Alta TensinUniversidad de San Carlos de GuatemalaFacultad de IngenieraAlta TensionIng. Jos Guillermo Bedoya.

TAREA #4Fenmeno de falla por contaminacin

Marco Antonio Recinos RamosCarnet: 2012-12552

Guatemala 03 de marzo de 2015

Fallas en aisladores contaminados.

La contaminacin puede reducir significativamente, el voltaje al cual se produce el arqueo que saca de servicio a la lnea (medido como voltaje de potencia a la frecuencia nominal) conduciendo a cortes de energa no planeados y disminuyendo la confiabilidad del sistema, el proceso de arqueo (siendo el que descarga la lnea) es un proceso complicado que ocurre a travs de diferentes fases a saber, la formacin de la capa contaminante, el incremento de la corriente de fuga, la formacin de la banda seca, generacin de los arcos parciales y si las condiciones son favorables, el arqueo y la salida de servicio de la lnea de transmisin.

El flameo en aisladores debido a la contaminacin, es un fenmeno dinmico que se presenta en varias etapas, estas pueden resumirse en los siguientes pasos:

Formacin de la capa contaminante Humedecimiento de la capa contaminante Secado de la capa contaminante Formacin de las bandas secas Descarga a travs de las bandas secas Descarga parcial (arco) Flameo del aislador

Formacin de la capa contaminante

Los problemas de contaminacin en aisladores ocurren cuando el medio que las rodea lleva diversas sustancias, especialmente salinas e industriales, estas sustancias se depositan sobre los aisladores creando una capa que en condiciones secas no causan mayor problema. el depsito de contaminante es gobernado por la interaccin de varias fuerzas que actan simultneamente ( gravitacional, elctrica, viento), el componente conductor de los contaminantes influye en el voltaje de arqueo (flashover) del aislador proveyendo en condiciones hmedas, una cubierta conductiva en la superficie del aislador, el componente inerte por otro lado, es la porcin de materia slida que no se disuelve; la humedad es entregada por la naturaleza a travs de los mecanismos de condensacin y roci, la condensacin representa un proceso lento de humedad durante el cual los contaminantes conductivos se pueden disolver completamente, este proceso a menudo se produce bajo condiciones de niebla o roci en las horas de la maana, la bruma y llovizna pueden causar el mismo efecto.

La superficie del aislador suele ser un factor muy importante, debido a que se ha encontrado que la cantidad de partculas contaminantes depositadas sobre los aislamientos varia en forma lineal con la rugosidad de la superficie del aislador, es decir, mientras ms lisa sea la superficie de un aislador menor ser la cantidad de partculas que se depositen, por el contrario, la rugosidad de la superficie permite la formacin de esta capa.

El campo elctrico debido a su accin provoca la atraccin de las partculas, haciendo con esto ms denso el depsito del contaminante en regiones de mayor intensidad, es decir, en el lado de la lnea, por esto la capa formada sobre la superficie del aislamiento no es homognea.

Humedecimiento de la capa contaminante

Esta se presenta por migracin de humedad (la cual puede ser niebla, roci, o lluvia ligera) en la capa contaminante, cuando esta capa se humecta, su comportamiento es el de un electrolito, disminuyndose su resistencia e incrementndose la corriente de filtracin a travs de ella. Con el aumento de la corriente se incrementa el calor generado y a su vez la temperatura de la capa contaminante lo que hace que disminuya a un ms su resistencia debido al coeficiente trmico de los electrolitos.

Cuando un aislador contaminado est seco, la distribucin de voltaje es esencialmente la misma que para un aislador limpio, pero a medida que el proceso de humectacin progresa la resistencia superficial se ve afectada, debido a que la parte soluble del contaminante se convierte en electrolito inicindose as un flujo de iones conocidos como corrientes de fuga.

Secado de la capa contaminante

Cuando la resistencia de la capa empieza lentamente a aumentar, hasta que la prdida de humedad sea tal que la capa empieza a secarse, momento en el cual alcanza valores altos de resistencia, este fenmeno es ms acentuado en las partes estrechas del aislador donde la densidad de corriente es mayor, es en este instante que la capa empieza a secarse y la conductividad de estas zonas bajan rpidamente hasta que alcanzan el cero, formndose as zonas perfectamente secas detectables a simple vista, las cuales son conocidas con el nombre de bandas secas. El incremento en la resistencia producido por la banda seca, hace que la corriente disminuya pero su formacin implica que la mayor parte de la tensin aplicada al aislador aparezca a travs de ella, por estar a un mojado o hmedo el resto de la capa contaminante depositada sobre el aislador y por tanto posee baja resistencia.

