Diseño de Aislador No-Cerámico con Atenuación del Campo Eléctrico

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21/10/2022

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Introducción al Derecho I

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA

“Diseño de un Aislador No-Cerámico con Sistemas de Atenuación del
Campo Eléctrico”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

JAVIER JIMÉNEZ MARTÍNEZ
ALAN DAVID RODRÍGUEZ CANO

ASESORES: DR. FERMÍN PASCUAL ESPINO CORTES
ING. EDUARDO SILVA DORAY ESPINOSA

México, DF, Agosto 2010
-. . ..'-~- .,
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y.ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LOPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRIOSfA
POR LA OPCION DE TITULACION TESISCOLECTIVAy EXAMENORALINDIVIDUAL
DEBERA(N) DESARROLLAR
c.JAVIERJIMENEZMAlITÍNEZ
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"DISEÑO DE UN AISLADOR NO-CERÁMICO CON SISTEMAS~bE ATENUACIÓN DEL
CAMPO ELÉCTRICO".
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~ AISLADORES,NO CERAMICOS. .. ' :. .' , " ,

~ DISTRIBUCION DEL CAMPO ELECTRICe EN AISLADORES NO-CERAMICOS.

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~ DISENO DE SIS'FEMAS DE GRADUACION -DEL CAMPO 'EI::ECT RICO EN AISLADORES NO
CERÁMICOS. - " . ' ' ,. .
~ JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA
: . A 14 DE JUNIO DE 2010
ASESORES
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DR. FERM1N PASCUAL ESPINO CORTES
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DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. .,,' "'.1 JEFATURADE....
INGENIERIA ELEC11tICA

RESUMEN

En el presente trabajo se desarrolla una investigación sistemática que permite obtener
mediante el modelado en un paquete computacional, un diseño de aislador polimérico de
115 kV con las propiedades que permiten atenuar la alta concentración de campo eléctrico
en el extremo energizado del aislador.

Se analizan las propiedades del material polimérico aislante que pueden ayudar a controlar
la intensidad del campo eléctrico en la superficie del aislador.

Determinar dichas propiedades es un proceso que requiere del análisis de datos obtenidos a
partir del modelado del aislador en condiciones normales de operación, magnitudes y
distribución del campo eléctrico tangencial, así como del potencial eléctrico en la superficie
del aislador, indican la efectividad del material.

Se muestra como la incorporación de un anillo equipotencial, la modificación de la
permitividad eléctrica del material y la modificación de la geometría del aislador,
contribuyen a mejorar la distribución del campo eléctrico tangencial, así como hacer más
suave la caída de potencial eléctrico a lo largo de la superficie del aislador.

El modelado del aislador, se realiza empleando el paquete computacional Comsol 3.5, que
emplea el método de elemento finito, el cual es un método numérico para la aproximación
de soluciones de ecuaciones diferenciales parciales.

Los resultados muestran que la permitividad eléctrica del material y la geometría de los
faldones del aislador son determinantes para atenuar la concentración del campo eléctrico,
se necesitan valores muy altos de permitividad eléctrica para lograr resultados aceptables,
sin embargo combinándose con una adecuada geometría en los faldones, la atenuación
mejora satisfactoriamente.

AGRADECIMIENTOS

Primeramente quiero agradecer a Dios por darme la oportunidad de culminar mis estudios a
nivel Licenciatura y compartir este gozo con los míos.

A mi Padres;
Por la motivación que son para mí, porque sus consejos, críticas y demás fueron muy útiles
en mi formación profesional en los momentos más difíciles. Mi admiración a ustedes.

A mis familiares y amigos;
Por el cariño y apoyo mostrado en todo este tiempo.

A mi Asesor;
Gracias por hacerme parte de este proyecto, por su paciencia, interés y dedicación a la
ejecución del mismo y sobre todo por enseñarme que la vida es un constante aprendizaje.
Muchas gracias.

A todos y cada uno de ustedes que me apoyaron y me brindaron su confianza, me encuentro
eternamente agradecido y aquí está el resultado.

iii

ÍNDICE
Capítulo 1 Introducción ..................................................................... 1
1.1. Objetivo General .................................................................................................................................... 2
1.2. Objetivos Particulares. .......................................................................................................................... 2
1.3. Antecedentes .......................................................................................................................................... 3
1.4. Justificación .......................................................................................................................................... 9
1.5. Aportaciones ......................................................................................................................................... 11
1.6. Alcances ............................................................................................................................................... 12
1.7 Estructura del reporte .......................................................................................................................... 13

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos ..............................................14
2.1. Introducción ........................................................................................................................................ 15
2.2. Aisladores para Sistemas Eléctricos de Potencia ............................................................................... 16
2.3. Aisladores Cerámicos .......................................................................................................................... 16
2.3.1. Aislador de Soporte o Rígido ........................................................................................................ 17
2.3.2. Aislador de Cadena o Suspensión ................................................................................................. 18
2.3.2.1. Caperuza-Vástago .................................................................................................................. 21
2.3.2.2. Campana (discos) .................................................................................................................. 21
2.3.2.3. Langstab ................................................................................................................................. 22
2.3.3. Aislador de Tensión o Amarre ....................................................................................................... 23
2.3.4. Aislador Pirex ............................................................................................................................... 24
2.4. Aisladores No-Cerámicos .................................................................................................................... 25
2.4.1. Herraje Terminal ........................................................................................................................... 26
2.4.2. Varilla ............................................................................................................................................ 27
2.4.2.1. Varillas Para la Aplicación de Tensión .................................................................................. 28
2.4.2.2. Varillas Para la Aplicación de Flexión .................................................................................. 28
2.4.3. Revestimiento ................................................................................................................................ 29
2.4.4. Hidrofobicidad ..............................................................................................................................31

2.4.5. Cualidades de Resistencia al Envejecimiento ............................................................................... 32
2.4.6. Aisladores Poliméricos Para Distribución .................................................................................... 36
2.4.6.1. Aislador de Retención y Suspensión ....................................................................................... 36
2.4.6.2. Aislador Para Montaje Rígido (Tipo Line Post) .................................................................... 36
2.4.6.3. Aislador para Montaje Rígido (Tipo Pin) .............................................................................. 37
2.4.7. Manual de Manipulación Para Aisladores Poliméricos ............................................................... 38
2.4.7.1. Instrucciones .......................................................................................................................... 39
2.4.7.2. Recomendaciones ................................................................................................................... 39

Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-
Cerámicos .........................................................................................41
3.1. Introducción ........................................................................................................................................ 42
3.2. Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos ....................................................... 43
3.2.1. Descargas Parciales ...................................................................................................................... 43
3.2.2. Efecto Corona ............................................................................................................................... 44
3.3. Modelado de la Distribución del Campo Eléctrico a lo Largo del Aislador ...................................... 49
3.3.1. Modelado del Campo Eléctrico en Materiales Atenuadores .......................................................... 50
3.4. Anillos Equipotenciales (Anillo Corona) ............................................................................................ 54
3.5. Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos con Anillo Equipotencial ............. 55
3.6. Modelado de la Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos con Anillo
Equipotencial ............................................................................................................................................... 56

Capítulo 4 Diseño de Sistemas de Atenuación del Campo
Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos ...........................................59
4.1. Introducción ........................................................................................................................................ 60
4.2. Materiales Para la Atenuación del Campo Eléctrico ......................................................................... 61
4.2.1. Materiales de Conductividad Eléctrica No-lineal. ........................................................................ 61
4.2.2. Materiales de Alta Permitividad Eléctrica .................................................................................... 63
4.3. Modelado de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico con Alta Permitividad Eléctrica. ......... 65

4.4. Distribución del campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos Aplicando el Principio de Refracción
Dieléctrica .................................................................................................................................................... 72
4.5. Modelado de Sistemas de Atenuación del Campo Eléctrico con Refracción Dieléctrica .................. 74

Capítulo 5 Justificación Económica ...............................................81

