1.- Tema: Características mecánicas y eléctricas de los aisladores 2.- Objetivo general: Determinar las características características mecánicas mecánicas y eléctricas que que presentan los aisladores aisladores en líneas de de transmisión y distribución distribución 3.- Objetivos específicos: •
Determinar un breve resumen de las características mecánicas y eléctricas de
los aisladores. cadena de aisladores. aisladores. • Analizar los procesos de cálculo de cadena • Realizar un ejemplo básico cadena de aisladores. 4.- Alcance: Con vista a desarrollar una correcta consulta bibliográica en reerencia Aplicaciones de Aisla islado dore ress en !íne !íneas as de "ransm ansmis isió ión# n# espe especí cíiica came ment nte# e# en el tema tema de características mecánicas y eléctricas de los Aisladores y dimensionales# clasiicación de los aisladores suspendidos reerente a normas $%C# A&'$# determinación del largo de una cadena de aisladores# uerza de cada aislador y esuerzos resultantes# ángulo de desviación de la cadena de aisladores# gravivano o vano peso# resultante Rv debido al viento sobre el conductor# conductor# resultante (v sobre la cadena de aisladores# peso ) del conductor en la cadena de aisladores# ángulo i de oscilación de la cadena de aislador aisladores# es# cálculo cálculo del contrape contrapeso so en *+g, nosotros nosotros -emos realizad realizado o un estudio estudio rigu riguro roso so basa basado do en las las norm normas as
empl emplea eada dass para para !íne !íneas as de "rans ransmi misi sión ón## se
sobrellevara breves imágenes# diagramas# tablas# ormulas especíicas para el cálculo# además mediante una breve investigación de los temas mencionados determinaremos determinaremos la aplic aplicaci ación# ón# utilizac utilización ión## dimens dimension ionami amien ento# to# del tipo tipo de
aislad aislador or o caden cadena a de
aisladores que pondere correctamente correctamente para la estructura estructura o torre# tomando en cuenta los principales actores como es temperatura*seco# lluvia,# nivel de voltaje# zonas media y alta contaminación# nivel aerodinámico del viento# líneas de uga#etc.# se aplicara un %jemplo donde se determinara el !argo de una Cadena de Aisladores para una instalación.
5.- Marco terico:
5.1.- !ama Aisla"ores #$spen"i"os.1 !a gama de aisladores aisladores suspendi suspendidos dos está de acuerdo acuerdo con las principales principales normas normas internacionales y nacionales $%C# A&'$# /'# &0# 1"%# 1&%# D$&# etc. Dentro de cada norma# los aisladores suspendidos se subdividen en cuatro grupos# seg2n las distintas ormas de la pieza de vidrio# adaptados a las distintas condiciones ambientales. %stos cuatro grupos son 5.1.1.- Aisla"ores %st&n"ar
'on las más comunes y más utilizadas en líneas de baja poluciones. 5.1.2.- Aisla"ores Anticontaminacin
Con Con dos dos tipo tiposs de orm ormas as dist distin inta tass reco recome mend ndad ados os para para zona zonass de medi media a y alta alta contaminación. contaminación. 'u mayor línea de uga permite reducir los eectos de la contaminación contaminación sin aumentar la longitud de la cadena. 1 ARTICULO ARTICULO AISLADORES DE VIDRIO LA GRANDA Organización Organización comercial y técnica Paseo de la Castellana, 77 – Centro AZCA – edifcio Ederra – 28!" #A$%&$, Es'a(a )el*+ -! .1 -.7 2 18 / -! .1 -.7 2! 80a+ -! .1 -.7 22 2"* *sgdlagran3a*es*
5.1.- !ama Aisla"ores #$spen"i"os.1 !a gama de aisladores aisladores suspendi suspendidos dos está de acuerdo acuerdo con las principales principales normas normas internacionales y nacionales $%C# A&'$# /'# &0# 1"%# 1&%# D$&# etc. Dentro de cada norma# los aisladores suspendidos se subdividen en cuatro grupos# seg2n las distintas ormas de la pieza de vidrio# adaptados a las distintas condiciones ambientales. %stos cuatro grupos son 5.1.1.- Aisla"ores %st&n"ar