Descarga a traves de las bandas

El ancho de la banda seca varia en dependencia de varios factores: caractersticas de absorcin de la capa, rgimen de humectacin, lugar donde se forma la banda seca, etc., dicha banda se sigue formando a travs de un proceso cclico hasta un punto en que la tensin aplicada a la misma es ligeramente inferior al valor requerido para iniciar la descarga por el aire, por lo que cualquier disminucin en el ancho de la banda, distorsin del campo elctrico o el desarrollo de algn proceso de ionizacin provocara la descarga, el arco crecer hasta un lmite en el que dependiendo las caractersticas del sistema este se extingue o produce un corto circuito en el aislador.

Descarga parcial

Cuando una banda seca completa es establecida, la mayor parte del voltaje aplicado en el aislador es entonces impuesto entonces en ella debido a su alta resistencia, la corriente es interrumpida por la ruptura del aire como puente entre esta banda seca y mantendr la corriente, el arco lleva la corriente en un canal concentrado liberando el calor en una forma muy concentrada ms que distribuirlo sobre la superficie, esto conduce a preferir la elongacin de la amplitud de la banda seca en la ubicacin del punto final de arco, donde la densidad de corriente es ms alta, el arco puede extenderse longitudinalmente y se llega a cubrir una parte critica del camino a lo largo de la fuga, el arqueo (flashover) definitivo ser prcticamente inevitable.

Flameo

En condiciones de humedad, la circulacin de la corriente de fuga genera la disipacin de energa por efecto joule (I2R) ocasionando la evaporacin de la humedad contenida en la capa contaminante.

El incremento de esta corriente en las regiones conductivas, permite la falla por flameo, debido a que se reduce la resistencia superficial y se incrementa la corriente de fuga, logrando que las descargas lleguen a encadenarse y se presente la falla a tierra causando la salida de operacin de la lnea.

La energa liberada durante el arco de potencia puede ser de tal magnitud, que ocasione la falla del aislador ya sea por ruptura mecnica (cada del aislador), o por dao parcial, en caso de no llegar a la ruptura mecnica o algn dao parcial despus del arco de potencia, el aislador seguir trabajando hasta que nuevamente la actividad de las bandas secas ocasione otro arco de potencia la siguiente figura muestra, en forma grfica cada una de las etapas del flameo mencionadas anteriormente.

Efectos de los depsitos contaminantes sobre el aislamiento Efectos de los depsitos contaminantes sobre el aislamiento entre los principales efectos que provoca la contaminacin sobre los aislamientos externos encontramos los siguientes:

a. Excesiva corriente de fugaA medida que se humedece la superficie del aislador, disminuye su resistencia superficial, y se presenta una corriente de fuga apreciable de carcter intermitente sobre la superficie del aislador, lo cual provoca la disipacin de energa en forma calorfica, aumentando la temperatura y esta a su vez disminuyendo la resistencia dielctrica del aislador, ocasionndole prdidas de su capacidad aislante del material.

b. Flameos continuosEl riesgo de flameo por contaminacin puede presentarse en tres casos especiales:

1. Cuando el aislador se expone a la lluvia, despus de haber sido energizado al voltaje nominal de trabajo durante un largo periodo de tiempo.2. Cuando un aislador contaminado y hmedo se energiza a su voltaje nominal de trabajo.3. Cuando un aislador contaminado y hmedo se somete a un voltaje transitorio.

c. PerforacinEl excesivo calentamiento local y el calentamiento diferencial ocasionados por la excesiva corriente de fuga, disminuyen rpidamente la resistencia dielctrica del material, lo cual se traduce en una mayor disipacin de energa calorfica, hasta producir la ruptura y perforacin del aislador.

d. Corrosin Se produce una acelerada corrosin de las partes metlicas en las instalaciones que operan en zonas de alta contaminacin, las principales causas de dicha corrosin son:

1. Efectos electrolticos debidos a la corriente de fuga.2. Prdida de la capa de zinc (galvanizado), quedando el metal expuesto a la accin corrosiva del medio.3. Generacin de cido ntrico a partir del ozono producido por el efecto corona y el calentamiento.