Capítulo 6 Conclusiones y Recomendaciones Para Trabajos
Futuros ..............................................................................................86
6.1. Conclusiones ........................................................................................................................................ 87
6.2. Recomendaciones Para Trabajos Futuros .......................................................................................... 89
Referencias .................................................................................................................................................. 90

Lista de Figuras

Figura 1-1. Diseño típico de un aislador no-cerámico. .................................................................................... 5
Figura 2-1. Diferentes diseños de aislador de porcelana. ................................................................................ 17
Figura 2-2. Aislador rígido. ............................................................................................................................. 17
Figura 2-3. Elementos de un aislador de cadena. ............................................................................................ 20
Figura 2-4. Aislador de suspensión colocado en una línea de transmisión. .................................................... 20
Figura 2-5. Aislador de suspensión tipo caperuza-vástago. ............................................................................ 21
Figura 2-6. a) Aislador de suspensión tipo campana de porcelana y, b) Aislador de suspensión tipo campana
de vidrio. ........................................................................................................................................................... 22
Figura 2-7. Aislador de suspensión tipo langstab. ........................................................................................... 22
Figura 2-8. Aislador de suspensión tipo bola o rótulo. .................................................................................... 23
Figura 2-9. Aislador de tensión o amarre. ....................................................................................................... 24
Figura 2-10. Aislador en cadena de amarre .................................................................................................... 24
Figura 2-11. Elementos de un aislador compuesto. ......................................................................................... 25
Figura 2-12. Modelos típicos de herrajes terminales....................................................................................... 26
Figura 2-13. Ejemplos para dimensiones de varillas. ...................................................................................... 27
Figura 2-14. Con el uso de vidrio E-CR no hay rotura frágil. ......................................................................... 28
Figura 2-15. Corte transversal de un aislador tipo poste para líneas aéreas después del “modo de fallo no
peligroso”. ........................................................................................................................................................ 29
Figura 2-16. Uso de material para el revestimiento para aisladores compuestos > 100 kV. .......................... 30
Figura 2-17. Comportamiento hidrofílico de la superficie............................................................................... 31
Figura 2-18. Comportamiento hidrófobico de la superficie. ............................................................................ 31
Figura 2-19. Comportamiento de erosión de aisladores de hule silicón no cargados (superior) y hule silicón
enriquecida óptimamente (inferior). ................................................................................................................. 33
Figura 2-20. Efecto hidrófobico de la superficie de hule silicón sin contaminación. ..................................... 34
Figura 2-21. Efecto hidrófobico de la superficiede hule silicón con contaminación. ..................................... 34
Figura 2-22. Aislador polimérico tipo retención y/o suspensión. .................................................................... 36
Figura 2-23. Aislador polimérico tipo LP. ....................................................................................................... 37
Figura 2-24. Aislador polimérico tipo pin........................................................................................................ 37
Figura 3-1. Espectro de la radiación emitida por el efecto corona. ............................................................... 46
Figura 3-2. Aislador de 115 kV presentando efecto corona en los faldones 1 y 2. ........................................... 48
Figura 3-3. Aislador de 115 kV presentando mayor efecto corona en el faldón 1........................................... 48
Figura 3-4. Aislador de 115 kV presentando efecto corona en el faldón 1 y en el herraje principalmente. .... 48
Figura 3-5. Distribución de líneas equipotenciales en el extremo energizado de un aislador. ........................ 49
Figura 3-6. Campo eléctrico tangencial sin sistema de atenuación................................................................. 52

vii

Figura 3-7. Potencial eléctrico sin sistema de atenuación............................................................................... 53
Figura 3-8. Aisladores poliméricos con anillo equipotencial en líneas de 115 kV. .......................................... 55
Figura 3-9. Distribución de líneas equipotenciales en el extremo energizado de un aislador con anillo
equipotencial. ................................................................................................................................................... 56
Figura 3-10. Campo eléctrico tangencial con anillo equipotencial como sistema de atenuación. ................. 57
Figura 3-11. Potencial eléctrico con anillo equipotencial como sistema de atenuación. ................................ 58
Figura 4-1. Líneas equipotenciales en un ANC, con un valor de permitividad de 3. ....................................... 65
Figura 4-2. Líneas equipotenciales en un ANC, con un valor de permitividad de 10. .................................... 65
Figura 4-3. Líneas equipotenciales en un ANC, con un valor de permitividad de 20. ..................................... 66
Figura 4-4. Líneas equipotenciales en un ANC, con un valor de permitividad de 100. ................................... 66
Figura 4-5. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 3. ..... 67
Figura 4-6. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 10. .. 67
Figura 4-7. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 20. .. 68
Figura 4-8. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 100. 68
Figura 4-9. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 3. .............................................. 69
Figura 4-10. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 10 ........................................... 70
Figura 4-11. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 20. ........................................... 70
Figura 4-12. Potencial eléctrico en un ANC con un valor de permitividad de 100. ....................................... 71
Figura 4-13. Materiales con diferente permitividad situados entre 2 electrodos planos paralelos. ................ 72
Figura 4-14. Líneas equipotenciales en un ANC, modificando la geometría del primer faldón y una
permitividad de 3. ............................................................................................................................................. 74
Figura 4-15. Líneas equipotenciales en un ANC, modificando la geometría del primer faldón y una
permitividad de 10. ........................................................................................................................................... 75
Figura 4-16. Líneas equipotenciales en un ANC, modificando la geometría del primer faldón y una
permitividad de 20. ........................................................................................................................................... 75
Figura 4-17. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 3. .. 76
Figura 4-18. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 10. . 76
Figura 4-19. Campo eléctrico tangencial en la superficie del aislador con un valor de permitividad de 20. . 77
Figura 4-20. Campo eléctrico tangencial en la vecindad del punto triple. ...................................................... 78
Figura 4-21. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 3. .............................................................. 79
Figura 4-22. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 10. ............................................................ 79
Figura 4-23. Potencial eléctrico con un valor de permitividad de 20. ............................................................ 80
Figura 5-1. Hoja de características técnicas de aisladores marca Ohio-Brass. .............................................. 83

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viii

Lista de Tablas

Tabla 2-1. Comportamiento de la superficie versus material. .......................................................................... 32
Tabla 2-2. Comparación de las propiedades de las diferentes clases de hule silicón. ..................................... 35
Tabla 4-1. Valores de permitividad de materiales sólidos. ............................................................................... 64
Tabla 4-2. Valores de inicio del campo eléctrico tangencial para los diferentes valores de permitividad. ...... 78
Tabla 5-1. Presupuesto requerido para la realización del proyecto. ................................................................ 84

Glosario de Términos

Aislador: Dispositivo de material aislante empleado para soportar los conductores
eléctricos de las líneas eléctricas de transmisión y distribución.

Aislante: Material que impide la transmisión de la energía en cualquiera de sus formas.

ANC: Aislador No-Cerámico.

Anillo Equipotencial: Elemento metálico que se emplea en aisladores para reducir la
concentración del campo eléctrico y que se encuentra al mismo potencial del herraje por
estar a este mecánicamente sujeto.

ANSI: American National Standards Institute.

Atenuación de Campo Eléctrico: Reducción de la intensidad del campo eléctrico en las
zonas de mayor concentración.

ATH: Alumina Tri-Hidratada.

BaTiO3: Titanato de Bario.

Capacitancia: Razón entre la magnitud de la carga de cualquierade los conductores y la
magnitud de la diferencia de potencial entre ellos.

CE: Campo Eléctrico.

Componente Tangencial del Campo Eléctrico: Componente local del campo eléctrico
que se encuentra en dirección tangencial a la superficie del material sometido a la acción de
dicho campo.

http://enciclopedia.us.es/index.php/Aislante_el%C3%A9ctrico
http://enciclopedia.us.es/index.php/Conductor_el%C3%A9ctrico
http://enciclopedia.us.es/index.php/Conductor_el%C3%A9ctrico
http://enciclopedia.us.es/index.php?title=Transmisi%C3%B3n_de_electricidad&action=edit&redlink=1
http://enciclopedia.us.es/index.php?title=Distribuci%C3%B3n_de_electricidad&action=edit&redlink=1

Compósito: Cualquier material constituido por más de un componente.

