciones. En la parte superior de la campana está empotrada una caperuza de fundición o acero, y en su parte inferior en un hueco bastante reducido, lleva un vástago sellado al aislador. La figura Nº 2.4 muestra la disposición de los aisladores en una cadena de suspensión o en una cadena de amarre (modelos 1.512 fabricado por VICASA).

• Campana (discos), este elemento está constituido por un núcleo cilíndrico de porcelana de diámetro comprendido entre 60 y 85 mm., y provisto de dos faldas anchas. La unión de los aisladores campana entre sí se hace con un pequeño vástago cilíndrico terminado en dos rótulas (figura Nº 2.5). La diferencia esencial entre el aislador campana y el elemento caperuza-vástago, reside en el hecho de que el primero es rigurosamente imperforable en servicio, mientras que el segundo puede, en ciertas circunstancias, perforarse antes de ser contorneado, especialmente por la acción simultánea de esfuerzos mecánicos y acciones eléctricas. • Langstab , este modelo es un mejoramiento del aislador Motor y se denomina Langstab (larga línea de fuga). Está constituido por un largo cilindro de porcelana de 80 a 100 cm., con ondulaciones bastante profundas y terminado en dos caperuzas (figura Nº 2.6).

Figura Nº 2.5 Aislador tipo campana

• Langstab , este modelo es un mejoramiento del aislador Motor y se denomina Langstab (larga línea de fuga). Está constituido por un largo cilindro de porcelana de 80 a 100 cm., con ondulaciones bastante profundas y terminado en dos caperuzas (figura Nº 2.6).

Figura Nº 2.6 Aislador Langstab

2.7.3.3.- Aisladores especiales • Antiniebla, su principal característica consiste en tener ondulaciones más profundas que permitan una mayor tensión de contorneamiento. • De costa , la campana exterior es más ancha y alta, de forma que protege completamente contra el rocío a las faldas interiores. Los depósitos de humedad (niebla, rocío, condensación de origen variable) lo mismo que el depósito de cuerpos conductores extraños (humos industriales) reducen considerablemente la tensión de contorneamiento de los aisladores. La protección más difícil de realizar es la de líneas en regiones industriales, pues los materiales contaminantes se introducen en todas las ranuras del aislador.

CÁLCULO DE LA CADENA DE AISLADORES 1.- Introducción Para comprobar la validez de una cadena de aisladores es necesario determinar que cumple frente a las características eléctricas y mecánicas exigidas en el Reglamento. Así pues debemos dirigirnos al apartado 4.4 de la ITC-LAT 07 donde cita que la tensión permanente en servicio industrial y las sobretensiones temporales determinan la longitud mínima de aislamiento necesaria de la cadena de aisladores y que estos aisladores deben ser seleccionados en función del nivel de polución previsto para la línea. En cuanto a los criterios mecánicos debemos remitirnos al punto 3.4 de la ITC-LAT 07, donde fija el coeficiente de seguridad mecánico a 3. Si bien este criterio deberá de ser revisado en dos situaciones, la primera en funcionamiento normal, en donde se deben tener en cuenta el peso del conductor y el de la propia cadena, y la segunda en funcionamiento anormal, o sea cuando se rompe el conductor, en cuyo caso la cadena deberá de resistir la rotura producida. Por otra parte las cadenas de aisladores se suelen determinar para cada tipo de conductor, nivel de tensión y vano tipo. Posteriormente habrá que comprobar su validez cuando sean instaladas en una línea real, teniendo entonces en cuenta las características de esta. 2.- Nivel de aislamiento

Se entiende por nivel de aislamiento la relación que existe entre la longitud de la línea de fuga de la cadena de aisladores y la tensión más elevada que se adopte en la línea . La cadena de aisladores puede estar formada por un único elemento aislante, como ocurre en las cadenas fabricadas con materiales poliméricos, en cuyo caso la longitud de la línea de fuga será la de este elemento aislante, por otra parte la cadena de aisladores puede estar formada por varios elementos, como ocurre con las cadenas compuestas por aisladores de vidrio, de esta forma la longitud total de la cadena de aisladores será la suma de todos los elementos aislantes que la componen. El valor de la tensión mas elevada para una línea eléctrica viene reflejado en el punto 1.2 tabla 1 de la ITC-LAT 07 que seguidamente se reproduce:

Las líneas eléctricas presentan un comportamiento ante las solicitaciones dieléctricas, que determinan el valor de los siguientes parámetros. -

