Contaminación biológica en aisladores poliméricos

Aisladores, INMR Español

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Los aisladores poliméricos pueden sufrir las consecuencias de la contaminación biológica, como por ejemplo, de las algas y hongos, y estas pueden variar de leves a severas. En teoría, esto puede influir tanto en el desempeño en condiciones de contaminación a corto plazo y en las características de envejecimiento a largo plazo. Otra preocupación a tener en cuenta es que la contaminación biológica puede consumir el material de la cubierta como una fuente de alimento. También puede ocurrir que los hongos penetren el aislador, incluso sin consumir el material base.

Se ha observado contaminación biológica en ambientes calientes y húmedos, pero también en ambientes temperados y fríos. Además, se ha encontrado en aisladores de línea, terminaciones de cables, manguitos aisladores, pararrayos, interruptores automáticos y aisladores de porcelana de postes de estación recubiertos de RTV. Sin embargo, la colonización producida por la contaminación biológica no es algo inherente solo a los aisladores poliméricos y también se ha observado en aisladores de vidrio y de porcelana.

Este articulo editado para INMR, escrito por Igor Gutman, Andreas Dernfalk y Michail Yarmarkin, describe en forma general los problemas relacionados con la contaminación biológica.


Fig. 1: Ejemplos de apariencia de la contaminación biológica en aisladores poliméricos observados en distintos países (fuente: CIGRE TB)
Fig. 2: Recomendaciones de EPRI
Fig. 3: Ejemplos de contaminación biológica: A – Polimérico (Japón); B – Polimérico (Noruega); C – Polimérico (Suecia); D – Polimérico (Irlanda); E – Polimérico (Rusia); F – Polimérico (Suecia); G – Porcelana (Suecia); H – Revestimiento de RTV (Sudáfrica); I – Vidrio (Sudáfrica)

Tipos de contaminación biológica

La contaminación biológica se refiere a microorganismos que colonizan los materiales poliméricos al adherirse a la superficie y formar una biopelícula que se incrusta en una matriz hidratada de sustancias extracelulares. El contenido de agua es de 80-95 % y las células son solo una parte de la biopelícula que no se podrían haber formado sin la presencia de microorganismos. La biopelícula protege contra la desecación, los nutrientes del agua que viene en camiones, protege contra las sustancias tóxicas y su reproducción. En la literatura, las biopelículas o la contaminación biológica/orgánica se conoce como “moho” o “musgo” cuando no está claro a que grupo pertenecen. Así, el término “contaminación biológica” es un nombre genérico que implica contaminación orgánica en los aisladores, lo que concuerda con la definición de la CIGRE TB 455. Los informes de contaminación biológica en servicio revelan tres tipos diferentes:

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Algas
Estas pueden parecer una simple planta, que producen su propio alimento a partir del dióxido de carbono y el agua mediante fotosíntesis. También necesitan algunos nutrientes minerales que toman del ambiente y que se pueden encontrar en todas partes: en el mar, en el agua dulce, en las rocas y en el suelo. Se propagan con el viento, el agua y la migración de animales. Además, se multiplican bajo ciertas condiciones climáticas como la temperatura favorable, la humedad y la radiación solar.

Hongos
Los hongos son organismos multicelulares compuestos de filamentos largos tipo hebras. El cuerpo de los organismos se llama micelio y se multiplican por la emisión de esporas. Los hongos no pueden producir su propio alimento por fotosíntesis, sino que absorben los nutrientes del ambiente que los rodea.

Liquen
Estos son un grupo de plantas especiales que contienen hongos y algas que viven en simbiosis y se adhieren a las rocas, piedras y árboles, pero se pueden encontrar también en los aisladores. En este caso, las algas se dispersan en el micelio de los hongos. Los hongos toman los nutrientes de las algas, mientras que las algas solo toman el agua de los hongos. La apariencia y los tipos de contaminación biológica pueden ser bastante diferentes y algunos de ellos, que se encuentran en los aisladores, ya están identificados en la literatura. Si se consideran los datos disponibles, la contaminación biológica se considera, principalmente, como un fenómeno superficial y no penetra el material. Sin embargo, en un caso en particular, se observó una penetración de hasta 100 m y esta, probablemente, se relacionaba con la alta porosidad del material de goma de silicona específico involucrado.