Dieléctrico: Material que es mal conductor de la electricidad y que no permite que un
campo eléctrico lo atraviese o penetre.

Descarga Parcial (D.P.): Fenómeno de ruptura eléctrica que está confinado y localizado en
la región de un medio aislante, entre dos conductores que se encuentran a diferente
potencial. Se dice que es parcial, ya que existe un aislamiento sólido en serie y con la parte
defectuosa que evita una ruptura completa del dieléctrico.

Efecto Corona: Es la ionización del aire que rodea a los conductores de alta tensión o
incluso en la superficie de materiales aislantes sólidos con un alto campo eléctrico.

EPDM: Etrileno Propileno Dieneo Monómero.

Herraje: Elemento metálico de sujeción que se emplea para la instalación de un aislador
con la torre y con la línea.

Hidrofobicidad: Capacidad de cualquier material para repeler el agua.

HTV: Vulcanización a Alta Temperatura.

IEC: International Electrotechnical Commission.

Líneas Equipotenciales: Líneas imaginarias que unen los puntos que se encuentran al
mismo potencial eléctrico en un material dieléctrico.

LSR: Silicón Líquido.

Nano Partícula: Partícula microscópica con por lo menos una dimensión menor que 100
nano metros.

Permitividad: Medida de la facilidad de polarización de un material en un C E.

Pultrusión: Proceso productivo de conformado de materiales plásticos termo rígidos para
obtener perfiles de plástico reforzado, de forma continua, sometiendo las materias primas a
un arrastre y parado por operaciones de impregnado, conformado, curado y corte. Este
proceso se caracteriza por un buen acabado superficial.

Punto Triple: Lugar geométrico donde convergen tres materiales con diferente
permitividad.

Refracción Dieléctrica: Fenómeno en el que la componente tangencial del campo eléctrico
disminuye para ángulos menores a 90°, formados entre dos materiales dieléctricos con
diferente permitividad.

RTV: Vulcanización a Temperatura Ambiente

SiC: Carburo de Silicio

Siloxano: Vulgarmente conocido como silicón, es un compuesto que presenta una cadena
de silicio y oxígeno, semejante a los hidrocarburos lineales porque el silicio tiene cuatro
enlaces igual que el carbono. De esta forma, cada átomo de silicio está unido a cuatro
átomos de oxígeno.

Superficie Equipotencial: Lugar geométrico donde el potencial eléctrico tiene el mismo
valor numérico.

Varistor: Material cuya resistencia óhmica disminuye cuando la tensión que se le aplica
aumenta.

ZnO: Óxido de Zinc.
http://es.wikipedia.org/wiki/Termorr%C3%ADgido
http://es.wikipedia.org/wiki/Perfil
Capítulo 1 Introducción

Capítulo 1 Introducción

1.1. Objetivo General

 Proponer el diseño y propiedades del material aislante, para la atenuación del campo
eléctrico en la superficie de un aislador no cerámico, por medio de la simulación en
un paquete computacional.

1.2. Objetivos Particulares.

 Modelar la distribución del campo eléctrico (CE), en aisladores no cerámicos
(ANC‟s).
 Determinar las propiedades de materiales compuestos, que permitan obtener una
distribución más uniforme del CE en la superficie del ANC.
 Proponer un diseño de ANC con sistemas que contribuyan a la atenuación del CE.

Capítulo 1 Introducción

1.3. Antecedentes

Los aisladores no cerámicos (ANC‟s) o poliméricos fueron diseñados en los años sesenta
para remplazar a las pesadas cadenas de aisladores cerámicos en sistemas de ultra alta
tensión. Con el tiempo el interés por construir líneas de ultra alta tensión se fue perdiendo
pero no por los ANC‟s. Con la continua evolución y uso cada vez más frecuente de los
ANC‟s se han ido evidenciado ventajas adicionales a la de su bajo peso. Una de estas
ventajas es su buen desempeño en ambientes contaminados, el cual está asociado a la gran
hidrofobicidad superficial del material polimérico, la cual reduce la formación de películas
continuas de contaminante húmedo. Las películas continuas de contaminante húmedo son
el camino para pequeñas corrientes de fuga que con el tiempo pueden llegar a producir la
falla completa del aislador. Al reducirse las corrientes de fuga se reduce la probabilidad de
falla del aislador. Sin embargo, el envejecimiento de los materiales poliméricos, es decir la
pérdida gradual de sus propiedades, sigue siendo un problema que en cierta medida ha
limitado el remplazo total de los aisladores cerámicos por aisladores poliméricos.

La exposición prolongada a la contaminación y a descargas eléctricas superficiales son dos
de las causas principales del envejecimiento en los aisladores poliméricos. En el caso de las
descargas eléctricas estas son provocadas por distribución no uniforme del campo eléctrico
a lo largo del aislador o por un campo eléctrico local intenso en presencia de contaminante
húmedo. En el primer caso, la distribución del campo eléctrico es determinada por la
geometría y la distribución capacitiva a lo largo del aislador, mientras que en el segundo
caso el reforzamiento del campo eléctrico depende de la formación de bandas secas bajo
humedad y contaminación. Para reducir los problemas ocasionados por descargas
superficiales existen dos opciones: [1]; (1) reducir la intensidad del campo eléctrico en la
superficie del aislador por debajo del valor de incepción de descargas y, (2) modificar las
propiedades de los materiales, mediante la adición de rellenos inorgánicos, para resistir un
posible daño por las descargas.

Dos de los materiales compuestos que pueden ser utilizados para la atenuación del campo
eléctrico son: a) Compósitos con propiedades de varistor y b) Compósitos de alta
Capítulo 1 Introducción

permitividad. Micro-aglomerados con propiedades de varistor son producidos mediante
métodos químicos utilizando óxidos como precursores. Estos aglomerados son dispersados
en hule silicón para preparar el compósito. Para el caso de materiales compuestos de alta
permitividad, una opción es el uso del Titanato de Bario (BaTiO3) en una matriz
polimérica. Dichas formulaciones son diseñadas para obtener alta permitividad con las
menores perdidas dieléctricas posibles. El tamaño de las partículas influye
significativamente en las propiedades dieléctricas, por lo que actualmente se investiga el
uso de nano-partículas que pudieran representar algunas ventajas sobre el trabajar con
micro-partículas. El polvo cerámico es dispersado en hule silicón para elaborar el
compuesto. Para determinar las condiciones óptimas de dispersión de los rellenos
cerámicos (ya sea el polvo de alta permitividad o varistor) en la matriz de siloxano, las
soluciones se caracterizarán de la manera más completa posible. Existe aun la necesidad de
determinar si los materiales compuestos para la atenuación del campo eléctrico deben de
ser aplicados como una capa continua a lo largo de todo el aislador o si es conveniente
aplicarlos solo en secciones definidas del mismo. Se requiereproponer y probar
experimentalmente nuevos. Los resultados obtenidos durante las investigaciones que se
vayan desarrollando serán de interés para la industria eléctrica nacional, ya que al contar
con un aislador no-cerámico con mejores características y más confiable, fomentará su uso
no solo en puntos con contaminación ambiental extrema, sino en la construcción de nuevas
líneas de transmisión o en el redimensionamiento de las ya existentes, logrando un ahorro
considerable en comparacion con el uso de aisladores cerámicos o de vidrio.

La construcción típica de un aislador no-cerámico (ANC) o polimérico se muestra en la
Figura 1[2]. La cubierta polimérica tiene como objetivo principal proteger a la barra de
fibra de vidrio de la intemperie pero además proporciona una mayor distancia de fuga e
incrementa la rigidez dieléctrica bajo las condiciones ambientales como son humedad,
lluvia, contaminación etc. En aisladores no-cerámicos está cubierta es comúnmente de dos
tipos de materiales: EPDM (Etrileno Propileno Dieneo Monómero) y hule silicón. Existen
diferentes fenómenos que con el tiempo van dañando está cubierta, pero se considera que
las descargas eléctricas superficiales son una de las causas principales de deterioro.

