MONITOREO DE CORRIENTE DE FUGA A LA INTEMPERIE

EN AISLADORES DE ALTA TENSIÓN DE ELASTOMERICOS DE SILICONA

Y DE PORCELANA, EN CONDICIONES DE OPERACIÓN DE COSTA MARINA

Antonios E. Vlastós Fellow

Chalmers University of Technology
S-412 96 Gothenburg, Sweden

Tor Orbeck, Senior Member

Sediver Inc, York
South Carolina 29745, USA

RESUMEN: El comportamiento de los propiedades hidrofóbicas, las condiciones que

aisladores poliméricos bajo condiciones de conducen a la pérdida de la hidrofobicidad y
brisa y niebla salina es crucial para el diseño los mecanismos de recuperación han sido
de éstos. En este trabajo serán analizadas las tema de muchos trabajos. Un listado de
corrientes de fuga de aisladores en literatura al respecto se encuentra en anexo
compuestos elastoméricos de silicona, (1).
monitoreados durante dos severas tormentas
salinas en la costa oeste de Suecia. Los Las condiciones ambientales y de servicio
resultados muestran que una reducción de la para un aislador varían considerablemente de
distancia de fuga en unidades de aisladores acuerdo a la ubicación y al tiempo. Bajo
elastoméricos de silicona causa una condiciones severas la corriente de fuga
considerable actividad de arco en condición aumenta resultando en la formación de
seca. bandas secas en la superficie de los
aisladores seguidas por descargas y
1.- INTRODUCCION formación de arcos que pueden causar
degradación de las propiedades de la
La experiencia en el servicio ha mostrado que superficie de los aislantes y puede aumentar
los aisladores a la intemperie expuestos a la probabilidad de descargas puntuales o
contaminación y a la lluvia, niebla y arco por cortocircuito.
condensación desarrollan fugas de corriente.
Pronto se descubrió que los aisladores de
cerámica con una delgada capa de La degradación de las propiedades aislantes
elastómero de silicona dieron excelentes en superficies húmedas de materiales
resultados en servicios expuestos a la estables o inertes tales como porcelana y
contaminación. Se encontró que la ventaja de vidrio pueden ser explicadas por la
la superficie de silicona es su habilidad para acumulación de contaminantes en la
transmitir propiedades hidrofóbicas a los superficie del vitrificado. Sin embargo, la
depósitos de agentes contaminantes en la degradación de las propiedades de la
superficie aislante que retiene o limita la superficie de aisladores poliméricos es una
corriente de fuga. La transmisión de las combinación más compleja de la erosión de
superficie y los cambios en la química de la