Fig. 4: Vista de la parte inferior del aislador polimérico con contaminación biológica tomada con distintas ampliaciones.
Fig. 5: Colonia de hongos Exophiala que crecieron en laboratorio a partir de una muestra que se tomó de la superficie del aislador polimérico que se muestra en la Figura n.° 4.
Fig. 6: Parte de los aisladores poliméricos con contaminación biológica (vista desde la parte superior y lateral).

Reducción del desempeño en condiciones de contaminación

Las observaciones de aisladores poliméricos con contaminación biológica en campo y en laboratorio muestran que esta puede reducir parcialmente la hidrofobicidad superficial. Pero esta, normalmente, no abarca todo el aislador debido al hecho de que las áreas con sombra son las preferidas para el desarrollo de la contaminación biológica. Otra observación indica que lo más probable es que las condiciones ambientales que promueven la contaminación biológica sean ambientes limpios y húmedos (tanto con altas temperaturas como moderadas). También hay indicadores de que las ubicaciones más afectadas por la contaminación biológica no están cerca de la costa, donde el rocío del mar o la niebla de sal pueden influenciarlas de manera adversa. Sino, que las áreas donde es más probable que exista están más al interior, pero no tan distantes de los ambientes con humedad alta. También es importante que el área esté limpia, ya que, si hay contaminación industrial, la contaminación biológica no tiende a desarrollarse. Aunque no ha habido informes de arcos eléctricos en servicio debido a la contaminación biológica, una pregunta importante es cómo la reducción de la hidrofobicidad puede influenciar de manera adversa el desempeño a cortoplazo en condiciones de contaminación de los aisladores poliméricos. Por ejemplo, se realizaron comparaciones directas en los pararrayos poliméricos con contaminación biológica que se sacaron de servicio en Noruega versus un pararrayos de referencia nuevo idéntico. Una vez que llegaron al laboratorio, se hizo evidente que la hidrofobicidad se había reducido de manera significativa en los pararrayos que se habían sacado de servicio (ver la Figura n.° 7 de la derecha).

Fig. 7: Ejemplo de una evaluación de hidrofobicidad en los pararrayos antes de ser sometidos a una prueba de contaminación.(izquierda) Pararrayos de referencia nuevo; (derecha) Pararrayos idéntico con contaminación biológica sacado de servicio.

Luego, se contaminaron todos los pararrayos (cuatro de servicio y una unidad nueva de referencia) de manera artificial sin limpieza preliminar con el mismo método de inmersión y la misma suspensión de contaminación. El ESDD/NSDD del pararrayos nuevo era 0,03/0,1 mg/cm2 (estimado como el nivel de contaminación típica en el área de interés), mientras que para los pararrayos de servicio el ESDD/NSDD fue 0,04÷0,05/0,2÷0,6 mg/cm2. Así, se consideró que la diferencia en los niveles de ESDD/NSDD se relacionaba con las propiedades de la superficie. Esta claro que los pararrayos con contaminación biológica atraen más contaminación medida en ESDD y, específicamente, en términos de NSDD (es decir, probablemente, su superficie es mucho más aspera que cuando está nuevo). Después, se probaron los pararrayos en paralelo a nivel de voltaje de operación durante dos horas en una cámara climática (ver la Figura n.° 8). Los resultados de la prueba fueron los siguientes:
• Las corrientes máximas durante la prueba en todos los pararrayos estuvieron por debajo de los 30 mA, lo que está muy por debajo del modo de arco eléctrico;
• En los pararrayos con contaminación biológica, la corriente máxima durante la prueba fue levemente más alta que en el pararrayos de referencia nuevo y esto confirma que la prueba cumple con el criterio de ser representativa. Sin embargo, la diferencia entre los valores pico de la referencia y el promedio para los pararrayos contaminados biológicamente fue de solo 5 mA.