Capítulo 1 Introducción

Las descargas superficiales son en la mayoría de los casos provocadas por una distribución
no uniforme del campo eléctrico, que se concentra en los extremos, o por intensificación
del campo eléctrico local cuando se combinan contaminación y humedad.

Herrajes
Uniones
Faldones
poliméricos

Figura 1-1. Diseño típico de un aislador no-cerámico.

Actualmente, para evitar una rápida degradación de la superficie polimérica por descargas
superficiales se recurre al uso de rellenos tales como sílica y alúmina tri-hidratada. Sin
embargo, la necesidad de mejorar aun más la resistencia a las descargas ha hecho crecer el
interés por el uso de nano compuestos en el aislamiento de sistemas eléctricos de alta
tensión. En los primeros trabajos de investigación se han registrado inconsistencias en
cuanto a las mejoras en las propiedades por lo que estos compósitos no han sido incluidos
aun en los diseños comerciales de aisladores. La discrepancia en cuanto a resultados se ha
adjudicado a que en algunos casos no se ha logrado tener una distribución uniforme del
relleno en el compósito. Es por esto que existe una gran necesidad por encontrar métodos
alternativos para obtener una mejor dispersión de las nano-partículas.

Para llegar a plantear un diseño de aislador con mejoras significativas con el uso de nano
materiales se requiere de una investigación lo más completa posible. Sin embargo, el
incrementar solo la resistencia a las descargas parciales no es suficiente, también se
requiere evitarlas. El uso de materiales atenuadores del campo eléctrico representa una
Capítulo 1 Introducción

solución complementaria que, junto con el incremento de la resistencia a descargas
superficiales, servirá para obtener diseños de aisladores lo suficientemente confiables.
Ambas soluciones requieren de un trabajo considerable por lo que para poder obtener
avances importantes en un tiempo razonable se requiere del trabajo conjunto de
investigadores con experiencia en todas las áreas de conocimiento involucradas.

Existe una búsqueda continua por realizar mejoras significativas al diseño de ANC que
lleven a generar más confianza en los usuarios de este elemento del sistema de aislamiento.
Una de las contribuciones importantes han sido los resultados obtenidos por investigadores
de Canadá, que han mostrado que la resistencia a las descargas superficiales de compuestos
de hule silicón se mejora incrementando la conductividad térmica de los materiales
[Meyer].

Los rellenos inorgánicos (sílica y ATH) utilizados en una primera fase de su investigación
fueron de tamaño micrométrico, encontrando que la conductividad térmica incrementa con
la cantidad de micro partículas, hasta un punto donde el procesamiento del compuesto lo
permite. Recientemente se han iniciado investigaciones en el uso de nano partículas
mezcladas con micro partículas encontrando resultados prometedores.

Por otro lado, existe poco trabajo enfocado a la investigación y desarrollo de nano y micro
compuestos que puedan ser utilizados para atenuar el campo eléctrico en las superficie del
aislador. Esta alternativa se enfoca en reducir la intensidad de campo eléctrico en la
superficie del aislador.

Aunque el concepto de atenuación del campo eléctrico con materiales compuestos es una
técnica bien conocida en terminales de cables y bobinas de mediana tensión [3,4], este
concepto no ha llegado a ser aplicado todavía en aisladores o boquillas con cubiertas
poliméricas donde las propiedades requeridas son diferentes.

El uso de compósitos con alta permitividad, basados en materiales ferroeléctricos, se ha
considerado como una buena opción para el control del campo eléctrico en aisladores. Los
Capítulo 1 Introducción

materiales ferroeléctricos exhiben una muy alta permitividad por lo que se considera que
con la adición de este relleno en cantidades que no comprometan el moldeado y las
propiedades mecánicas del compósito se pueden obtener buenos resultados. Uno de estos
materiales es el Titanato de Bario (BaTiO3) [5]. El BaTiO3 es un material ferroeléctrico
bien conocido que puede llegar a tener un valor de permitividad relativa de alrededor de
6000 para partículas del orden de 1 μm de tamaño, reduciéndose a 1500 – 2000 para
partículas más grandes [6]. El dopaje del BaTiO3, con diferentes elementos, es utilizado
para modificar sus propiedades dieléctricas [6,7]. El dopaje se obtiene usualmente mediante
un proceso de difusión térmica en un horno con lo cual se pueden modificar la permitividad
relativa y las perdidas dieléctricas del BaTiO3. Se han reportado valores de permitividad de
hasta del orden de 10
5
en BaTiO3 dopado [6,7,8], aunque muy probablemente con pérdidas
dieléctricas considerables. En el caso de atenuación del campo eléctrico, a diferencia de
otras aplicaciones, ciertas pérdidas dieléctricas pueden ser aceptables. Modificando el
dopaje del BaTiO3 se puede llegar a obtener materiales compuestos con características
interesantes para ser usados en el control del campo eléctrico. Un trabajo realizado en la
Universidad de Waterloo [5], demostró que incrementando la permitividad relativa de un
compuesto de hule silicón con BaTiO3 se puede reducir la intensidad del campo eléctrico en
la superficie del aislador. No obstante, debido a que el valor máximo de permitividad
relativa obtenido sin incrementar considerablemente la fracción volumétrica de relleno o las
pérdidas dieléctricas fue de 15, no se obtuvo una reducción significativa. El material
utilizado no fue dopado por lo que la opción de modificar las propiedades del polvo, previo
a la producción del compósito, requiere de ser investigada.

Otro tipo de material compuesto que ha sido propuesto para el control del campo eléctrico
en aisladores es el oxido de zinc como varistor [9]. Micro-aglomerados con propiedades de
varistor, basados en ZnO, son actualmente utilizados en compuestos poliméricos en
terminales de cables de mediana tensión. El material varistor de ZnO se caracteriza por
tener una marcada dependencia de su conductividad eléctrica con la intensidad del campo
eléctrico. Este material se comporta como aislante para una baja tensión o campo eléctrico,
pero comienza a conducir a cierto valor. Esta característica fue descubierta por Matsuoka
[10] en los años setenta. Varistores de ZnO han sido ampliamente usados para estabilizar la
Capítulo 1 Introducción

tensión y suprimir sobretensiones en circuitos electrónicos y sistemas eléctricos de potencia
(apartarrayos). El oxido de zinc es el componente principal(98% Mol); sin embargo, los
aditivos (2% Mol) son una parte esencial para producir el comportamiento de varistor del
material [11]. El ZnO como varistor es usualmente preparado con polvo de ZnO mezclado
con los aditivos en agua, entonces la solución es molida para obtener el tamaño de
partículas requerido. El material es entonces secado al vacío para obtener aglomerados de la
mezcla que se comprimen para formar discos o tabletas. Estos comprimidos son
sinterizados en un horno a temperaturas de 973 a 1173 K. Durante este último proceso, los
granos de ZnO son rodeados por capas delgadas de óxidos de los aditivos, formando una
capa aislante en las fronteras de los granos [12]. La fronteras aislantes que se forman son
barreras de potencial que requieren de una tensión de aproximadamente 3V entre granos
para que, por efecto túnel, electrones puedan cruzarla incrementando rápidamente la
conductividad del material.

El uso de materiales compuestos con ZnO como varistor en aisladores requiere de un
trabajo extenso, pues hasta ahora solo se han discutido las posibles ventajas del uso de este
material, pero no se han realizado una investigación sistemática que verifique su viabilidad
en aisladores para sistemas eléctricos de potencia.

Capítulo 1 Introducción

1.4. Justificación

Las salidas de líneas de transmisión y distribución pertenecientes al sistema eléctrico
nacional de nuestro país, tienen como una de sus principales causas la falla del sistema de
aislamiento, el cual se encuentra conformado por el conjunto de aisladores con sus
respectivos accesorios.