1
superficie polimérica causada por efecto de instaladas en sistemas de líneas de voltaje de
descarga y agentes contaminantes. El 220 kV (130 Kv fase a tierra) donde una gran
desarrollo de descargas en condición seca y cantidad de unidades es evaluada. Una de las
la formación de arcos no sólo dependen del unidades de aisladores elastoméricos de
stress de voltaje superficial, los diseños de silicona ha estado en la línea desde 1987 y la
aisladores y las condiciones de información de corriente de fuga en este
contaminación, sino también dependen ensayo fue recogida durante dos severas
mucho de la habilidad de los polímeros de tormentas salinas en 1993.
retener o limitar las corrientes en condición
de “bandas secas”.
2.- SISTEMA DE ADQUISICION DE
Para optimizar el diseño y los materiales de INFORMACION
los aisladores, es necesario estudiar la
corriente de fuga y el desarrollo de La capacidad total de la línea de prueba es de
“corrientes a través de bandas secas” en veinte aisladores en el lado AC. Todas al s
muestras reales y completas de aisladores a unidades son monitoreadas por un sistema
escala real. Tales estudios han sido de adquisición de datos digital.
conducidos en laboratorios con pruebas
simulando las condiciones específicas de Los datos que son registrados en el
contaminación experimentadas en servicio. computador de Anneberg y guardados en el
(2). Los métodos existentes para tales computador principal ubicado en el
pruebas de envejecimiento de aisladores laboratorio de Alto Voltaje de Chalmers.
poliméricos, incluyen la exposición a largo
plazo a descargas y formación de arcos bajo Entre el aislador y la torre se instala un
condiciones de humedad. El ciclo de aislador de vidrio del tipo cap-pin adicional
exposición a envejecimiento, y las para permitir la medición de la corriente de
condiciones de arco de descarga superficial fuga. La corriente es conducida a través de
artificial, tienen que ser representativas de un cable coaxial a lo largo de la torre. En
las condiciones de servicio para el aislador caso de arco la descarga de corriente pasa a
polimérico en un sistema de potencia través de pararrayo que registra el arco.
específico donde los aisladores deben ser
instalados. Es por esto necesario primero El sistema de medición de corriente de fuga
hacer estudios conducidos a la intemperie de es protegido por un tubo de descarga, una
corrientes de fuga y de condiciones de combinación entre una resistencia y una
descarga de “banda seca”, en aisladores de inductancia en una caja montada en el poste
tamaño real expuestos a la contaminación de la torre y por la capacitancia del cable
natural, antes de seleccionar el ciclo de coaxial.
envejecimiento en laboratorio.
La inductancia y la capacitancia del cable
La universidad “ Chalmers University of actúan como un filtro de paso bajo y reduce
Technology” en Suecia ha establecido una la frecuencia de la señal transmitida a cerca
subestación de prueba en Anneberg en la de 40 khz. En el otro extremo del cable de
costa oeste de Suecia para evaluar el salida un diodo Zener es usado para reducir
comportamiento de aisladores poliméricos eventuales surgimientos de sobrevoltaje.
bajo condiciones costeras. Los resultados de
tales estudios han sido reportados Los detectores están diseñados para medir el
anteriormente, ver (3-5). El presente trabajo peak del pulso y consisten en cuatro partes:
muestra información sobre corrientes de fuga un emisor seguidor, un comparador, un
en aisladores poliméricos con una cubierta de circuito de control lógico y un circuito de
elastómero de silicona. La porcelana sola y la prueba y resultado (S/H). El voltaje de
porcelana revestida en material elastomérico entrada es comparado al voltaje retenido en
de silicona “RTV” son usadas como unidades el circuito S/H. Esto significa que la amplitud
de referencia. Las unidades de pruebas son de pulso registrada corresponde al valor más

2
alto de peak de pulso que ha llegado al unidad 7 tiene una distancia de fuga mucho
detector durante el intervalo de muestra. más reducida. Sin embargo, debido a que los
aisladores 2 y 7 están hechos con la misma
La salida de los detectores de corrientes de cubierta elastomérica de silicona vulcanizada
fuga, el medidor de voltaje para la fuente de a altas temperaturas (HTV) es importante ver
corriente alterna y los instrumentos si el aislador elastomérico con mayor tensión
meteorológicos (velocidad y dirección del se comporta diferente a la unidad con una
viento, presión del aire y lluvias) es distancia de fuga más larga. El aislador 9
registrado por un scanner de entrada de 100 tiene una película de elastomérico de silicona
canales controlados por la estación de vulcanizada a temperatura ambiente (RTV)
trabajo. La frecuencia de registro es de 0,5 mm sobre la porcelana.
alrededor de 30 hz y todos los canales son
registrados en un tiempo de cerca de 10 La figura 1 muestra el comportamiento típico
segundos. La estación de trabajo consiste en en condición seca de los aisladores de
un sistema multi tareas Unix. El programa de cerámica durante condiciones de tormenta
medición está escrito en Basic/Unix. La tasa salina. Las corrientes medidas en la unidad
de registro de la información es determinada de porcelana están relacionadas con los
por los valores máximos de los pulsos de depósitos de sal al momento de la medición y
corrientes de fuga. Los datos son guardados no son resultado de acumulación de
como voltajes en un archivo que es partículas de largos períodos en el aislador.
actualizado cada 24 horas. Desde Anneberg Las condiciones climáticas en la costa oeste
los datos guardados son transmitidos a de Suecia incluyen lluvias frecuentes y la
Chalmers a través de una línea de limpieza natural de los aisladores entre
telecomunicación una vez al día y son tormentas salinas.
guardados en cintas y discos magnéticos. El
sistema receptor también está basado en
Unix y tanto el procesamiento de datos
como la presentación gráfica de los datos
son realizadas por dos programas AC 2 7 8 9
comerciales de procesamiento de datos. Los
programas permiten una documentación Número de 1 4 1 1
completa de los datos y su presentación tramos
gráfica, y el procesamiento estadístico y Largo total 1398 162 136 1465
(mm) 4 0
matemático de los datos. Distancia entre 990 948 115 1290
los herrajes 2
(mm)
3.- RESULTADOS DE CORRIENTES DE FUGA Distancia de 1055 113 124 1341
arco (mm) 6 6
La tabla 1 muestra los datos técnicos de Distancia de 3590 224 391 3700
cuatro aisladores distintos incluidos en este fuga (mm) 4 0
estudio energizados con AC. Los aisladores 2 Número total 15/14 24 24 18/17
y 8 fueron instalados en Diciembre de 1987, de campanas
el 9 en Enero de 1989 y el 7 en Abril de (grandes/chica
1991, todos los aisladores tienen sellos de s)
corona. Distancia entre 35 45 46 30/39
campanas
(mm)
Podemos hacer una comparación relativa Diámetro de 170/130 97 202 175/145
entre la información de corrientes de fuga campanas
para aisladores hechos con diferentes (mm)
materiales con aisladores de similar distancia Diámetro del 41 29 75 75
de fuga. La tabla 2 muestra que los eje (mm)
aisladores 2, 8 y 9 son similares, pero la

