Evaluación de un uso nuevo para los aisladores compuestos de núcleo hueco

Desde su introducción en los años 80, los aisladores compuestos de núcleo hueco han tomado una posición importante en los diversos campos de uso para la técnica de aislamiento de alto voltaje, como terminaciones de cables, bujes, aisladores para VT/CT, LTB y DTB, etc. Aunque la penetración del uso es alta, se consideran nuevos usos, en las que las versiones cerámicas tradicionales están formando el estándar actual. En este documento, se señala el enfoque de establecimiento de la técnica de núcleo hueco compuesto en el entorno de uso del poste de estación, y destaca algunas consideraciones técnicas hechas al adaptar la técnica de núcleo hueco compuesto bien introducida a las necesidades particulares de este nuevo uso. 

A. Panorama 
La norma básica tradicional para aisladores de poste de estación es la IEC 60273 "Características de los aisladores de poste interiores y exteriores para sistemas con voltajes nominales superiores a 1000 V". Sin embargo, la revisión más reciente de 1990-02 solo cubre diseños hechos de material cerámico o vidrio para niveles de voltaje de resistencia al impulso de rayos superiores a 325 kV (Um = 170 kV). Solo para niveles inferiores o iguales que 325 kV (Um = 170 kV) también se describen diseños hechos de material orgánico, cuyos elementos de carga generalmente se basan en núcleos sólidos.

También IEC 62231 "aisladores compuestos de poste de estación para subestaciones con voltajes de corriente alterna superiores a 1000 V hasta 245 kV", justo bajo revisión, muestra indirectamente la limitación actual de la técnica compuesta a ciertas longitudes, al ser una restricción básica de los diseños de núcleo sólido actuales. 

El entorno de estandarización descrito más arriba señala con claridad la situación: los voltajes del sistema para los diseños compuestos actuales (núcleo sólido) son limitados, ya que los diámetros llevados a efecto con esta técnica (y por esa razón a fin de cuentas la longitud) son limitados. La técnica cerámica atiende los niveles de voltaje más elevados, en la que una técnica de apilamiento es habitual para alcanzar las alturas necesarias hasta varios metros. Esta situación a todas luces sugiere que la técnica de núcleo hueco compuesto es una opción apropiada para cubrir aplicaciones de poste de estación a altas longitudes / niveles de voltaje, utilizando las técnicas de fabricación bien practicadas para diseños de una sola pieza de hasta 12 metros e incluso más. 

B. Compuesto en comparación con porcelana  

En esencia, no es posible comparar los diseños compuestos con la técnica de porcelana en detalle, ya que las diversas propiedades técnicas son muy diferentes y la comparación directa dará lugar a confusión y conclusiones erróneas de todos modos. Sin embargo, los datos finales de la aplicación pueden y deben compararse de forma sistemática, en la medida en que sean relevantes para el servicio, es decir, desviación bajo cierta carga, cargas de avería, etc.

La Figura 1 muestra, a manera de ejemplo para un C10-1050 SPI, una comparación de los tres diseños conocidos. Todo está diseñado para una carga fallida de flexión en voladizo de 10 kN y un voltaje de resistencia al impulso de rayos de 1050 kV, el diseño de porcelana mostrará la menor desviación, pero con mucho el mayor peso del triple. El diseño de núcleo hueco compuesto, establecido como referencia en esa comparación, muestra un peso ligeramente inferior al de la variante sólida, al mismo tiempo que tiene una desviación notablemente menor. Los valores de pandeo que se muestran se calcularon según
el caso Euler 1, el valor numérico para el tipo de núcleo hueco compuesto es de alrededor de 50 toneladas.

Cabe señalar que en el ejemplo que se muestra, la porcelana ya utiliza la técnica de apilamiento, el compuesto de núcleo sólido ya se encuentra en la clase de longitud superior de su técnica, mientras que el diseño de núcleo hueco está ampliamente abierto para una mayor ampliación en altura / voltaje incluso sin apilamiento.

Los aisladores compuestos de núcleo hueco se han introducido bien en varias aplicaciones y su comportamiento mecánico es bien conocido y descrito en la norma de producto correspondiente, es decir, IEC 61462 "Aisladores huecos compuestos - Aisladores presurizados y no presurizados para uso en equipos eléctricos con voltaje nominal superior a 1,000 V". Cuando ahora se ingresa a una aplicación que tradicionalmente se atendía solo con porcelana, la pregunta relacionada con la comparabilidad se plantea una y otra vez. 