La ruptura eléctrica en la superficie de aisladores, muchas veces facilitada por la
contaminación ambiental, se ha reportado como una causa común de interrupción del
servicio eléctrico. Las compañías de transmisión de energía eléctrica, en busca de reducir
las salidas de su sistema y las grandes pérdidas económicas asociadas a ello, han tomado
como alternativa el cambio de los aisladores cerámicos o de vidrio por aisladores no-
cerámicos o poliméricos. El uso creciente de ANC‟s ha llevado a que en países como
Estados Unidos ya no se fabrique aisladores cerámicos o de vidrio, y solo existan
fabricantes de aisladores poliméricos.

Aunque con ANC‟s se ha mejorado la continuidad del servicio en algunos puntos
determinados de nuestro sistema eléctrico, se han llegado a tener problemas con estos
aisladores, que evidencian la necesidad de producir mejoras a esta tecnología. El trabajo de
investigación propuesto resulta oportuno y original ya que con el auge de la
nanotecnología, existe bastante interés por los fabricantes de aisladores en utilizar
materiales nano-compuestos, para producir mejoras en sus productos.

Los trabajos relacionados con el uso de nano-compuestos en ANC‟s, se han concentrado en
mejorar la resistencia a las descargas superficiales; sin embargo esto no es suficiente para
un óptimo desempeño del mismo, en cuanto no se logre disminuir la concentración de
campo eléctrico en determinadas zonas del aislador.

Los ANC‟s proporcionan diversas ventajas respecto a los aisladores cerámicos, sin embargo
aún no se ha podido reemplazar al 100% estos últimos. Lo anterior se debe a que con los
aisladores cerámicos se tiene una larga experiencia y en muchas ocasiones no se desea
Capítulo 1 Introducción

correr riesgos con nuevas tecnologías. Para poder entonces emplear ANC‟s con mas
confianza en su desempeño es necesario al igual que con sus antecesores, determinar diseño
y parámetros que les permitan tener un desempeño más adecuado.

Recientemente la Comisión Federal de Electricidad (CFE), elaboró una especificación para
aisladores no cerámicos, basada en los requerimientos de prueba establecidos por la norma,
IEC1109, en adición a algunos criterios dimensionales (longitud, distancia de fuga, valores
dieléctricos y mecánicos, etc.) que deben tomarse en cuenta.

Capítulo 1 Introducción

1.5. Aportaciones

Se presenta un modelo de aislador no cerámico, en el cual mediante la aplicación de
sistemas de atenuación combinados, se busca una mejor distribución del campo eléctrico en
toda la longitud del aislador. De acuerdo a los datos analizados, el uso del anillo
equipotencial mejora la distribución del campo eléctrico. Por otro lado, el modificar las
características de los materiales compuestos para lograr valores altos de permitividad, es
buena opción, pero ésta por sí sola no representa gran mejoría, debido a los valores bajos
que se pueden conseguir actualmente y por último al modificar la geometría del aislador,
también se obtiene una mínima mejoría.

Los resultados analizados individualmente, muestran en general una mínima mejoría, sin
embargo haciendo combinaciones con las opciones antes mencionadas, se puede lograr una
distribución de esfuerzos eléctricos en el aislador aceptable y así lograr una mayor vida útil
sin el uso de accesorios extras. Esto es de interés ya que en la actualidad existe una
tendencia de sustituir los aisladores cerámicos por no cerámicos, por lo que las deficiencias
que presentan los aisladores poliméricos deberán reducirse y quizá en un futuro cercano
eliminarse.

Capítulo 1 Introducción

1.6. Alcances

Con la presente investigación se busca contribuir en el desarrollo de sistemas para atenuar
el campo eléctrico en aisladores no cerámicos. Para este propósito se propone el uso de
materiales compuestos y la modificación del perfil del aislador. Los materiales compuestos
considerados en el trabajo fueron de alta permitividad y bajas pérdidas dieléctricas.

Las características dieléctricas de los materiales propuestos fueron utilizadas para modelar,
en un paquete computacional que utiliza el método del elemento finito, la distribución del
campo eléctrico en la superficie del aislador.

La principal contribución de este trabajo consiste en una propuesta de diseño de un aislador
polimérico que de acuerdo a los resultados de simulación reduce considerablemente los
esfuerzos eléctricos.

Para lograr lo anterior, se requiere de materiales de alta permitividad, sin embargo, esta
característica se encuentra limitada en la práctica, ya que aun no se cuenta con materiales
con la permitividad necesaria para lograr una buena atenuación del campo eléctrico. Por lo
que se recurre a la modificación del perfil del aislador aprovechando el principio de
refracción dieléctrica, con lo que se consigue una reducción del campo eléctrico más
significativa. También se analiza la instalación de un anillo equipotencial, opción con la
cual se mejora la distribución del campo eléctrico, sin embargo tiene los siguientes
inconvenientes: a) reduce la distancia de arco en seco, b) Incrementa el peso
considerablemente, c) Incrementa el precio y d) Debido a la falta de experiencia del
personal o a especificaciones poco claras se instala incorrectamente.

Capítulo 1 Introducción

1.7 Estructura del reporte

El capítulo 1 inicia con la introducción referente al origen y antecedentes de los aisladores
no cerámicos, se mencionan algunas de las ventajas por las que han ido sustituyendo a los
aisladores cerámicos, así como problemas que han presentado una vez en uso. También se
definen los materiales que actualmente están empleando para la fabricación de ANC‟s y
estudios realizados para corregir las deficiencias mostradas.

En el capítulo 2 se mencionan los diferentes tipos de aisladores utilizados en los sistemas
eléctricos de potencia, así como sus respectivas características y especificaciones.

En el capítulo 3 se realizan comparaciones de la distribución del campo eléctrico en
aisladores poliméricos sin anillo y con anillo equipotencial realizadas con el simulador
Comsol 3.5 y con el paquete computacional OriginPro8, con el fin de observar la
diferencia entre estos 2 casos.

En el capítulo 4 se expone la distribución del campo eléctrico con diferentes sistemas de
atenuación, nuevamente empleando el simulador Comsol 3.5, y el paquete computacional
OriginPro 8.

En el capítulo 5 se realiza un presupuesto aproximado sobre el costo para la realización del
proyecto, por lo que los recursos utilizados fueron divididos en recursos materiales y
recursos humanos.

El capítulo 6 presenta las conclusiones derivadas de este trabajo de investigación y se
presentan recomendaciones para trabajos futuros.

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

2.1. Introducción

Los aisladores sirven de apoyo y soporte a los conductores de fase en líneas de transmisión
y distribución en sistemas eléctricos de potencia, al mismo tiempo que los mantienen
aislados de tierra.
El buen funcionamiento de una línea de transmisión depende en gran escala de su
aislamiento. En la 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 distancia de fuga sea aproximadamente el doble de la menor distancia en
aire entre puntos energizados. La necesidad de transmitir energía en grandes niveles trae
consigo la necesidad de utilizar muy altas tensiones (> 230 kV). Lo anterior junto con
problemas de contaminación, cada vez más frecuentes en las instalaciones eléctricas, trae
consigo el reto de contar con mejores aisladores [13].
Los aisladores no sólo deben tener resistencia mecánica suficiente para soportar con amplio
margen las cargas debidas al hielo y al viento que puedan razonablemente esperarse, 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 un arco eléctrico a través del contorno del aislador
debe ser evitada en todos los casos, con la sola excepción de sobretensiones por 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.