'on las más comunes y más utilizadas en líneas de baja poluciones. 5.1.2.- Aisla"ores Anticontaminacin
Con Con dos dos tipo tiposs de orm ormas as dist distin inta tass reco recome mend ndad ados os para para zona zonass de medi media a y alta alta contaminación. contaminación. 'u mayor línea de uga permite reducir los eectos de la contaminación contaminación sin aumentar la longitud de la cadena. 1 ARTICULO ARTICULO AISLADORES DE VIDRIO LA GRANDA Organización Organización comercial y técnica Paseo de la Castellana, 77 – Centro AZCA – edifcio Ederra – 28!" #A$%&$, Es'a(a )el*+ -! .1 -.7 2 18 / -! .1 -.7 2! 80a+ -! .1 -.7 22 2"* *sgdlagran3a*es*
5.1.3.- Aisla"ores Aero"in&micos
%ste tipo de aisladores# debido al peril de su dieléctrico# totalmente plano# es muy recomendable en zonas desérticas ya que# al carecer de nervaduras# diiculta el depósito de residuos sobre el dieléctrico. Al mismo tiempo# su orma acilita que la lluvia y el viento realicen la operación de autolimpiado. )or otra otra parte# parte# puede pueden n tambi también én ser usados usados en zonas zonas de conta contamin minac ación ión crític crítica a industrial o mi3ta *contaminación *contaminación desértica e industrial,. industrial,. 5.1.4.- Aisla"ores %sf'ricos
Al igual que el modelo modelo anterior# anterior# la ausencia ausencia de nervaduras en la la pieza de vidrio vidrio diiculta el depósito de residuos sobre el dieléctrico a la vez que acilita la limpieza por los eectos del viento y la lluvia. Al mismo tiempo su orma esérica le coniere unas características más resistentes al vandalismo.
0inalmente para cada norma y para cada orma de aislador e3iste una amplia gama de resistencias mecánicas# que pueden variar entre 45 y 655 7&# y que cubren las distintas posibilidades de líneas eléctricas. 5.2.- (aracterísticas Mec&nicas) %l'ctricas * +imensionales "anto los valores mecánicos como eléctricos garantizados para cada aislador son los recomendados por las normas $%C# /' y A&'$. $gualmente# los valores dimensionales *paso# diámetro# norma de acoplamiento# línea de uga,# cumplen con las indicaciones de estas normas.
5.3.-(lasificacin +e ,os Aisla"ores #$spen"i"os eferente A ormas /ec) Ansi
5.4.- Material +el Aisla"or Aisladores de )orcelana o 8idrio !os aisladores de porcelana deben abricarse por proceso -2medo. "oda la supericie e3puesta de los aisladores de porcelana debe cubrirse con un vitriicado de tipo compresión duro# liso# brillante e impermeable a la -umedad9 que le permita# por medio del lavado natural de las aguas lluvias# mantenerse ácilmente libre de polvo o suciedades residuales ocasionadas por la contaminación ambiental. !a supericie total del aislador# con e3cepción de la supericie de quema# deberá estar esmaltada. !a supericie total deberá estar libre de imperecciones. !a porcelana utilizada no tiene que presentar porosidades9
debiendo ser de alta resistencia
dieléctrica# elevada resistencia mecánica# químicamente inerte y elevado punto de usión. %n caso que los aisladores sean de vidrio# este deberá ser templado. %l vidrio utilizado en la abricación de aisladores será de preerencia de tipo sodio: calcio# recocido o temperado# -omogéneo e incoloro. Aisladores )oliméricos "odos los aisladores poliméricos serán livianos# resistentes a los actos de vandalismo e inmunes a da;os causados por agua# rayos ultravioletas o radiación solar. 5.4.1.-(omposicin +e ,os Aisla"ores %starán ormados por &2cleo resistente dieléctrico de ibra de vidrio Recubrimiento polimérico aislante del n2cleo Campanas aislantes Acoples metálicos de los aisladores : 4 CARAC"%R$'"$CA' ?%&%RA!%' &@RA D% %&'AB@'
A&'$ C>.>
C!A'% *A&'$ C>.>,
=>:4
"$)@
Retención )orcelana
A"%R$A!