Debido a la naturaleza de los diferentes materiales, las propiedades mecánicas son en esencia diferentes.  La porcelana es un material "digital", por así decirlo, que es sólido o está roto, mientras que los materiales compuestos comienzan a dañarse a partir de un cierto nivel de carga. Esto se respeta en las normas apropiadas mediante la definición del mencionado límite de daños, por encima del cual pueden ocurrir destrucciones irreversibles, pero aún sin una avería mecánica final.

Lo anterior es un hecho dado y por eso constituye un tema importante cuando se trata de hacer que los compuestos sean comparables a las porcelanas. El capítulo de normalización que figura más adelante dará algunos detalles más al respecto.

Los pesos ligeros de los diseños compuestos en comparación con la porcelana los convierten básicamente en la primera opción cuando se consideran aplicaciones con requisitos sísmicos significativos. Por ejemplo, la calificación de un buje de 245 kV cargado con gas, realizado mediante cálculo estático según IIEC TS 61463 "bujes – calificación sísmica", confirma una resistencia a la aceleración horizontal del suelo de hasta 2,9 g. Este resultado se puede transferir directamente a las aplicaciones de poste de estación, ya que el peso es el principal factor determinante en las consideraciones sísmicas.

Por último, a este respecto, cabe señalar que las normas existentes consideran las aceleraciones en tierra de 0, 5 g incluso como "fuertes" a "muy fuertes". 

A. Rellenos en general  

En general, el tema de la entrada de vapor de humedad es un problema con cada aislador compuesto expuesto a las condiciones ambientales. Un aislador compuesto, fabricado a partir de fibras unidas mediante matriz de resina y cubierto con una carcasa de polímero, definitivamente tiene una MVTR distinta a cero. En principio, la dirección de transmisión de vapor de humedad sigue el gradiente de la situación de saturación de ambos lados, como se describe en la figura 3. 

En pocas palabras, el vapor de humedad se transmite desde el lado con mayor humedad al lado que tiene menor humedad. En aplicaciones bien conocidas, como terminaciones de cables, bujes, etc., en las que se encuentra un conductor portador de corriente, este "calentamiento interno" está ayudando a limitar el gradiente o incluso a voltearlo a favor del interior. El término común utilizado de "secado natural" para ese fenómeno técnicamente es incorrecto, pero corresponde a la situación de manera bastante impresionante. Además, en algunas aplicaciones, como los equipos cargados con gas, existen técnicas de secado de todos modos, que pueden manejar la entrada de vapor de humedad de una forma correcta. 

En comparación con los usos antes mencionadas, un SPI es una aplicación pasiva y "muerta" sin ningún tipo de calentamiento desde el interior. Esto crea la necesidad de considerar el manejo del interior debidamente. 

La investigación de MVTR ha sido objeto de diferentes actividades y publicaciones en todo el sector; por ejemplo, en [1] se encontró que había 33,55 g de humedad durante 40 años de exposición al 95 % de HR a 40 °C para un tipo OD = 166 mm / L = 1,6 m. 

Desde luego, la humedad es indeseable en cualquier sistema de aislamiento de alto voltaje, pero a fin de cuentas su influencia se debe considerar en la medida en que no se pueda evitar. El suceso más abrumador fue que en caso de cualquier relleno gaseoso, debido a los cambios de temperatura, se cumple el punto de rocío y se produce la condensación. Tal podría ser una condición de funcionamiento drástica con un posible corte de energía del sistema aislante. De cualquier forma, también en caso de cualquier relleno líquido o sólido debe considerarse qué influencia tendrá la entrada de humedad. Debe tenerse en cuenta el posible cambio de propiedades particulares de diseño de HV, como rigidez dieléctrica, factor de pérdida dieléctrica, etc. 

Al evaluar las posibilidades para el diseño del interior, los hechos en pocas palabras son:   

• Simplemente dejar el hueco interior es sin duda el método más fácil, pero depende mucho de los ciclos ambientales del sitio en particular; si dominan las fases de alta humedad, se producirá una acumulación interna de humedad. La influencia de los cambios de temperatura, en particular los rápidos, conducirá a la condensación. 
• Los sistemas de relleno sólido muestran la evaluación más positiva en cualquier aspecto, excepto en el peso.
• Los rellenos líquidos son similares a los sistemas sólidos, pero las fugas y las posibles necesidades de monitoreo son débiles.
• Los rellenos de gas (que no sean aire a presión ambiente) pueden mostrar una necesidad de monitoreo y tener problemas potenciales de fugas. La condensación también se debe tomar en cuenta. Sin embargo, se puede manejar mediante la aplicación de desecante convencional. 
• El relleno de espuma muestra una evaluación positiva en todos los aspectos.

B. Rellenos de espuma en particular   

La espuma, basada principalmente en poliuretano, ha sido objeto de investigaciones en la industria de HV durante muchos años. Esto hizo que fuera interesante de considerar y que calificara como un medio de llenado interno. 