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

2.2. Aisladores para Sistemas Eléctricos de Potencia

El aislamiento de los sistemas eléctricos se diseña de forma tal que los valores de las
sobretensiones esperadas estén por debajo de su capacidad de soporte. Las sobretensiones
que determinan el nivel de aislamiento en los sistemas eléctricos a la intemperie, con
tensión de operación continua inferior a 245 kV, son las sobretensiones de corta duración a
frecuencia del sistema y las sobretensiones de frente rápido, debidos a las descargas
atmosféricas [14]. Para sistemas de más de 245 kV las sobretensiones por maniobra son
también consideradas. El tipo de aislador a usar en una aplicación determinada depende de
varios factores tales como: nivel de tensión, nivel de contaminación en el lugar de
instalación, carga mecánica etc. A continuación se describen los diferentes tipos de
aisladores utilizados en sistemas eléctricos de potencia, y aunque el presente trabajo es
fundamentalmente sobre aisladores no-cerámicos, se inicia con una descripción de los
diferentes aisladores cerámicos para poder tener un punto de comparación para los ANC‟s.

2.3. Aisladores Cerámicos

Estos aisladores se construyen con vidrio, pastas o “compound” patentadas y porcelana.
Para líneas de transmisión los aisladores de vidrio solo son recomendables si están
construidos con vidrio especial resistente al calor, tal como el Pirex. Los productos
orgánicos, incluyendo los compuestos o pasta “compound” de origen orgánico, no resisten
la acción prolongada de altas tensiones, especialmente si están expuestos a la intemperie,
por lo cual su uso queda limitado a instalaciones de baja tensión al interior de edificios
[14].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

Figura 2-1. Diferentes diseños de aislador de porcelana. [14]

2.3.1. Aislador de Soporte o Rígido

Estos aisladores se construyen para tensiones de arco hasta 200 kV a 60 Hz, si bien es raro
usarlos para tensiones de arco superiores a 180 kV (tensión nominal 75 kV). Estos últimos
son equivalentes en tensión de arco, a algo menos de tres elementos de cadena de
suspensión del tipo de 5
¾
de pulgada (14.6 cm). Lo reducido del margen de aislamiento y
el riesgo de aplicar tensiones tan altas sobre un solo aislador, relativamente frágil, hace que
estos aisladores no se usen con tensiones superiores a 66 kV [15].

Figura 2-2. Aislador rígido. [15]

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

2.3.2. Aislador de Cadena o Suspensión

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.
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.
La tensión de arco por contorno en cadenas de aisladores de suspensión es 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 [16].
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 66 kV se usan de 4 a 5 unidades, para 110 kV de 7 a 8, para 132 kV de 8
a 10, para 154 kV de 9 a 11, para 220 kV de 14 a 20.
Las unidades o discos más modernos tienen una resistencia máxima de 6800 kg. El
promedio de cualquier partida de estos discos resiste generalmente una prueba a la tracción
de 6800 kg y muchas unidades alcanzan un 25% más que dicha cifra. Es probable que uno
de estos discos, bien construido, resista una carga de 4.536 a 5.400 kg durante varios días
sin fallar. Se recomienda una carga máxima de seguridad 2.270 a 2.700 kg, lo que
representa un factor de seguridad de 2 sobre el mínimo de la prueba carga-tiempo [17].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

 Este tipo de aislador es el más empleado en media y 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 se detallan en las siguientes secciones.

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

Figura 2-3. Elementos de un aislador de cadena. [17]

Figura 2-4. Aislador de suspensión colocado en una línea de transmisión. [17]

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

2.3.2.1. 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 [18].

Figura 2-5. Aislador de suspensión tipo caperuza-vástago. [18]

2.3.2.2. Campana (discos)

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. 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 [16].

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

Figura 2-6. a) Aislador de suspensión tipo campana de porcelana y, b) Aislador de suspensión tipo
campana de vidrio. [19]

2.3.2.3. 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 [14].

Figura 2-7. Aislador de suspensión tipo langstab. [20]

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

Figura 2-8. Aislador de suspensión tipo bola o rótulo. [14]

2.3.3. Aislador 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 de viento; el esfuerzo máximo que pueden resistir los
aisladores y sus herrajes debería ser equiparado al del conductor, con el fin de tener en
cuenta posibles cargas externas, superiores a las supuestas en el proyecto general. Es
común proteger las cadenas de amarre o final de línea, especialmente contra deterioro
debido a arcos, empleando dos o tres discos adicionales e instalando cuernos o anillos de
guardia.
En casos de esfuerzos muy elevados o conductores muy pesados, se disponen cadenas
dobles y triples en paralelo mediante piezas especiales (culatas) de acero (muy conocidas
por su denominación inglesa “yoke”). Se construyen piezas de esta clase para doble y triple
cadena, como accesorios o herrajes corrientes de aisladores. Para esfuerzos superiores sería
preciso un estudio especial [13,17].

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

Figura 2-9. Aislador de tensión o amarre. [13]

Figura 2-10. Aislador en cadena de amarre. [13]

2.3.4. Aislador Pirex

El aislador de suspensión de caperuza y perno con disco Pirex, emplea una aleación
metálica en sustitución del cemento. Los constructores afirman que gracias al estudio de la
distribución de esfuerzos, que solo es posible por la transparencia de semejante material, y
también por el cuidadoso tratamiento térmico, estos aisladores alcanzan esfuerzos de
tracción próximos al doble de los conseguidos con los aisladores corrientes del tipo de
caperuza y perno [13].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

2.4. Aisladores No-Cerámicos

Los aisladores compuestos fueron introducidos a finales de la década de los sesenta. La
idea básica consiste en la combinación de varios materiales que cumplen los diferentes
requerimientos en el funcionamiento del aislador. La Figura 2-11 muestra los elementos
que constituyen un aislador compuesto.

Figura 2-11. Elementos de un aislador compuesto. [21]

Los herrajes terminales son de material metálico, como acero forjado o aluminio. Para
garantizar que los aisladores cerámicos instalados en líneas de transmisión puedan ser
sustituidos fácilmente, se ha conseguido un alto grado de estandarización de los mismos
debido a que se encuentran incorporados a la estructura del aislador compuesto.

La varilla de resina reforzada con fibra de vidrio absorbe las cargas mecánicas que se
pueden presentar, como: tensión, flexión o compresión. Aunque también puede ser una
combinación de las tres cargas dependiendo de la aplicación y las variaciones de carga.

Los materiales para el revestimiento son tan diversos como los correspondientes métodos
de fabricación. No obstante, la experiencia presente en servicio ha demostrado que ciertos
materiales muestran un comportamiento óptimo [21].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

2.4.1. Herraje Terminal

En la Figura 2-12 se muestran modelos típicos de herrajes terminales. Las dimensiones
corresponden a las normas IEC 60120, IEC 60471 o IEC 61466 así como a las normas
equivalentes de ANSI [21].

Figura 2-12. Modelos típicos de herrajes terminales. [21]

Para la red de distribución, se pueden aplicar herrajes terminales de acero fundido, debido a
que se presentan fuerzas con un valor de hasta 70 kN y para fuerzas mayores se emplean
herrajes terminales de acero forjado.

Para aplicaciones especiales, como herrajes para sistemas de catenaria ferroviaria, se aplica
a menudo aluminio de fundición en coquilla de alta resistencia [21].

Los herrajes terminales de acero están galvanizados en caliente. El espesor de la
galvanización se efectúa según las recomendaciones de la IEC 60383. Bajo pedido, se
suministran mayores espesores por ejemplo, para condiciones de empleo altamente
corrosivas o aplicaciones de corriente continua [21].

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

2.4.2. Varilla

La varilla de resina reforzada con fibra de vidrio es el componente fundamental del aislador
no cerámico, tal como se aprecia en la Figura 2-11. Generalmente, es producida mediante
un proceso continuo de pultrusión, obteniéndose diferentes diámetros (Figura 2-13), los
cuales dependen de la aplicación o carga a la que vaya a estar sujeto el aislador.

Figura 2-13. Ejemplos para dimensiones de varillas. [21]

La dimensión de las fibras de vidrio es importante para la adhesión a la matriz de resina. La
matriz de resina tiene que ser formulada para aplicaciones eléctricas para garantizar una
baja absorción de humedad y cambios insignificantes de las propiedades eléctricas y
mecánicas en servicio. El alargamiento de rotura de la resina deber estar equilibrado con el
alargamiento de rotura de las fibras de vidrio para impedir fisuras y fracturas en el
momento de ser sometido a cargas mecánicas. Hoy en día, se suelen utilizar generalmente
resinas epoxi [21].

