Los conjuntos de aisladores se encuentran entre los componentes más comunes en las redes de transmisión y su calidad y rendimiento desempeñan un papel vital para garantizar un suministro eléctrico confiable. Una parte clave de esto es su comportamiento cuando se exponen a un arco de energía. Un diseño deficiente con respecto al comportamiento del arco eléctrico puede reducir significativamente la vida útil del conjunto de aisladores y aumentar la probabilidad de interrupciones en el suministro.
Existe una amplia variedad de opciones de materiales aislantes y entornos en los que se utilizan juegos de aisladores. Como tal, los diseños de los conjuntos de aisladores varían considerablemente e incluso es posible que deban adaptarse para aplicaciones específicas. Incluso las diferencias más pequeñas en el diseño pueden afectar el comportamiento del arco eléctrico de una cuerda. Las pruebas físicas son la forma más confiable de evaluar el comportamiento del arco de potencia de una cadena y, por lo tanto, las empresas de servicios públicos exigen cada vez más que los conjuntos de aisladores se sometan a pruebas de arco de potencia antes de comprometerse a instalarlos en sus redes.
Durante los últimos años, los laboratorios KEMA de Praga llevaron a cabo más de 160 pruebas de arco eléctrico en conjuntos de aisladores de diversos tipos. Estas pruebas se realizaron según IEC 61467:2008. Además de revelar los modos de falla más comunes para diferentes tipos de conjuntos de aisladores, esta descripción general aportada por Robert Jech destaca un problema potencial con la forma en que se define actualmente IEC 61467:2008. Este es un problema que podría afectar el valor que las empresas de servicios públicos obtienen de las pruebas actuales. La información obtenida de esto brindará a los fabricantes de conjuntos de aisladores información útil sobre la mejor manera de diseñar cadenas para aumentar las posibilidades de éxito por primera vez en las pruebas y, por lo tanto, reducir el tiempo y el dinero invertidos en los rediseños. También puede estimular el debate sobre la especificación del estándar para garantizar que satisfaga las necesidades de los fabricantes y de las empresas de servicios públicos por igual.
Las pruebas de arco eléctrico de los conjuntos de aisladores en KEMA se realizan de acuerdo con la norma IEC 61467:2008. Esta norma se aplica a cadenas o conjuntos de aisladores compuestos de cerámica, vidrio o materiales compuestos que se montarán en postes o torres metálicas y se utilizarán en líneas aéreas de CA con un voltaje nominal superior a 1000 V.
La norma define métodos, parámetros, circuitos, etc. para pruebas de arco eléctrico tanto en conjuntos de aisladores como en cadenas cortas. Se permiten diferentes disposiciones de prueba dentro de la norma y la elección depende de la aplicación final de los juegos de aisladores, según los requisitos del cliente. El circuito y la serie de prueba deben elegirse en función de factores como la geometría y el tipo de aislador, su posición en la línea y el tipo de torre.
Arreglos de prueba
La posición prevista de un equipo en una línea determina si se debe probar con un circuito de suministro balanceado o no balanceado y, dependiendo de los parámetros de la línea, la corriente de cortocircuito-que se usará durante la prueba. Si el conjunto de aisladores se colocará en el primer o último 5% de una línea, se debe probar con un circuito de suministro desequilibrado, mientras que los conjuntos que se ubicarán entre los puntos del 5% y el 95% de la línea requieren un circuito de suministro balanceado para la prueba. De manera similar, los conjuntos para la sección "intermedia" (es decir, del 24% al 76% de la longitud de la línea) requieren solo el 20% de la corriente nominal de cortocircuito-de la red. Los conjuntos para usar en ubicaciones entre los puntos del 5% y el 24% (o los puntos del 76% y el 95%) requieren el 50% y los conjuntos en el primer o último 5% requieren toda la corriente de cortocircuito-de la red.
