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domingo, 18 de marzo de 2018

Líneas aéreas de AT: Aisladores y herrajes (Parte 3ª)



Los aisladores son los elementos cuya finalidad consiste en fijar y aislar el conductor de la línea de apoyo que lo soporta, tienen un papel tanto mecánico como eléctrico. Al emplearse en las líneas áreas de alta tensión conductores desnudos, se precisa que los aisladores posean buenas propiedades dieléctricas ya que la misión fundamental del aislador es evitar el paso de la corriente del conductor al apoyo.

La unión de los conductores con los aisladores y de estos con los apoyos se efectúa mediante piezas metálicas denominadas herrajes. Su resistencia mecánica debe ser suficiente para que trabaje en buenas condiciones de seguridad, bajo la acción de esfuerzos que el conductor transmita al aislador. Es decir la carga de rotura del aislador ha de ser, por lo menos, igual a la del conductor que debe soportar, aplicada dicha carga en la sección de amarre del conductor al aislador.


Sección de un aislador de vidrio duro de caperuza y vástago


El reglamento (RLAT) establece que “los aisladores utilizados en líneas aéreas de alta tensión pueden ser fabricados usando materiales cerámicos (porcelana), vidrio, aislamiento compuesto de goma de silicona, poliméricos u otro material de características adecuadas a su función. Se pueden utilizar combinaciones de estos aisladores sobre algunas líneas aéreas.

Los aisladores deben ser diseñados, seleccionados y ensayados para que cumplan los requisitos eléctricos y mecánicos determinados en los parámetros de diseño de las líneas aéreas.

Los aisladores deben resistir la influencia de todas las condiciones climáticas, incluyendo las radiaciones solares. Deben resistir la polución atmosférica y ser capaces de funcionar satisfactoriamente cuando estén sujetos a las condiciones de polución”.


Aislador de porcelana o vidrio tipo suspensión/retención


Características de los aisladores de porcelana o vidrio tipo suspensión/retención

Aislador polimérico tipo supensión/retención


Características de los aisladores poliméricos tipo suspensión/amarre

Los aisladores indicados en este post son los empleados en líneas de media, alta o muy alta tensión, hechos de vidrio, cerámica o caucho silicona (composite). Los aisladores hechos de vidrio o cerámica generalmente tienen la forma acampanada con un hueco en su parte central donde se empotra un vástago o herraje utilizado para unir los diferentes aisladores en una cadena. En líneas de media y alta tensión se emplean exclusivamente los aisladores del tipo de cadena, constituidos por un número variable de aisladores acoplados según la tensión de servicio, y formando un acoplamiento articulado. Las cadenas pueden ser simples (cables de suspensión livianos), para casos de esfuerzos muy elevados o conductores muy pesados, se disponen cadenas dobles rectas (horizontales para cables de amarre y verticales para cables pesados en suspensión), dobles en V (cables de suspensión estabilizadoras) o incluso triples (admiten múltiples cables).


Cadena de amarre normal. (1.- grillete; 2.- anillo-bola; 3.- rótula: 4.- pinza para amarre.)


Cadena de suspensión normal       
Conjunto y despiece de un herraje de suspensión con rótula, para cable de aluminio-acero, para fijación a una cadena de  aisladores con vástago de tetón.


Cadena de amarre doble de aisladores y conjunto y despiece  de herraje de fijación


Cadena de suspensión en V                  
Cadena de suspensión con pinza ligera. (1.- grillete;  2.- anillo-bola; 3.- rótula; 4.- alargadera; 
5.- pinza)

Gracias a la cuidadosa fabricación del vidrio, estos aisladores alcanzan esfuerzos de tracción dobles de los conseguidos con los aisladores de porcelana.

Los aisladores no sólo deben tener resistencia mecánica suficiente para soportar con amplio margen las cargas debidas al hielo y al viento que puedan esperarse razonablemente, sino que deben ser construidos de manera que puedan resistir condiciones mecánicas muy severas, descargas atmosféricas y arcos alimentados por la corriente de servicio, sin dejar caer el conductor. La producción de arcos por contorneo del aislador debe ser evitada en todos los casos, con la sola excepción del rayo, cualesquiera 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.