En primer lugar, las propias investigaciones se centraron en el rendimiento de la avería eléctrica. Los ensayos mostraron que la rigidez dieléctrica es de alrededor de 3-4 kV/mm (AC RMS) para la configuración de placa-placa redonda con espesor de muestra de 6, 5 a 10 mm. Con espumas especialmente formuladas, se sabe que el rendimiento puede incluso aumentarse [es decir, 2, 3, 4]. 

 Por último, el comportamiento a largo plazo de la espuma y por ende el rendimiento eléctrico del SPI con respecto a MVT, fue objeto de un programa de prueba integral como se describe a continuación. El diseño de prueba se muestra en la figura 7

Al principio, como "acondicionamiento", se realizó una "prueba sobre interfaces y conexión de dispositivos de fijación" según IEC 61462, 7.2 / IEC62217, 9.2. Esta prueba consta de una prueba inicial de descarga disruptiva de CA, ciclos de carga termomecánicos y pretensado por inmersión en agua, seguido de confirmación a través de pruebas de impulso frontal pronunciado y, finalmente, una prueba de descarga disruptiva de CA una vez más. Esta serie de pruebas se aprobó con éxito. 

Después de un período de reposo de 1,5 años en un entorno exterior normal, el objeto de prueba se expuso a 100 % de HR, al mismo tiempo energizado con 11,4 mm / kV AC (después de un corto tiempo, el voltaje tuvo que reducirse a 14,2 mm / kV debido a restricciones de laboratorio). El voltaje se mantuvo constante durante aprox. 2, 5 años. Contado a partir de la exposición al voltaje y la alta humedad, después de 1, 3, 1, 8 y 2, 5 años, se realizó una prueba de voltaje de impulso frontal pronunciado (IEC 62217, 9.2.7.2.) en cualquier momento. Esos no causaron ninguna descarga disruptiva interna, sino solo descargas disruptivas externas, por lo que las pruebas se pasaron con éxito.  

La tensión continua después de 2, 5 años de exposición al voltaje y la humedad fue por exposición a 100 % de HR solamente; la fuente de voltaje ya no ha estado disponible. Se habían realizado otras dos pruebas de verificación del impulso frontal pronunciado, una 2 años después de la desenergización, otra 5, 6 años después de la desenergización. El objeto de prueba ha alcanzado aprox. 10, 5 años de exposición a 100 % de HR. 

Los aisladores compuestos de núcleo hueco se abarcan en IEC 61462, "Aisladores huecos compuestos; aisladores presurizados y no presurizados para uso en equipos eléctricos con voltaje nominal superior a 1000 V".  Sin embargo, esta norma no cubre los aisladores de soporte. 

Los aisladores de soporte de núcleo sólido compuesto se abarcan en IEC 62231-1, Ed. 1.0: "Aisladores compuestos de poste de estación para subestaciones con voltajes de CA superiores a 1000 V hasta 245 kV". Sin embargo, esta norma no cubre los tipos de núcleo hueco y, además, se limita a diseños de hasta 245 kV. 

Para todas las calificaciones relacionadas con materiales, ambas normas antes mencionadas se refieren a IEC 62217, "Aisladores HV poliméricos para uso en interiores y exteriores". 

La falta de definición mediante un estándar de producto se identificó al realizar los primeros proyectos con clientes hace casi diez años. Sin embargo, tomó algún tiempo hasta que IEC aceptara una NWIP cerca de 2011. La creación de la próxima norma IEC 62772, "Aisladores compuestos de poste de estación de núcleo hueco para subestaciones con voltaje de CA superior a 1000 V y voltaje de CC superior a 1500 V" vincula las normas existentes antes mencionados y, por consiguiente, prepara una norma de producto para la aplicación discutida. 

 La norma IEC 62772 próxima a llegar se referirá a la norma IEC 61462 respecto a inquietudes de núcleo hueco compuesto, a la IEC 62231 respecto a inquietudes de poste de estación compuesta y a la IEC 62217 respecto a todas las inquietudes relacionadas con el material. Por esa razón, se proporciona un sistema incluyente para todas las aplicaciones relacionadas con el aislador compuesto de núcleo hueco de hoy. 

Como se mencionó más arriba, un tema principal en la creación de la norma fue administrar además un vínculo apropiado a las filosofías existentes con respecto a las aplicaciones de poste de estación, a saber, establecidas en las normas IEC 62231 e IEC 60273, para que el nuevo sistema sea comprensible y fácil de aceptar para los usuarios. 