3
Tabla 1 Datos de diseño para los diferentes Curva inferior en cada gráfico corresponde a
aisladores de este estudio. la corriente de fuga.
Aislador 2 y 7 son hechos con la misma
cubierta de componente elastomérico de Gráfica a.- período 19-22 de Enero 1993
silicona HTV. El aislador 8 es un cuerpo de Gráfica b.- período 19-22 Marzo de 1993.
porcelana y el 9 es un aislador con cuerpo de
porcelana con una cubierta de componente
elastomérico de silicona de 0,5 mm de
espesor.

Figura 2. Corrientes de fuga medida en la

unidad 9, aislador de porcelana cubierto con
compuesto elastomérico de silicona RTV,
durante condiciones de tormenta salina.
Distancia de fuga total de 3700mm
(28,5mm/kv). Curva superior: humedad
relativa. Curva inferior corresponde a
corrientes de fuga.

Figura 1. (compuestas por las 2 figuras a y a.- período 19-22 Enero 1993 b.-
b anteriores) Período 19-22 Marzo 1993
Las corrientes de fuga medidas en la unidad
8 de porcelana durante condiciones de
tormenta salina. Distancia de cresta de 3910 La figura 2 muestra muy baja corriente en
mm (30mm/kV). Curve en la gráfica la unidad recubierta con compuestos
superior corresponde a la humedad relativa. elastoméricos de silicona RTV, la cual
mantiene alta resistencia de superficie

4
durante las dos tormentas salinas. Esta
observación es muy importante ya que en los
experimentos artificiales, las condiciones de La figura 3 muestra las corrientes de fuga
aceleración reducen significativamente la en el aislador de componente elastomérico de
resistencia de la superficie en el aislador de silicona 2 hecho con cubierta de elastomérico
compuesto elastomérico de silicona. Tales de silicona HTV. La distancia de fuga para
condiciones parecen no ser tan significativas esta unidad es similar al valor del aislador de
para el comportamiento de los aisladores de porcelana 8.
elastómeros de silicona bajo condiciones de
servicios actuales.
Los valores de corriente máxima para esta
unidad son muy bajos, indicando una alta
resistencia a la superficie continua para la
superficie de silicona durante las condiciones
de tormenta salina. Los registros desde 1987
hasta fines de 1994 muestran que los valores
de corriente de fuga para el aislador 2
permanecen bajos durante todas las
condiciones climáticas.

Figura 3 . Las corrientes de fuga medidas en

el aislador de la unidad 2 con cubierta de
elastomérico de silicona HTV durante
condiciones de tormenta salina. La distancia
de cresta de 3590 mm (27.5mm/kv). Trazo
superior: humedad relativa. Trazo inferior:
corriente de fuga.

a.- Período 19-22 de Enero de 1993. b.-

Período 19-22 de Marzo de 1993.