Las conclusiones de esta prueba y las observaciones de campo son:
• La contaminación biológica se ubica solo en la superficie de la goma de silicona y, en el peor caso, solo reduce la hidrofobicidad en parte del aislador: por lo general, en la parte con sombra bajo las polleras.
• El riesgo de arco eléctrico, debido a la contaminación biológica, es insignificante, ya que se sabe, gracias a las pruebas de campo, que si un aislador de goma de silicona se vuelve completamente hidrofílico, su voltaje de arco eléctrico es aún más alto que el de un aislador cerámico del mismo perfil. En el caso de los aisladores de línea, el perfil da una enorme ventaja para los aisladores poliméricos en comparación con una cadena de los aisladores de tapa & pasador. Para obtener un arco eléctrico de un aislador, la resistencia de la capa de contaminación debe ser relativamente pequeña. Sin embargo, la contaminación biológica, normalmente, se desarrolla en áreas limpias. Por lo tanto, incluso en el peor caso, el aislador será hidrofílico, pero limpio (es decir, con resistencia alta) o estará contaminado, pero sin contaminación biológica y, por lo tanto, será parcialmente hidrofóbico y con resistencia alta.

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Fig. 8: Configuración de la prueba: se probaron los cinco pararrayos en paralelo, igualmente empapados.

Reducción del desempeño por envejecimiento

El riesgo de reducción del desempeño por envejecimiento también es pequeño debido a la forma dominante de la contaminación biológica superficial que ocurre en el mundo. Por ejemplo, hasta ahora, no hay informes sobre la penetración de la contaminación biológica en el material polimérico. El nivel actual se puede caracterizar como “cambio en las propiedades superficiales”, como se muestra en la Figura n.° 9. Así, no es necesario retirar de manera rápida la contaminación biológica de los aisladores en servicio y, además, esta se puede eliminar fácilmente cuando es necesario. Por lo general, esta es una decisión que debe tomar la gerencia, principalmente, según la apariencia.

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Fig. 9: Efectos no deseados provocados por la biopelícula.

Contramedidas

Algunos proveedores de materiales y aisladores han comenzado a ver la posibilidad de usar aditivos, llamados biocidas, que eliminan los microorganismos o inhiben su reproducción. Sin embargo, se debería tener en cuenta que existe un número enorme de microorganismos diferentes en los ambientes que rodean al aislador. Por lo tanto, un biocida tiene que garantizar la efectividad en un amplio espectro, así como una larga vida útil, ya que, idealmente, los aisladores deberían operar sin necesidad de mantenimiento por 30 a 50 años. Para cumplir con este requerimiento, el biocida deberá incluirse en alta concentración, lo que a su vez puede influir en las propiedades del material original. También hay que considerar las posibles restricciones ecológicas. Sin embargo, los experimentos realizados en Rusia con biocidas antihongos fueron positivos. Se colocaron cuatro muestras de gomas de silicona diferentes con y sin relleno en placas Petri con caldo Czapek contaminado con esporas de Penicillium cyclopium o Ulocladium. Las muestras de goma de silicona con 0,5 – 5 % de biocidas en su masa se colocaron en la parte superior del caldo. Antes del inicio de la prueba, se calentaron todas las muestras a 160 °C por 15 minutos, lo que simulaba el proceso de vulcanización. Esto se hizo para asegurar que los biocidas no desaparecerían del material luego de la vulcanización. El desarrollo de los hongos tardó más de 7 semanas y, después de ese periodo, la parte periférica de las placas Petri se cubrió con una capa completa de hongos. Sin embargo, las muestras, y el espacio alrededor de ellas, estaban completamente sin hongos (ver la Figura n.° 10).

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Otra idea posible para eliminar el desarrollo de contaminación biológica se originó a partir de las pruebas de niebla salina en laboratorio. Es conocido que los microorganismos pueden generar problemas durante las pruebas de niebla salina de 1000 horas y de erosión. Por ejemplo, el análisis del agua en el estanque de suministro, si no se cambiaba, mostró concentraciones altas de microorganismos. Al inicio de la prueba de niebla salina, cuando los niveles de corriente de fuga no son altos y aún no matan los microorganismos, estos aumentan rápidamente y generan una capa hidrofílica altamente conductiva tipo jalea (es decir, biopelícula) en la superficie del aislador. Experimentalmente, se ha probado que los microorganismos se pueden eliminar al agregar un cierto volumen de iones de Cu2+. De hecho, el análisis del agua con aditivo de CuCl2 (a 12 g/m3) mostró ausencia de microorganismos. Además, su densidad fue menor a 10 colonias por cm2 si las muestras se tomaban directamente de la superficie del aislador y cuando el valor por cm2 es menor a 45 colonias, se define como “limpia”. Esta misma idea se puede utilizar contra la contaminación biológica en servicio, por ejemplo, al colocar una tira de cobre en los accesorios de la parte superior de un aislador. En condiciones de lluvia naturales, los subproductos de cobre probablemente escurrirían en la superficie del aislador y matarían cualquier microorganismo.