La norma del aislador compuesto de núcleo hueco, IEC 61462, no especifica pruebas con respecto a las cargas de torsión y compresión, ya que las aplicaciones atendidas hasta ahora no constituyen una necesidad de tales.  Las descripciones existentes en la norma IEC 62231 de los mismos, incluidas las pruebas de calificación apropiadas, se transfirieron a la nueva norma IEC 62772 de manera idéntica. No se considera que las capacidades de los diseños de núcleo hueco impongan restricciones a la aplicación. 

El tema más emocionante fue cómo alinear las diferentes definiciones de carga de flexión para vincularse con el concepto MDCL ya bien introducido de la norma IEC 62231 para diseños de poste de estación sólidos y compuestos. 

En último lugar, la alineación se realizó configurando la MDCL (carga máxima en voladizo de diseño según la norma IEC 62231, nivel de carga por encima del cual comienza a producirse daño al aislador y que no debe excederse en servicio) igual a 1, 25 veces de MML (carga mecánica máxima (en voladizo) según la norma IEC 61462 que se espera que se aplique al aislador de núcleo hueco compuesto en servicio). Esto constituirá las siguientes condiciones y relaciones de prueba:

• A) Pretensado termomecánico. Este pretensado como parte de la prueba de interfaces y conexión de dispositivos de fijación se realiza a 0, 5 SML (carga mecánica especificada). Dado que según la definición (IEC 61462) SML = 2,5 MML, esto quiere decir que 0,5 SML = 1 MDCL. 
• B) Prueba para la verificación de la carga máxima en voladizo de diseño (MDCL), "prueba de 96 h".

Esta prueba se realiza a 1,1 MDCL, que corresponde a 1,375xMML según el entendimiento de la norma IEC 61462, y que aún permanece por debajo del límite de daño definido de 1,5xMML en ese sentido. 

Las definiciones en la norma IEC 61462 se dan con toda claridad: el límite de daño es igual a 1, 5 veces la carga mecánica máxima (MML) para el servicio, y la carga mecánica especificada SML, que es la carga de ruptura mínima para las pruebas de tipo, es igual a 2, 5 veces MML. 

Sin embargo, en IEC 62231 no se da una relación clara entre la carga en voladizo especificada (specified cantilever load, SCL) y el MDCL. Además, la carga límite de daños (damage limit load, DLL) no está definida. Sin embargo, a partir de diferentes publicaciones (es decir, [5]) se sabe que las relaciones habituales de la práctica se pueden adoptar de la siguiente manera: 

• SCL ~  2 MDCL (= 2 x 1, 25 x MML = 2, 5 MML = SML)
• DLL ~ 1, 25 MDCL (= 1, 25 x 1, 25 x MML = 1, 56 x MML) 

Los valores entre paréntesis muestran la proyección de lo dado a la consideración recién alineada.  

En resumen, la definición encontrada construye una alineación satisfactoria entre ambos estándares compuestos al aplicarlos al nuevo. 

Artículos y publicaciones que también consultamos:

1. V. HINRICHSEN, N. MÖHRING, T. WIETOSKA, H. HAUPT, A. BOCKENHEIMER, C. HEINEMANN,  C. BERGER, I. GOTTSCHALK, N. KURDA, N. MIKLI, F. SCHMUCK, J. SEIFERT; “Resistance to Vapor Permeation of Factory New and of Mechanically Stressed Composite Hollow Insulators”, informe A3_304, CIGRE 2010 
2. D. KOENIG, B. BAYER, H.J. HELLER; “Breakdown of Polyurethane Hard-Foam Insulation under Short-time HV Stress”, IEEE Transactions on Electrical Insulation, Vol.24 No.2, abril de 1989 
3. A.TROEGER; “Untersuchung der elektrischen Spannungsfestigkeit von Polyurethan-Hartschaum”, informe anual de 2003, Institute for HV Technique, RWTH Aachen 
4. A.TROEGER; “Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Isoliermaterialien mit Schaumstruktur”, informe anual de 2004, Institute for HV Technique, RWTH Aachen 
5. K. PAPAILIOU, F. SCHMUCK; “Silikon-Verbundisolatoren – Werkstoffe, Dimensionierung, Anwendungen”,  1. Auflage 2012 
6. N. MIKLI, P. STAHL, B. RÄTH, M. HURNICKI, T. HUMMERSTON; „A new generation of Composite Support Insulators  for UHV DC and AC systems”, informe A3-111, CIGRE 2012

Autor del artículo:

• Dr. Robert Strobl, Director Sénior de Gestión de Productos de Aislamiento y Protección, TE Connectivity, rstrobl@te.com
• Peter Stahl, Director Técnico de Axicom, TE Connectivity  pstahl@te.com