5
 la costa oeste de Suecia, no debería ser
Figura 4.- Las corrientes de fuga medida en expuesto a corrientes en condición seca
el aislador de la unidad 7 con cubierta de prolongadas y a descargas a niveles que
elastomérico de silicona HTV durante excedan algunos mA.
condiciones de tormenta salina. La distancia
de cresta 2244 mm (37% más corto del Ya que una prueba general de
aislador 2) (17.3mm/kv) trazo superior: envejecimiento artificial no puede ser
humedad relativa, trazo inferior: corriente de diseñada para cubrir todas las condiciones de
fuga. servicio del aislador, cada procedimiento de
prueba relacionado a un sistema de potencia
a.- Período 19-22 Enero de 1993. específico debe estar basado en información
b.- Período 19-22 Marzo de 1993. recogida a la intemperie y conducir a
resultados que están en acuerdo con aquella
información obtenida bajo condiciones reales
Figura 4.- Es interesante observar en la de operación.
figura 4 que el aislador con la misma
cubierta de compuesto elastomérico de 5.- AGRADECIMIENTOS
silicona pero con un diseño muy diferente y
stress eléctrico mayor muestra una El trabajo fue llevado a cabo principalmente
resistencia de superficie reducida y una en la estación de trabajo de Anneberg del
actividad de “banda seca” considerable. Departamento de Ingeniería en Alto Voltaje
de la Universidad Tecnológica de Chalmers.
4.- DISCUCIÓN DE LOS RESULTADOS El autor desea expresar su agradecimiento al
Swedish National Board para el desarrollo
En este estudio el aislador 2 de componente industrial y técnico Valtenfall, Swedish
elastomérico de silicona HTV (hot National Grid, Swedish Power Association
temperature vulcanizing) con una distancia Development Foundation, ABB Corporate
de fuga de 27.6 mm por KV mostró una Research y ELSAM por su apoyo financiero
resistencia de superficie alta continuada con para la totalidad del proyecto. Deseamos
corrientes de fuga máximas que no agradecer a Mats Sjoberg y Torbjorn Sorqvist
sobrepasaron los 2 mA. Por otro lado la por su excelente trabajo con el sistema de
segunda unidad de aislador HTV solo con adquisición de datos y la presentación gráfica
17.3 mm/kV de distancia de fuga excedió de de los resultados y a Maj-Britt Schonbeck por
25 mA lo cual coincide con los valores de su apoyo en él tipeo del manuscrito.
pulso de corrientes máximos tomados en el
aislador de porcelana que tenía 30 mm/kv.
REFERENCIAS
El estudio muestra que por las condiciones de
servicios encontradas en la costa oeste de (1) S.R. Gorur y T. Orbeck, “ Comportamiento
Suecia, el aislador 2 de compuesto Dieléctrico de la Superficie de Aislamiento
elastomérico de silicona HTV mantuvo alta polimérica bajo condiciones a la intemperie
resistencia incluso bajo condiciones severas HV” IEEE Trans. Aislamiento Eléctrica. Vol 26.
de tormentas salinas. La unidad no desarrolla pp 1064- 1072 1991.
actividad de “banda seca” continua y la
unidad después de 7 años de exposición de (2) H.M. Schneider, W.W. Guidi, J.T.
alto voltaje a la intemperie, no mostró Burnham, R.S. Gorur y J.F Hall. “
degradación o erosión. Las condiciones de Envejecimiento acelerado y Pruebas de
servicio en la costa oeste de Suecia son las destello en Aislantes post línea no-cerámica
más severas del país. Una evaluación de la con 138kV” IEEE Trans. Entrega de Poder,
estabilidad a largo plazo del aislador de vol 6, N1, pp 325-336, Enero 1993.
silicona HTV del diseño descrito en este
ensayo, predice que el aislante para el (3) A.E. Vlastós y E. Sherif. “ Experiencia con
servicio bajo las condiciones encontradas en Aisladores con sheds de silicona RTV y

6
cubiertas de sheds” IEEE Trans. Entrega de
poder, Vol 5, N. 4, pp 2030-2038, Octubre
1990.

(4) S.M. Gubanski y A.E. Vlastós, “

Wettablidity of Narrally Aged silicone Rubber
and EPDM Composite Insulators”, IEEE Trans.
Power Delivery, Vol 5, N. 3, pp 1527-1535,
Julio 1990.

(5) A.E. Vlastós and E. Sherif, “

Envejecimiento natural de los Aislantes con
compuestos de EPDM”. IEEE Trans. Power
Delivery, Vol. 5. N. 1, pp 406-414, Enero
1990.