Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos: El aislamiento en las redes de Alta Tensión

Aislamientos principales

Se distinguen los siguientes tipos de aislamiento:

aislamiento entre cada fase y tierra,
aislamiento entre contactos abiertos cuando un disyuntor o seccionador está en posición “abierto ",
Aislamiento fase a fase.

La resistencia de estos aislamientos se verifica mediante ensayos de tensión aplicada sea por impulsos, o por un período de un minuto.

Los niveles requeridos para estas tres categorías de aislamiento suele ser el mismo, pero:

a menudo se dan distancias de aislamiento entre fases de contactos superiores a las necesidades puramente dieléctricas (por ejemplo, requisitos de seguridad).
a veces se solicitan aislamientos entre “entrada – salida” de circuitos mayor que entre “fase – tierra”, especialmente si este último tiene un aislamiento reducido.

Formas de tensiones aplicadas

Curva característica de aislamiento V = f (t)

Dadas las diferentes formas de las piezas entre las cuales se aplica la tensión, el campo eléctrico en su intervalo rara vez es uniforme. Por tanto, la tensión soportada depende mucho del tiempo que es aplicada (ver fig.1). Un explosor con electrodos de puntas soporta menor tensión que un explosor con electrodos planos para la misma distancia entre electrodos de fase y tierra, pero el fenómeno se invierte para impulsos muy cortos, por lo tanto muy escarpados.

Figura 1: tensiones mantenidas por dos tipos de intervalos en función de la duración de la aplicación de la tensión

Origen de las tensiones

Las tensiones y sobretensiones aplicadas a los aislamientos tienen formas variadas dependiendo de su origen. Se distinguen:

tensión alterna normal de la red,
sobretensiones momentáneas a la frecuencia de alimentación de la red debidas a las variaciones de la configuración de la red,
sobretensiones de maniobra producidas por las conmutaciones en la red en las cuales generalmente predomina la amplitud y duran desde unos cientos a unos miles de microsegundos,
sobretensiones atmosféricas (rayos) transmitidos por las líneas, que generalmente tienen duraciones muy cortas, entre algunas unidades a pocas decenas de microsegundo, pero puede alcanzar valores muy elevados,
tensión continua debida a la carga residual de las líneas después de haber sido desconectadas, que generalmente disminuye con bastante rapidez en el tiempo (10 % cada 10 milisegundos).

Coordinación del aislamiento

No sería económico, ni siquiera posible, diseñar redes de transporte y sus equipos de tal manera que resistan todas las posibles sobretensiones. Se diseñan, por tanto, de forma prudente los puntos con aislamiento reducido para que las sobretensiones puedan circular sin causar daño, protegiendo así los órganos sensibles de la instalación.

Estos dispositivos (explosores o pararrayos autovalvulares) también deben soportar sin problemas las tensiones "normales". Ver fig. 2.

Figura 2: Coordinación de los aislamientos en una red de 400 kV

Formas de tensiones normalizadas

Para comprobar el comportamiento de los equipos a las diversas tensiones que le pueden ser aplicadas y para comparar la resistencia de estos equipos, los laboratorios deben realizar ensayos reproducibles de un equipo a otro y de un laboratorio a otro.

Por tanto, se llevan a cabo las siguientes pruebas:

Ensayos a frecuencia industrial.

Los transformadores de prueba permiten aplicar al objeto ensayado una tensión alterna que se aumenta hasta un valor establecido en el cual se mantiene durante un minuto y luego se reduce a cero. Un intervalo en el aire tiene aproximadamente 250 kV eff. por metro.

Ensayos de choque tipo rayo.

Los impulsos de tensión son principalmente producidos por un "generador de descargas" compuesto esencialmente por condensadores que se cargan en paralelo y que se descargan en serie en el objeto ensayado a través de un sistema de resistencias (ver fig. 3 y foto de cabecera). Para que esta tensión sea alcanzada, los impulsos producidos se definen por su amplitud máxima U_c, duración t_F y t_Q al final de la cual la tensión se reduce a U_c/2.

Se distinguen:

las "ondas de choque tipo rayo", con un frente escarpado (en principio t_F= 1,2 µs y t_Q= 50 µs); la resistencia del aire es aproximadamente 500 kV por metro.
las "ondas tipo maniobra" (en principio t_F= 250 µs y t_Q= 2500 µs); la resistencia del aire es de unos 400 kV por metro.

A veces se utilizan otras formas de onda en algunos casos especiales. El número de ondas de choque a aplicar en cada polaridad (+ y -) está establecida en las normas .