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Fig. 10: Muestras de goma de silicona con biocidas antihongos después de 7 semanas de la prueba en la parte superior del caldo de Czapek contaminado con esporas de Penicillium cyclopium o Ulocladium: A – sin relleno (5 % de biocida); B – sin relleno (0,5 % de biocida); C – 20 % de relleno (0,5 % de biocida); D – 60 % de relleno (0,5 % de biocida).

Eliminación de la contaminación biológica

A menudo, es una decisión de la gerencia si se limpian o no los aisladores con contaminación biológica debido, pricipalmente, a la apariencia cosmética. Esto se hace incluso aunque no se haya reducido el rendimiento eléctrico. Un procedimiento de limpieza típico incluye dos pasos: uno donde la estabilidad física de la biopelícula se debilita y el otro, donde se elimina de la superficie. Los detergentes seleccionados cuidadosamente son útiles para el primer paso, mientras que para el segundo, lo son los métodos de flushing, cepillado o algún método similar. El lavado de los aisladores energizados se tiene que hacer por medio de técnicas remotas con la distancia de seguridad mínima, que depende del nivel de voltaje y del tipo de método de limpieza utilizado. Es decir, se deben cumplir los mismos requerimientos que para un lavado de línea viva estándar.

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Se debe tener cuidado cuando se rocían los aisladores de goma de silicona contaminados con contaminación biológica. Al igual que en los aisladores limpios, la presión se deberá limitar a aquella recomendada normalmente por los fabricantes y no se deberá exceder. La Figura 11 muestra ejemplos después de realizado un lavado de alta presión. Desde otro punto de vista, en un estudio se consideró que el lavado no era eficaz, incluso a presiones altas de 3,5 bar. Esto sigue siendo una pregunta sin resolver, que requiere de más investigación y estándares. Para eliminar la contaminación, se podría considerar algún método abrasivo junto con el rocío de agua. Nuevamente, se debería hacer una prueba primero para asegurar que no se daña la superficie del aislador. Limpiar los aisladores con un trapo parece ser una contramedida eficaz dadas las características de la contaminación biológica. Las fuentes sugieren que limpiar los aisladores con un trapo después del lavado preliminar es un procedimiento eficaz. Puede que después de la limpieza queden algunos residuos. También es posible utilizar detergentes que contienen alcohol para debilitar la biopelícula y luego lavar la superficie con agua. A pesar de que este método puede lavar algunas de las especies de silicona de peso molecular bajo ubicadas en la superficie y reducir de forma temporal la hidrofobicidad, eventualmente, la goma de silicna se recuperará. Así, la pregunta de cuál es la mejor manera de limpiar los aisladores con contaminación biológica sigue abierta y requiere de más investigaciones.

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Fig. 11: Ejemplo de daño en aisladores poliméricos después del lavado a alta presión en condiciones de laboratorio. (izquierda) Obtenido accidentalmente. (derecha) Obtenido intencionalmente para simular un caso real.

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Resumen

La contaminación biológica puede aparecer en distintos tipos de aisladores (poliméricos, de pocelana y de vidrio), especialmente, en las áreas relativamente limpias con humedad alta. Se puede asumir que, debido a la mayor rugosidad superficial y a la conductividad térmica más baja, los aisladores poliméricos podrán ser más susceptibles a un fenómeno como este, en comparación con los aisladores cerámicos. Debido al creciente uso de aisladores poliméricos en áreas limpias, se han informado más casos de contaminación biológica en muchos países.
Hasta ahora, los arcos eléctricos en servicio atribuidos solo a la contaminación biológica no se han informado de manera extensa. El riesgo de reducir críticamente el rendimiento en condiciones de contaminación y envejecimiento de los aisladores poliméricos se considera bajo. Según el conocimiento actual, la contaminación biológica es, principalemte, un fenomeno que ocurre en la superficie y, por lo tanto, es fácil de eliminar con un trapo o mediante limpieza. Sin embargo, aún es necesario desarrollar algunos procedimientos óptimos estándarizados y que estos sean aceptados por la comunidad internacional.