La varilla puede tener un aspecto opaco o trasparente, debido a que por diversos motivos
es necesario añadirle a la matriz de resina, algún material de relleno.

Las varillas de resina epoxi y de fibra vidrio, presentan un comportamiento en servicio muy
bueno y fiable, siempre que se lleve cuidadosamente el control de la materia prima, se
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

seleccionen exactamente los parámetros del proceso y se apliquen controles de rutina
determinados mediante estadísticas.

2.4.2.1. Varillas Para la Aplicación de Tensión

La elección de la fibra de vidrio determina la susceptibilidad de la varilla para la corrosión
de tensión electrolítica (rotura frágil). Este fenómeno se da por un ataque ácido destructivo
sobre la fibra de vidrio, seguido por un defecto mecánico del aislador cuando las restantes
fibras no son capaces de seguir soportando las cargas de tensión en servicio.
Investigaciones recientes en CIGRE e IEEE, así como las experiencias en el campo, han
demostrado que la probabilidad de una rotura frágil se reduce significativamente con el uso
de fibras devidrio especiales (con un contenido de boro reducido o bien libre de boro,
llamado vidrio E-CR) (Figura 2.14) [21].

Figura 2-14. Con el uso de vidrio E-CR no hay rotura frágil. [21]

2.4.2.2. Varillas Para la Aplicación de Flexión

Los diámetros de las varillas se eligen considerando la carga en servicio, la resistencia a la
rotura por flexión así como el movimiento admisible a carga en servicio.

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

Como ventaja del aislador tipo poste se ha revuelto el llamado “modo de fallo no peligroso”
al sobrecargar la solicitación de flexión máxima. Esto significa que un aislador compuesto
tipo poste diseñado apropiadamente no fallará a causa de una rotura completa sino
solamente por una rotura por cizallamiento interlaminar en la zona neutra de la flexión
(Figura 2-15) [21].

Este “modo de fallo no peligroso” tiene las siguientes ventajas respecto al aumento del
valor y rendimiento en comparación con aisladores tipo poste de porcelana [21]:

 Ninguna rotura relacionada con la caída inmediata del conductor
 Identificación fácil gracias al movimiento sobredimensionado
 Alta capacidad de resistencia residual del aislador sobrecargado

Figura 2-15. Corte transversal de un aislador tipo poste para
líneas aéreas después del “modo de fallo no peligroso”. [21]

2.4.3. Revestimiento

Un aislador tiene por objetivo aislar la formación de arcos eléctricos entre conductor-tierra
o conductor-conductor, dicho arco se puede producir debido a una sobretensión o por
contaminación.

Como se comento en los antecedentes, desde la introducción de los aisladores poliméricos,
se han realizado una gran cantidad de ensayos y pruebas para obtener el material dieléctrico
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

que presente las mejores propiedades para el revestimiento del núcleo de fibra de vidrio o
de resina epoxi.

Una encuesta llevada a cabo por el grupo de trabajo CIGRE [21], demostró que, en la
mayor parte de los aisladores compuestos se emplea hule silicón ( ) como material de
revestimiento, seguido del EPDM ( ), mientras que otros materiales ( ) desempeñan
un papel menos importante (Figura 2-16)

Mientras que la distancia de arco determina el comportamiento durante una sobretensión, la
geometría (de faldones) y el comportamiento con humedad en su revestimiento son los
factores decisivos del comportamiento en caso de contaminación [21].

Figura 2-16. Uso de material para el revestimiento para aisladores
compuestos > 100 kV. [22]

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

2.4.4. Hidrofobicidad

En general, los aisladores compuestos para líneas aéreas tienen menor diámetro que los
aisladores de porcelana o de vidrio. Esta diferencia en la geometría y una superficie
preferiblemente no mojada (hidrofobicidad) llevan a un comportamiento en servicio más
fiable en caso de contaminación en comparación con los aisladores convencionales. La
humectabilidad caracteriza el comportamiento de dispersión del agua y puede ser
categorizada principalmente en el estado hidrofílico (Figura 2-17) e hidrófobo (Figura 2-
18) [21].

La experiencia en servicio ha mostrado que la cualidad de hidrofobicidad es un factor
decisivo para un funcionamiento fiable en condiciones de contaminación y sin medidas de
mantenimiento preventivo.

Como referencia, se puede comparar el hule silicón con otros materiales poliméricos y no
poliméricos, dicha comparación se muestra en la siguiente Tabla:

Figura 2-17. Comportamiento hidrofílico de la
superficie. [21]

Figura 2-18. Comportamiento hidrófobico de la
superficie. [21]
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

Tabla 2-1. Comportamiento de la superficie versus material. [21]

Clases de
material de
revestimiento

Comportamiento hidrófobo de la
Superficie

Comportamiento hidrofílico de la
superficie

Nuevo

Viejo

Contaminado

Nuevo

Viejo

Contaminado

Hule silicón

Si, después de
recuperación
*

Si, después del
proceso de
transferencia
**

No, solo
temporalmente

Otros materiales
poliméricos

Vidrio/porcelana

*
La recuperación es un proceso bien documentado del hule silicón y significa que las cualidades hidrófobas
suelen volver con la reorientación de grupos metilos en la superficie de la masa del material.

**
La transferencia es la difusión de moléculas de cadenas de bajo peso molecular del hule silicón en la capa
de contaminación de la superficie del aislador. En cantidades suficientes de estas moléculas, la capa de
contaminación se vuelve hidrófoba y se comporta, en el caso ideal, como un aislador no contaminado.

2.4.5. Cualidades de Resistencia al Envejecimiento

La hidrofobicidad es considerada una de las propiedades más importantes del material de
revestimiento aislante, por lo que la formulación del material dieléctrico, la tecnología de
elaboración, y la pérdida temporal de hidrofobicidad debida a los procesos dinámicos, son
aspectos que presentan una constante optimización. Por ejemplo, se han realizado
investigaciones científicas con el objetivo de definir un método de ensayo para medir la
transferencia de propiedades hidrófobas a una capa contaminada definida [21].

Si se pierde la hidrofobicidad, un segundo “mecanismo de protección” del material contra
el envejecimiento intensivo (erosión de la masa) deberá proteger al aislador. Este
mecanismo se evalúa en particular mediante ensayos que valoran el comportamiento de
erosión y tracking (por ejemplo IEC 60587) (Figura 2-19) [21].
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

Figura 2-19. Comportamiento de erosión de aisladores de
hule silicón no cargados (superior) y hule silicón
enriquecida óptimamente (inferior). [21]

En cuanto al comportamiento de erosión y tracking, el hule silicón vulcanizado a alta
temperatura (HTV, High Temperature Vulcanizing) y enriquecido con trihidrato de
aluminio, presenta menos fallas en relación al hule silicón vulcanizado a temperatura
ambiente (RTV, Room Temperature Vulcanizing) y al hule silicón de baja viscosidad, como
el silicón vulcanizado a temperatura ambiente (RTV) o silicón líquido (LSR).

Mientras que al principio el material de relleno podía tener influencia diametral en la
dinámica de la hidrofobicidad, los materiales HTV actuales combinan de forma óptima la
resistencia excelente a la erosión y con el comportamiento de la hidrofobicidad dinámica
una rápida recuperación y un corto tiempo de transferencia (Figura 2-20 y Figura 2-21)
[21].

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

Figura 2-20. Efecto hidrófobico de la superficie
de hule silicón sin contaminación. [21]

Figura 2-21. Efecto hidrófobico de la superficie
de hule silicón con contaminación. [21]

Hoy en día, alrededor de un 95 % de aisladores se fabrican con la Tecnología HTV. El
factor decisivo es, principalmente, la mejor resistencia al envejecimiento del hule silicón.