Combinaciones:

los ensayos a frecuencia industrial y las ondas tipo maniobra son también realizadas mientras el equipo bajo prueba se rocía con lluvia artificial, normalizada,
los aparatos de mayor tensión deben soportar ensayos donde la tensión a frecuencia industrial se aplica simultáneamente con las ondas de choque.

Figura 3: Onda de choque: esquema de principio de un generador y forma de onda

Realización de los aislamientos

Tipos de aislantes

Los aislantes más utilizados en la aparamenta de Alta Tensión son:

gases (aire y SF6),
Aceite mineral,
resinas moldeadas, a veces reforzadas por fibras o cerámicas.

Influencias sobre la rigidez dieléctrica

Las formas redondeadas de las partes en tensión reducen el campo eléctrico en su proximidad y favorecen la resistencia dieléctrica
El aumento de la presión de los gases aislantes en general aumenta su resistencia dieléctrica.
La presencia de contaminación (polvo, cuerpos extraños, grasas, etc.) reduce la resistencia dieléctrica de un tramo.
La humedad siempre es perjudicial, especialmente si las condiciones de temperatura y presión pueden producir condensación en gotitas y penetrar en los aislantes (estratificados o fibras impregnadas).

Aislamiento de los circuitos auxiliares

Los circuitos de baja tensión y los disyuntores (generalmente de 100 a 400 V c.a. y 48 a 250 V c.c.) también pueden generar ondas de sobretensiones al maniobrar en los circuitos de BT, o por inducción de otros circuitos de alta o baja tensión. Por lo tanto, deberán tener un aislamiento en consecuencia. En general, este aislamiento se comprueba mediante un ensayo a frecuencia industrial (2 kV) pero a veces, también se exigen impulsos tipo rayo (5 kV cresta); finalmente, en la instalación, a menudo se practican mediciones de aislamiento (en miles de megohmios) a aproximadamente 1 kV c.c.

En algunos casos, también se comprueba:

que las maniobras de los disyuntores no provoquen sobretensiones excesivas en las redes de BT,
que el control de los disyuntores no es sensible a las interferencias radiadas.

Envejecimiento de los aislamientos

Descargas parciales

Un aislamiento puede resistir perfectamente los ensayos de resistencia descritos anteriormente y contener, sin embargo, imperfecciones tales como: vacuolas, inclusiones o zonas no homogéneas. En el momento de la aplicación de tensión, se presentan pequeñas descargas en las proximidades de estas imperfecciones, pero el resto del aislamiento es capaz de soportar la tensión aplicada durante el tiempo del ensayo. Sin embargo, si el campo eléctrico es relativamente fuerte, estas pequeñas descargas pueden desgastar el aislamiento y degenerar en un cebado de arco completo después de unos meses o unos pocos años de servicio.

Cuando el material utiliza aislantes susceptibles de tener este tipo de defectos, es necesario detectarlos. Para ello, se detecta la corriente de alta frecuencia provocada por estas "descargas parciales" mediante aparatos que permiten medirlas (en picoculombios) y visualizarlas en un osciloscopio.

Ver posts:

¿Qué son las descargas parciales?

https://imseingenieria.blogspot.com/2019/04/que-son-las-descargas-parciales.htm

Contaminación de los aislantes

En atmósferas industriales o marinas, los aislantes pueden recibir un depósito más o menos conductor, lo que puede causar un contorneamiento eléctrico. Hay varias formas de reducir este riesgo:

prolongar la "línea de fuga" de los aisladores, es decir, el camino que va de un electrodo al otro de la porcelana, con un adecuado diseño del perfil (ver fig. 4);

Figura 4: perfil de un aislador anti-polución, punteada la línea de fuga

cubrir las porcelanas con grasa hidrófoba. Aunque esta grasa debe ser renovada periódicamente;

Figura 5: Limpieza y tratamiento de aisladores con grasa hidrófoba

lavar las porcelanas. En algunas subestaciones, este lavado se realiza en tensión, sin desconectar el servicio eléctrico.

Figura 6: limpieza de aisladores con chorro de agua a presión

Perturbaciones radiofónicas

Los puntos y ángulos afilados en tensión son el origen de pequeñas descargas a través de los primeros milímetros del aire, muy visible en oscuridad, especialmente en clima húmedo. Es el denominado "efecto corona". Estas descargas emiten interferencia electromagnética que pueden interrumpir las comunicaciones por radio.

Los ensayos permiten medir estas perturbaciones y eventualmente reducir por medio de anillos o cubiertas para-efluvios.