Tipo de aislador y longitud total de la línea de fuga de la cadena de aisladores. Distancia de los conductores al suelo. Distancia de los conductores de fase a los hilos de tierra. Distancia entre conductores de distinta fase. Distancia de los conductores al suelo. Los aislamientos de las líneas tienen la propiedad de ser autoregenerables, externos y sugeometría suele ser variable, ya que la acción del viento, los agentes externos contaminantes y las temperaturas, sin olvidar las sobrecargas hacen que las cadenas modifiquen su posición ideal. No es aconsejable, buscar la economía en las líneas ajustando el aislamiento a un nivel con aislamiento insuficiente, ya que así se producirán averías en las líneas. Es por ello necesario y obligatorio realizar un buen cálculo de la cadena de aisladores, tanto desde el punto de vista eléctrico como mecánico. 3.- Cálculo eléctrico En este apartado tendrá que comprobarse si el nivel de aislamiento de la cadena de aisladores es igual o superior al que se adopta para la línea. Este nivel de aislamiento viene determinado en la tabla 14 del punto 4.4 de la ITC-LAT 07 del Reglamento:

La expresión que permite calcular el nivel de aislamiento es la siguiente:

El nivel de aislamiento que se obtiene de esta ecuación debe ser superior al elegido para la línea, según la tabla anterior. Esta expresión es válida para todas las cadenas de aisladores, sin embargo para el caso de las cadenas compuestas por varios elementos de aisladores de vidrio, se podría calcular el número de aisladores necesarios para un determinado nivel de aislamiento. En este caso la expresión del nivel de aislamiento quedaría:

Despejando obtenemos el número de aisladores para una cadena determinada:

4.- Cálculo mecánico Como se comentaba en la introducción al artículo, debemos remitirnos al punto 3.4 de la ITCLAT 07, donde fija el coeficiente de seguridad mecánico a 3. Si bien este criterio deberá de ser revisado en dos situaciones, la primera en funcionamiento normal, en donde se deben tener el cuenta el peso de conductor y el de la propia cadena, y la segunda en funcionamiento anormal, o sea cuando se rompe el conductor, en cuyo caso la cadena deberá de resistir la rotura producida.

4.1.- Cargas normales

-

En esta hipótesis se consideran las cargas que actúan en un funcionamiento normal de la línea, mediante suma de todas ellas, en este caso serán los pesos que gravitan sobre la cadena de aisladores, y que son debidos a: Peso del conductor: viene definido por el gravivano, considerando las acciones del viento o hielo según la zona de la por donde transcurra la línea, en temas posteriores se abordará su cálculo. Peso de los aisladores. Peso de los herrajes. Contrapesos: si la cadena los necesita, por una desviación excesiva, mas adelante se verá esta desviación y el cálculo de los contrapesos si hay lugar. Por tanto la ecuación a comprobar será en este caso:

La opción de instalar contrapesos para evitar la desviación excesiva de la cadena de aisladores, bien por la acción del viento, bien por una solicitación ascendente de los conductores de los vanos adyacentes, en apoyos de alineación, o apoyos de ángulo montados con cadenas de suspensión, nótese que en los apoyos de amarre, final de línea, o de ángulo tratados como amarre, las cadenas de aisladores son horizontales, y por tanto no se desvían, la solución de la instalación de contrapesos, aunque perfectamente permitida por el Reglamento, no es una solución técnica, por tanto se pueden eliminar y adoptar otras medidas correctoras. Así pues la anterior expresión queda:

4.2.- Cargas anormales Las hipótesis anormales son la 3ª y 4ª del cálculo de apoyos, pero en concreto la que debe de resistir la cadena de aisladores sin romper debe ser la 4ª, o sea la de rotura de conductores, en este caso el coeficiente de seguridad será:

El esfuerzo de torsión dependerá del tipo de apoyo y de la función que este tenga en la línea. Para calcular este esfuerzo de torsión debe realizarse de acuerdo con el punto 3.1.5 de la ITCLAT 07 del Reglamento que especifica como debe realizarse el cálculo para cada tipo de apoyo. La tensión mecánica a aplicar será en la fase de diseño la de la carga de rotura del conductor dividida por el coeficiente de seguridad a adoptar en la línea y después aplicando los criterios del punto del Reglamento antes citado. En el caso de la comprobación en una línea se utilizará el valor de la componente máxima de la tensión en cada vano de regulación.