Vidrio
Porcelana
Fácil detección de defectos internos (al ser el vidrio transparente).
No se pueden detectar defectos internos.
Menor sobrecalentamiento debido a los rayos solares, ya que pasan a través del aislador y no son absorbidos.
Se calientan fácilmente por la acción de los rayos solares.
Facilitan la inspección desde el suelo o en helicóptero, se observa su estado sin ningún error.
Su inspección debe ser más detallada.
No se perforan con los cambios de tensión.
Se perforan más fácilmente.
Presentan mayor resistencia a la tracción que los de porcelana.
Son menos resistentes a la tracción que los de vidrio
Mayor coeficiente de dilatación que la porcelana
Menor coeficiente de dilatación que el vidrio

Diferencias entre aisladores de vidrio y porcelana

El funcionamiento de una línea de transmisión depende en gran escala de su aislamiento. En buena práctica se requiere que la tensión de arco en seco de los aisladores completos sea de tres a cinco veces mayor que la tensión nominal de funcionamiento, y que la longitud de la línea de fuga sea aproximadamente el doble de la menor distancia entre puntos con tensiones en el aire. Las modernas orientaciones tienden hacia los límites superiores, especialmente cuando se trata de tensiones muy elevadas. Los casos especiales de nieblas salinas, polvos, o aire químicamente cargado deben ser estudiados aparte.

En la práctica, el número de 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.

Tensión nominal (kV)
765
400
220
145
110
45
20
Número de aisladores
40 - 45
20 - 24
14 - 20
10 - 12
7 - 9
4 - 6
2 - 3

Número de elementos aislantes en la cadena de aisladores según la tensión de servicio

Si se produce un arco entre dos o más elementos de una cadena de aisladores pueden resultar dañados, lo cual constituye un serio problema de mantenimiento. Por esta razón, se han dispuesto diferentes procedimientos de protección de los aisladores de forma que, en caso de que se produzca un arco, este se mantenga apartado de la cadena de aisladores.

Una medida de protección contra estas eventualidades consiste en la fijación a la grapa del cable de unos cuernos o antenas (explosores o descargadores), siendo esta protección más efectiva cuando se dispone de un doble juego de antenas situadas, respectivamente, en ambos extremos de la cadena de aisladores, tal como se aprecia en la siguiente fotografía.



Protección de una cadena de aisladores mediante un doble juego de descargadores,
situados en ambos extremos de la cadena

Este tipo de protección se considera eficaz en caso de arcos sencillos. Pero bajo el efecto de ondas de sobretensión de frente escarpado o descargas atmosféricas, el arco tiende a saltar en cascada en la cadena de aisladores, habiéndose demostrado que la separación entre antenas debe ser bastante inferior a la longitud de la cadena de aisladores. Por esta razón, la protección mediante cuernos o antenas produce una reducción de la tensión de arco o exige un aumento del número de elementos de la cadena y, por lo tanto, de la longitud de esta.

La tensión a la que se encuentran sometidos las cadenas de aisladores no se reparte por igual entre todos los elementos que la forman. La figura siguiente indica, para una cadena de doce elementos, el porcentaje de la tensión total que soporta cada elemento.


Reparto de la tensión, entre los elementos de la cadena

Se aprecia que el que se halla más próximo al conductor está sometido al 30% del voltaje total, el segundo al 20% disminuyendo hasta el 4% y el que se halla situado junto al soporte está sometido únicamente el 8% de la tensión aplicada. Este inconveniente exigiría el empleo de elementos con dimensiones distintas, para hacer frente de este modo a la desigualdad en el reparto de tensión debido a la capacidad que presentan los elementos entre sí y con respecto a tierra. Se consigue que dicho reparto sea muy uniforme empleando en los extremos de la cadena unos anillos, que tienen como objeto eliminar la capacidad de los elementos con respecto a tierra.


Reparto de la tensión, en cadenas de aisladores con anillos de uniformación


Cadenas de aisladores con anillos de uniformación

Más eficaces que las antenas resultan los anillos de protección pues, que además de conseguir un reparto más uniforme de la tensión entre los aisladores de la cadena, se ha demostrado que si el diámetro de los anillos guarda la debida proporción con la longitud de la cadena, puede evitarse totalmente la descarga en cascada entre elementos de la cadena, incluso con ondas de sobretensión de frente muy escarpado. Además, protegen al conductor cuando el arco salta desde este al apoyo o a la cruceta lo que resulta muy importante como protección de la cadena de aisladores.

Cuando existe en la línea cables de guarda, no son absolutamente necesarios los dispositivos de protección indicados anteriormente, excepto los anillos de protección, más por su misión de hacer más uniforme el reparto de tensión entre los elementos aislantes de la cadena, que como medio de protección propiamente dicho.


FUENTES:

Reglamento sobre Líneas eléctricas de alta tensión: ITC LAT 07
Endesa Distribución Eléctrica
Zoppetti: Redes eléctricas (Editorial Gustavo Gili)
Manual del Ingeniero Electricista (Editorial Labor)







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