Mientras tanto, el tipo de torre rige la elección de un circuito de retorno equilibrado o desequilibrado durante las pruebas. Los conjuntos que se utilizarán en la ventana de fase central de una torre requieren pruebas con un circuito de retorno balanceado (conocido como serie de pruebas X). Para posiciones exteriores en la torre o donde no hay ventana de fase central, se utiliza un circuito de retorno desequilibrado (denominado serie de prueba Y). Además, el número de pruebas a realizar depende de si el cliente pretende utilizar el mismo tipo de conjunto en toda la línea (en cuyo caso se realiza la serie de pruebas completa X o Y) o sólo en una parte de la línea. La figura. 1 muestra una disposición de prueba típica para un conjunto de cadena V-con aislador compuesto. Esta disposición de prueba comprende circuitos de suministro y retorno balanceados. La disposición que se muestra en la imagen simula una posición de conjunto de aislador entre los puntos del 5% y el 95% de la línea en la ventana de fase central de la torre.
Dependiendo del tipo de conjunto de aisladores, la norma IEC 61467:2008 también puede requerir que se someta a pruebas de verificación además de la prueba de arco eléctrico, siendo la principal la prueba de carga de falla mecánica (MFLT). Esto se realiza en las unidades de aislador para garantizar que puedan resistir fuerzas mecánicas después de aplicar un arco eléctrico. También es posible que se requiera que los conjuntos de aisladores se sometan a una prueba de descarga disruptiva de frecuencia eléctrica seca (DPFF) para garantizar que el aislador no sufra perforaciones a voltajes inferiores al voltaje de descarga disruptiva. Se pueden realizar pruebas eléctricas adicionales en los accesorios y conductores dentro del conjunto de aisladores para verificar las capacidades de resistencia.
Descripción estadística de las pruebas
A continuación se muestra el análisis de los resultados de las pruebas realizadas en 162 conjuntos de aisladores durante un período de cinco-años:
Tipos de conjuntos y componentes de aisladores
Los juegos de aisladores vienen en diferentes tipos de diseños y materiales aislantes, según la aplicación prevista. Los juegos de aisladores probados durante el período de cinco-años comprendieron:
• 92 juegos de suspensión
• 49 juegos de tensión
• 17 cuerdas en "V"
• 4 aisladores de brazo cruzado-
En términos del material aislante utilizado y el diseño del aislador, los conjuntos de aisladores probados incluyeron:
• 81 compuestos
• 34 vasos, tapa y pasador
• 12 vasos, tapa y alfiler (cuerda corta)
• 27 porcelana, varilla larga
• 8 porcelana, tapa y alfiler
Componentes críticos
Las cifras anteriores dan una indicación de la calidad de los juegos de aisladores disponibles en la actualidad y la necesidad constante de realizar pruebas antes de la instalación. Sin embargo, tal vez sea más revelador el conocimiento de los principales modos de falla de los conjuntos de aisladores. Esta información destaca áreas a las que los fabricantes deberían prestar especial atención al diseñar nuevos conjuntos de aisladores.
Conjuntos de aisladores de varilla-larga
Para los juegos de cañas largas-se identificaron tres problemas potenciales concretos. Las partes metálicas de la unidad aislante pueden ser propensas a derretirse si no se diseñan bien. Además, un mal diseño puede provocar la rotura de las casetas cercanas a estas piezas metálicas. Finalmente, el arco puede hacer que el metal se evapore del accesorio protector del aparato, provocando “encharcamientos”.
Conjuntos de aisladores compuestos
El caucho de silicona utilizado en los aisladores compuestos exhibe una alta resistencia a las pruebas de arco eléctrico. Sin embargo, el punto crítico para estos juegos es el lugar donde el núcleo de fibra de vidrio se conecta con los accesorios metálicos de los extremos.
Juegos de aisladores de tapa y pasador (vidrio o porcelana)
Los aisladores de tapa y pasador exhiben una alta resistencia mecánica después de las pruebas de arco eléctrico. Las principales áreas de preocupación para estos juegos son la posibilidad de que se rompan los cobertizos y, en el caso de los juegos de vidrio, el enfriamiento de las unidades de tapa y pasador.