En la Tabla 2-2 se muestra una comparación entre las tres clases de hule silicón (HTV, LSR
y RTV).

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

Tabla 2-2. Comparación de las propiedades de las diferentes clases de hule silicón. [21]

Propiedad

Hule silicón HTV*

Silicón RTV/LSR**

Viscosidad

30…45 Mooney (estable)

30000…150000 mPa
Resistencia al
envejecimiento

Tracking/Erosión Alto Medio
Resistencia a rayos UV Alto Alto
Inflamabilidad*** Alto Alto
Hidrofobicidad
Recuperación Veloz Veloz
Transferencia Veloz Veloz

* HTV = High TemperatureVulcanizing (vulcanización a alta temperatura)
**RTV = Room Temperature Vulcanizing (vulcanización a temperatura ambiente)
***Propiedad del material por ejemplo importante para el comportamiento de arco voltaico y situaciones
de fuego

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

2.4.6. Aisladores Poliméricos Para Distribución

2.4.6.1. Aislador de Retención y Suspensión

Como su nombre lo indica, este aislador se emplea habitualmente como retención o
suspensión en líneas aéreas de distribución y ocasionalmente se emplea para
seccionamiento en poste simple [22].

Figura 2-22. Aislador polimérico tipo retención y/o suspensión. [22]

2.4.6.2. Aislador para Montaje Rígido (Tipo Line Post)

Se emplea habitualmente como aislador soporte (PR) sobre crucetas de madera, hormigón o
metal. Ocasionalmente se utiliza para fijar puentes al vuelo o bajadas en subestaciones
aéreas.

Como permite la construcción de redes más compactas y estéticas, se recomienda darle una
inclinación de 12º respecto a la horizontal, ubicar el conductor en la posición lateral y
utilizar como elemento de fijación la atadura elástica suministrada [22].

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

Figura 2-23. Aislador polimérico tipo LP. [22]

2.4.6.3. Aislador Para Montaje Rígido (Tipo Pin)

Se le emplea habitualmente como aislador perno rígido en líneas de distribución de 15 kV,
en especial para conductores protegidos. Ocasionalmente se utiliza para fijar bajadas en
subestaciones y seccionamientos [22].

Figura 2-24. Aislador polimérico tipo pin. [22]

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

2.4.7. Manual de Manipulación Para Aisladores Poliméricos

Las características eléctricas y mecánicas de un aislador quedan definidas por los ensayos
de tipo que establece la normativa de aplicación y se verifican en general en el proyecto de
la línea donde será empleado mediante el cumplimiento de la norma.

En el caso de estos aisladores la norma mas empleada es la IEC 1109, y en ella se define
como ensayo de tipo eléctrico la determinación del valor de la tensión resistida a frecuencia
industrial bajo lluvia y el de la tensión critica de impulso para una sobretensión del tipo
atmosférica. Este último valor también define el nivel básico de aislación (BIL) del
sistema. En cuanto a ensayos del tipo mecánico se verifica la carga mecánica nominal
CMN (SML) en una prueba carga-tiempo.

Para el cumplimiento de estos requisitos y de acuerdo con el tipo de utilización, el
proyectista define 2 parámetros geométricos que a su vez determinaran otras características
del aislador: la distancia de arco y la distancia de pérdida o fuga.

Con este último se tienen en cuenta las condiciones particulares de la zona de instalación,
existiendo como referencias normas y recomendaciones internacionales como la IEC 815.
Idénticas consideraciones se tienen en cuenta ante la necesidad de reemplazo de un aislador
o cadena de aisladores existentes.

Sin embrago, en la vida útil y correcta prestación en servicio de un aislador polimérico, no
solo influyen la correcta elección, el diseño, calidad de materiales y cuidados en su
elaboración, sino también, y de manera fundamental, el manipuleo, estiba, traslado y
montaje de los mismos [23].

Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

2.4.7.1. Instrucciones

Embalaje

 Mantener el embalaje original cerrado y bajo techo hasta su traslado al lugar de
montaje
 Cuidar al abrir el embalaje de no dañar el revestimiento con objetos cortantes o
punzantes (cuchilla, barreta, clavos, etc.)
 Si el embalaje original fue retirado, prever un transporte adecuado que preserve
al producto de suciedad, raspaduras, cortes o esfuerzos inadecuados.

Manipulación e instalación

 Los aisladores fuera de su embalaje deben protegerse de golpes, aplastamientos,
raspaduras o cortes que pudieran dañar el revestimiento o su estructura.
 No deberán ser pisados, ni usados como apoyo de objetos o personas.
 Se los izara evitando roces y golpes con la estructura, morsetería, herramientas,
etc.

2.4.7.2. Recomendaciones

1. No es conveniente que el aislador sea removido de su embalaje hasta el momento
previo a su instalación.
2. Durante la espera de ser instalado, si el aislador ha sido retirado de su embalaje
original, debe estar apoyado en posición vertical y nunca horizontal (sobre el piso)
por riesgo a ser pisado y/o aplastado.
3. Los aisladores se deberán armar con morsetería final al pie de la torre y se elevaran
a su ubicación de amarre lo mas rígidamente evitando golpes o arrastres contra la
torre o poste.
Capítulo 2 Aisladores No-Cerámicos

4. Los aisladores de alta tensión (138 kV o mayores) no deben ser izados por ambos
extremos para evitar los daños producidos por una excesiva flexión.
5. No deberá usarse un aislador instalado como punto de anclaje, soporte de
herramientas o cinturones de seguridad.
6. Al tensionar la línea, un aislador de retención, deberá estar sujeto mediante cuñas
que lo mantengan en posición horizontal mientras dura el proceso, para evitar
esfuerzos mecánicos indeseados.
7. Ningún cable, yugo o parte de morsetería deberán apoyarse sobre las campanas del
núcleo.
8. El montador es el responsable de controlar que el mismo no tenga daño externo
visible. Un aislador que muestre signos de deterioro debe ser inmediatamente
separado o identificado como tal. No instalar.

Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores
No-Cerámicos

Capítulo 3 Distribución del Campo
Eléctrico en Aisladores
No-Cerámicos
Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores
No-Cerámicos

3.1. Introducción

En condiciones secas, la distribución de campo eléctrico en aisladores de alta tensión está
determinada por la geometría y la capacitancia a lo largo del aislador. En el caso de los
aisladores cerámicos, formados por discos de gran capacitancia, la caída de potencial es
gradual a lo largo de la cadena. Lo anterior ayuda a reducir la intensidad del campo
eléctrico en la cercanía de los extremos de la cadena. Por otro lado, en el caso de aisladores
no-cerámicos, la baja permitividad del material y su geometría continua, permiten que la
tensión cambie rápidamente desde los extremos del aislador. Esta distribución de potencial
trae consigo que el campo eléctrico en la vecindad de los herrajes alcance valores
considerablemente altos con respecto a otras secciones del aislador. Es conocido que si el
campo eléctrico local llega a alcanzar valores por encima de 30 kV/cm, se generará una
descarga eléctrica parcial que paulatinamente irá dañando la superficie del material
polimérico [24]. En un trabajo reciente se ha considerando que incluso con valores de
campo eléctrico menores, el material polimérico puede ver acelerado su envejecimiento.
[25].

Capítulo 3 Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores
No-Cerámicos

3.2. Distribución del Campo Eléctrico en Aisladores No-Cerámicos

Como se ha mencionado, los aisladores no-cerámicos presentan diversas ventajas en su
utilización, sin embargo también son susceptibles a fallas, las cuales se deben al
envejecimiento del material, lo que provoca la pérdida de sus propiedades.

En este tipo de aisladores, la exposición prolongada a la contaminación y las descargas
parciales, son las principales causas de envejecimiento.

En la presente sección, únicamente se hablará acerca del fenómeno de descargas parciales.

3.2.1. Descargas Parciales

Una descarga parcial es un fenómeno de ruptura eléctrica que está confinado y localizado
en la región de un medio aislante, entre dos conductores que se encuentran a diferente