Evitar y probar la ruptura dieléctrica

INMR Español, Mantenimiento

Ocasionalmente, las empresas de servicios eléctricos enfrentan apagones causados por la decapsulación de la tapa de porcelana & las cadenas tipo pasador, un proceso donde el cuerpo de porcelana se separa de la cabeza del aislador. El modo principal de falla en este caso es la ruptura dieléctrica, definida como una descarga disruptiva a través del cuerpo de un dieléctrico sólido y que ocasiona una pérdida permanente de la resistencia dieléctrica. Este artículo editado para INMR, escrito por el Prof. Ravi S. Gorur, entrega consejos sobre la mejor manera de probar y mitigar este riesgo.


El aislamiento principal en los aisladores cerámicos de pin y pasador lo proporciona la porcelana intercalada entre los herrajes de ajuste de los extremos. Dado que aquí la distancia interelectrodos es la más corta, esta parte del aislador está sujeta a tensiones eléctricas mucho más altas que en otras partes. La ruptura se evalúa con métodos estándares, según las normas ASTM o IEC, donde planchas delgadas del material que se somete a prueba se colocan entre electrodos esféricos y planos y se exponen a voltaje de frecuencia eléctrica. La muestra se sumerje en aceite para asegurar que cualquier descarga ocurre dentro del material y no a través de su superficie.

El valor típico de la resistencia dieléctrica de las cerámicas, que se indica en la literatura, es 15 kV/mm, un valor de interés principalmente académico ya que la mayor parte de los aisladores usan espesores en el rango de 15 a 25 mm para cada campana. Esto significa que están sujetos a tensiones eléctricas comparativamente bajas si se compara con sus resistencias dieléctricas inherentes.

Las normas requieren que la prueba de ruptura se realice como una prueba tipo en los aisladores al momento de fabricarlos. Generalmente, se requieren más de 110 kV para provocar la ruptura en un aislador nuevo mientras que, dependiendo de su posición en la cadena, el voltaje a través de cada campana varía de solo 5 a 20 kV. Entonces, ¿qué es lo que provoca la ruptura de la porcelana a tensiones eléctricas mucho más bajas que la resistencia medida cuando la porcelana es nueva?

La porcelana de calidad eléctrica se hace cociendo una mezcla heterogénea de ingredientes y, por lo tanto, contiene numerosos poros e interfaces. A pesar de que en las normas industriales existe una prueba de porosidad que se realiza en aisladores de muestra cuando se fabrican, esta prueba no entrega ninguna indicación de cómo será la condición interna luego de varios años de servicio. De hecho, se sabe que las rupturas ocurren 15 o 20 años después de que un aislador se haya puesto en servicio.

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Hay otros factores que también son responsables de la ruptura de un aislador que van más alla de los detalles de la composición y cocción durante su producción. Estos incluyen la magnitud y duración de los sobrevoltajes de 50/60 Hz, los sobrevoltajes por rayo o de maniobra, la vibración mecánica y las condiciones medioambientales. Por lo tanto, es difícil predecir si los aisladores sufrirán ruptura durante el servicio y cuándo lo harán.

Una vez que la ruptura ocurre, su trayectoria puede involucrar un canal o varios canales parcialmente conductores. Esta trayectoria avanza gradualmente y, en muchos casos, nunca cruza completamente la distancia entre la tapa y el pasador. Así, las mediciones de resistencia en estos aisladores pueden variar ampliamente. Por ejemplo, las campanas de buena porcelana tienen una resistencia interna que varía entre 1010 y 1012Ω. Por el contrario, se sabe que las campanas de porcelana defectuosa rinden valores en un rango más amplio (es decir, de 0 a 108Ω), dependiendo del grado y la naturaleza del defecto.

Desde el punto de vista del mantenimiento de las líneas vivas, se pueden tolerar incluso unas pocas unidades defectuosas en una cadena. La principal razón de esto es que ese trabajo casi siempre se realiza en condiciones climáticas favorables y también es posible evaluar el número real de unidades sanas antes de iniciar el mantenimiento. Por ejemplo, a 69 kV, el número de unidades defectuosas permitido en una cadena es uno, mientras en el caso de 765 kV, este número aumenta hasta a 10. Sin embargo, la presencia de incluso una sola unidad defectuosa puede provocar una falla catastrófica (caídas en la línea) si hubiera un arco eléctrico. La corriente subsiguiente resultante es bastante alta (varios cientos de ámperes) y su trayectoria depende de las impedancias internas (es decir, del cuerpo) y externas (es decir, de la superficie) del aislador.

En las unidades sanas, la impedancia interna es mucho más alta que en la externa. Esto hace que la corriente fluya a través de la superficie de la campana. Sin embargo, en las unidades defectuosas, la corriente se divide y parte de ella fluye dentro de la campana. Es esta corriente interna y las grandes fuerzas electromecánicas que se generan las que hacen que la porcelana se separe de la tapa. Es difícil determinar la impedancia externa porque depende de la ionización térmica (que es una función de la temperatura de arco), la humedad (por ejemplo: la humedad relativa, la lluvia, el rocío) y la contaminación. Con tantas variables involucradas, no es sorprendente que en algunas ubicaciones las cadenas con unidades defectuosas sean capaces de funcionar de manera normal, mientras que en otras, existan caídas de línea.

Esto ayuda a mantener la resistencia de los cimientos de la torre en un valor bajo (por ejemplo, al usar contrapesos) ya que la decapsulación parece ser más prevalente en las áreas con alta intensidad de rayos. Sin embargo, la fuente real de los problemas está en la calidad del cuerpo de porcelana que puede variar significativamente entre un fabricante y otro. Una prueba de impulso de frente empinado (como se sugiere en la norma IEC 61211) es una buena forma de evaluar la integridad del dieléctrico, aunque no siempre es evidente si está prueba puede o no identificar los aisladores de mala calidad cuando se fabrican. Aún así, si no se encuentra en las especificaciones del usuario, sería prudente incluir también esta prueba.

Una manera más práctica para que los usuarios solucionen el problema es la siguiente: cuando sea que haya un mantenimiento programado, retire las unidades que han estado en servicio por distintos periodos y sométalas a mediciones de resistencia, impulso de frente empinado, prueba termomecánica, etc. Luego, se puede crear una base de datos donde se enumeren los resultados junto con el proveedor y el año de fabricación. De esta manera, la empresa de servicios eléctricos puede determinar si el problema es específico del fabricante o si es más bien genérico.

Con la demanda moderna de alta confiabilidad, identificar a tiempo los asiladores con porcelana defectuosa, que están alcanzando la ruptura, se hace crítico y esto no se puede hacer solo con una inspección visual. Existen varios instrumentos adecuados para hacer esto y su sensibilidad aumenta a medida que la condición del aislador defectuoso alcanza el corto circuito. Desafortunadamente, ya que es un caso poco frecuente, es necesario contar con personal experimentado y bien capacitado para que interpreten de manera correcta los resultados de las pruebas.