Accesorios de protección: carga-Protección de accesorios de rodamientos y accesorios de dirección de arco
Las pruebas de arco eléctrico imponen una tensión mecánica y térmica mucho mayor a estos accesorios que las pruebas de cortocircuito-. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar los herrajes de protección de conjuntos aislantes de todo tipo.
También existe el riesgo de que el material de estos accesorios se funda en las unidades aislantes. También se debe tener cuidado para garantizar que los accesorios protectores no se muevan durante la formación del arco, lo que puede provocar que la raíz del arco se asiente sobre los accesorios que soportan la carga.
Accesorios de protección: anillos de corona, anillos de clasificación
Estos accesorios no están diseñados principalmente para corrientes de arco, pero influyen en la posición de la raíz del arco y en cómo se mueve. Al igual que con otros accesorios de protección, los factores de riesgo aquí incluyen el material que se funde sobre las unidades aislantes y el movimiento de los accesorios que hacen que la raíz del arco se aleje de su posición prevista. Además, los cambios en los contornos de estos accesorios pueden provocar una descarga en corona excesiva y ruido de radio.
Comportamiento del arco eléctrico durante las pruebas
La realización de las pruebas revisadas anteriormente brinda la oportunidad de estudiar de cerca el comportamiento de los powerarcs durante las pruebas. Se observaron dos comportamientos básicos distintos. En el primer caso, el arco eléctrico discurre entre los accesorios protectores diseñados para definir su trayectoria (es decir, las bocinas de arco, los anillos de arco, etc.). Este es el comportamiento previsto del arco eléctrico y significa que la mayor parte de la tensión del arco se ejerce sobre los accesorios protectores y los conjuntos de aisladores con un impacto limitado sobre el propio material aislante. Fundamentalmente, este tipo de comportamiento tiene poco impacto en la torre y los conductores.
Sin embargo, puede ocurrir un segundo comportamiento cuando el arco viaja a lo largo del conductor de línea o la torre. En este caso, el impacto en el conjunto de aisladores es mucho menor con tensiones mucho menores en los accesorios protectores y las unidades de aislador. Sin embargo, hay un impacto negativo mucho mayor en la torre o conductor que porta el arco.
Actualmente, IEC61467:2008 no especifica el comportamiento del arco durante las pruebas. Tampoco suele especificarse en los documentos de licitación para proyectos de instalación o mejora de la red. Esto podría presentar un problema real para las empresas de servicios públicos y los fabricantes de conjuntos de aisladores. Si el diseño del conjunto de aisladores hace que el arco se comporte en la segunda de las dos formas descritas anteriormente, es probable que el conjunto de aisladores pase la prueba de arco eléctrico ya que el arco no está cerca del aislador y, por lo tanto, no puede dañarlo. Sin embargo, si se utiliza un conjunto de este tipo en el campo, cualquier arco experimentado viajaría a lo largo de la torre o del conductor de línea causando daños. Además, el daño a estos componentes sería más costoso de reparar y daría lugar a interrupciones más prolongadas.
Resumen
El estudio estadístico de los resultados de las pruebas de arco eléctrico permitió identificar los puntos críticos de varios tipos de conjuntos de aisladores. Esto ofrece información valiosa para los fabricantes a la hora de diseñar nuevos conjuntos de aisladores.
Además, la experiencia adquirida con estas pruebas destacó un problema potencial con el estándar IEC 61467:2008 tal como se especifica hoy. Como la norma no especifica el comportamiento del arco durante las pruebas, podría permitir que conjuntos de aisladores potencialmente peligrosos pasen las pruebas. Esto podría dar a las empresas de servicios públicos una falsa sensación de seguridad en los conjuntos de aisladores que están comprando. Para garantizar que la norma satisfaga las necesidades de las empresas de servicios públicos, los proveedores de materiales aislantes y los fabricantes de accesorios aislantes, se debe abordar este tema. Para hacer esto, el comportamiento del arco durante las pruebas debe especificarse mediante una actualización de IEC61467:2008 o de forma rutinaria en los documentos de licitación de las empresas de servicios públicos. Este último curso requeriría que todas las empresas de servicios públicos fueran más conscientes de esta cuestión.
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