8idrio
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Clevis
A&@D@ D% $&C
@pcional E5
CARAC"%R$'"$CA' %!FC"R$CA'
o
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"%&'$G& CRJ"$CA "$)@ $)1!'@ : )@'$"$8A *+8, E>= "%&'$G& CRJ"$CA "$)@ $)1!'@ : &%?A"$8A *+8, E65 "%&'$G& D% )%R0@RAC$G& %& AC%$"% *+8,
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CARAC"%R$'"$CA' %CL&$CA' R%'$'"%&C$A %!%C"R@%CM&$CA *+&,
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Características aisladores de porcelana tipo line post CARAC"%R$'"$CA' ?%&%RA!%' A&'$
A&'$
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5.5.-(aracterísticas Mec&nicas
!os aisladores de cadena deben soportar solo cierta tracción O555# EN555 o más +g. Deben soportar cierta compresión# yo cierta le3ión. Resistencia al c-oque térmico *que simula el pasar del pleno sol a la lluvia,. Resistencia al impacto *tiros con armas# proyectiles pétreos o metálicos arrojados 0rente a estas solicitaciones el comportamiento de los tres tipos de materiales es totalmente distinto# el vidrio puede estallar# siendo una característica muy importante que la cadena no se corte por este motivo. !a porcelana se rompe perdiendo alg2n trozo pero generalmente mantiene la integridad de su cuerpo# mecánicamente no pierde características# solo son aectadas sus características eléctricas. Con los aisladores compuestos por su menor tama;o es menos probable que la agresión acierte el blanco# los materiales le3ibles no se rompen por los impactos y las características del aislador no son aectadas. 5..-(aracterísticas %l'ctricas !os aisladores deben soportar tensión de recuencia industrial e impulso *de maniobra yo atmoséricos,# tanto en seco como bajo lluvia. 1na característica importante es la radiointererencia# ligada a la orma del aislador# a su terminación supericial. 1na característica interesante de los materiales compuestos siliconados es un cierto rec-azo a la ad-erencia de los contaminantes# yo al agua. !a resistencia a la contaminación e3ige aumentar la línea de uga supericial del aislador# esta se mide en mm+v *ase tierra,# y se recomiendan valores que pasan de >5# 65 a N5# O5 mm+v seg2n la clasiicación de la posible contaminación ambiente. 5..-(a"enas "e Aisla"ores Cadenas de Aisladores %n las líneas de transmisión aéreas debido al alto nivel de tensión eléctrica en la cual operan se -ace necesario la utilización de cadenas de aisladores# constituidas por n aisladores en serie# donde el nivel de aislamiento de la cadena es siempre menor que n veces la aislamiento de un aislador solo# y esto es más notorio cuando el n2mero de aisladores es grande. %l largo de la cadena depende
del voltaje# mientras más grande aumenta el largo de la cadena# para cumplir con la distancia mínima# y se requiere una altura mayor en las torres. 5..1.-$ncin ventaja "e $n Aisla"or !os aisladores dentro de las líneas de transmisión realizan dos unciones básicas T 0unción %léctrica Aislar el conductor de la tierra. T 0unción ecánica 'oportar al conductor. %s necesario en el dise;o de los aisladores de una línea de transmisión aérea# tomar en cuenta dos actores importantes T %3igencias %léctricas de %3plotación T %3igencias ecánicas de %3plotación. 5..2.- %igencias %l'ctricas 1n aislador o una cadena de aisladores están sometidos# permanentemente# a la tensión entre ase y tierra del sistema# o a la tensión compuesta# o sea entre ases# en el caso de incidente monoásico que sobreviene en una línea de neutro aislado. %s necesario vigilar que estas tensiones puedan ser soportadas permanentemente por los aislantes# aun en el estado más desavorables *contaminación, determinado en cada caso# por las condiciones atmoséricas y el medio ambiente local *pro3imidad de la costa# de las zonas industriales# etc.,. %n in se debe tomar en cuenta la recuencia de las tormentas# ya que los rayos que alcanzan líneas# torres o conductores# someten estos aislantes a ondeas de sobretensiones de elevaciones bastantes rápidas# como para ocasionar la peroración de algunos aisladores# y de amplitud suiciente como para provocar un salto. 