Tipos de Descargas por contaminacin

Sobre la superficie de los aisladores sometidos a los efectos de la contaminacin se producen tres tipos diferentes de descargas elctricas: descarga tipo arco, descarga incandescente (glow) y descarga por efluvios (streamer)

Descarga tipo arco. - Una vez humedecido el contaminante, y antes de la formacin de las bandas secas, la corriente mantiene su forma sinusoidal tal como se muestra en la Figura ms abajo. Despus de formadas las bandas secas e iniciado el proceso de descargas a travs de ellas, la corriente sufre bruscas variaciones en su magnitud y en su forma de onda.

Como se puede observar en la Figura, la corriente pierde su continuidad apareciendo perodos finitos de corriente cero. La descarga observada en este estado es la caracterstica de los arcos, lo que se comprueba por su caracterstica U-I negativa y por su intensidad luminosa que permite su

fcil reconocimiento. El proceso inicial de la descarga comienza sin prcticamente ningn proceso previo de ionizacin, estando determinado bsicamente por la ruptura dielctrica del aire producido por las altas y bruscas concentraciones de campo aplicadas a las bandas secas.

Bajo las condiciones iniciales los pasos altamente ionizados por las descargas precedentes aseguran una rpida reignicin de los mismos cada medio ciclo, siendo los perodos de corriente cero menores de 2 ms.

Como el proceso de secado sobre los aisladores contina, el incremento en la resistencia hace que los picos de corriente disminuyan, disminuyendo por tanto la ionizacin producida por las descargas, por lo que las mismas se producirn cada vez a ms altos valores de tensin, aumentando con ello los perodos de corriente cero.

Al aumentar los perodos de corriente cero el proceso de recombinacin en los pasos ionizados se hace ms efectivo, llegando a un punto tal en que se hace necesario un proceso de ionizacin previo para que se establezca la descarga.

Cuando los intervalos de corriente cero alcanzan un tiempo del orden de las 2 ms se requiere un proceso previo de ionizacin antes de que se pueda establecer la nueva descarga, lo cual depender del grado de desionizacin alcanzado, la longitud del paso a ionizar, etc.

A partir de este punto del fenmeno el proceso de reignicin no se repite cada medio ciclo, pasos c) y d) de la Figura anterior, desarrollndose la descarga predominantemente en el semiciclo negativo debido a las caractersticas propias del efecto corona.

Debido a que cada vez se produce la descarga a valores mayores de tensin, la corriente sube rpidamente llegando en tiempos del orden de los 10 S al valor que determinen para ese instante resto del aislador y la cada de tensin en el arco que se establece, siguiendo despus la forma caracterstica que le corresponda de acuerdo a la onda de tensin aplicada, como se muestra en la Figura a la derecha del texto.

A medida que aumenten los perodos de corriente la magnitud de la tensin aplicada, la resistencia del cero, aumenta el tiempo en que la mayor parte de la tensin aplicada lo est sobre las bandas secas, con lo que se producen altas intensidades de campo en sus extremos permitiendo el desarrollo de los dems fenmenos asociados al efecto corona.

Descarga incandescente.- Este tipo de descarga se caracteriza por ser de muy corta duracin y por producirse en los alrededores de los valores mximos de la onda de tensin, siendo una de las fuentes de radio interferencias asociadas con el fenmeno producido por la contaminacin.

Este tipo de descarga desaparece cuando el aislador se ha secado por completo y por tanto no existen puntos sobre su superficie con intensidades de campo suficientemente altas para permitir su formacin.

Dada la corta longitud que alcanzan estas descargas, no juegan un papel fundamental en el proceso de ionizacin, pero crean las condiciones de ionizacin necesarias para el desarrollo de las descargas tipo "streamer" o efluvios.

Descargas por efluvios.- Despus de la aparicin de las descargas incandescentes, si el aislador contaminado sigue sometido a algn proceso de humedecimiento el ancho de las bandas secas disminuye, aumentando la intensidad del campo a travs de ellas, lo que hace posible que se puedan desarrollar descargas de mucha mayor longitud y que se caracterizan por su naturaleza ramificada, las que dentro del fenmeno de corona son conocidas como descargas tipo "streamer".

Estas descargas son las que producen la ionizacin necesaria para la formacin de descargas tipo arco cuando los perodos de corriente cero exceden los 2 ms. Estas descargas son las mximas responsables de la intensidad de las radiointerferencias que acompaan a las descargas superficiales en los aisladores contaminados.

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