5..3.- %igencias Mec&nicas !as tensiones mecánicas aplicadas a los aisladores# se deben esencialmente a los conductores. %stas tensiones varían continuamente# pues dependen de las características del viento# de la cantidad de depósito soportado por los cables *nieve# escarc-a# -ielo# etc., y aun en los casos de ángulos y sobre todo de anclajes# de la tensión de los conductores# luego de su temperatura. %n la selección e los aisladores por esuerzos mecánicos# priva en esencia una serie de actores# como el peso del conductor# numero de conductores por ase# peso de la cadena de aisladores# y -asta el peso de los -errajes# incluyendo los amortiguadores y separadores.
5.6.- Ang$lo +e +esviacin +e ,a (a"ena +e Aisla"ores2
Al estudiar los espaciamientos mínimos en aire entre los conductores y la estructura requeridos por las distintas solicitaciones eléctricas# es necesario considerar las posiciones de la cadena de aisladores a partir de las cuales deben medirse dic-os espaciamientos.
%n el caso de las cadenas de suspensión con posibilidad de girar en torno a la vertical por acción de las cargas transversales sobre los conductores debidos al viento y a la
2 LIBRO JUAN BAUSTISTA RIOS l4neas de transmision*'d5*6tt'+es*slides6are*netyesidmoreno18"lineas/ detransmision39an:a9tistarios'd5
resultante de las tensiones mecánicas de los mismos# -ay que tomar en cuenta el correspondiente ángulo de desviación de dic-as cadenas. %n las estructuras de suspensión# las cadenas de aisladores se ven sometidas a uerzas transversales *a la línea, que -acen que e3ista un ángulo de inclinación respecto a la vertical. %n los soportes de alineamiento# ésta desviación será solo por eecto de la presión del viento# sin embargo en las estructuras de ángulo Ususpensión# el ángulo es mayor# pero en cualquiera de estos casos la ceda puede acercarse a la masa en distancias peligrosas. )or tanto# el proyectista deberá calcular y determinar las soluciones adecuadas *como por ejemplo incluir contrapesos# o modiicar la longitud de la ménsula en la torre o alargar la longitud de cruceta en el soporte de concreto, a in de eliminar la posibilidad de alla con la línea en servicio. %3ponemos en este capítulo la secuencia que se aconseja para determinar el ángulo de inclinación de la cadena. 5.7.- !ravivano O ano 0eso:
%s la longitud del conductor o cable de guarda que debe considerarse para determinar el eecto de su peso sobre el soporte. %s decir# el soporte VcargaW una longitud determinada del conductor en ambos vanos contiguos a la estructura. )or lo que el vano peso es deinido para cada estructura.
1sualmente se considera que el vano peso es la distancia -orizontal entre los vértices de las catenarias contiguas al soporte en estudio. !a medición del vano peso debe -acerse en condiciones de temperatura mínima y con presión de viento si lo -ubiere. )or otra parte# dependiendo del peril del terreno y de las ubicaciones de las estructuras en él# el vano peso puede variar sensiblemente a lo largo de una línea en dise;o. !as iguras mostradas# corresponden a dierentes posiciones de las estructuras y el valor del vano peso.
5.18.- ano iento O %olovano
%s la longitud del conductor o cable de guarda que es preciso considerar a in de evaluar la uerza que ejerce la presión del viento y cuyo punto de aplicación se sit2a en el punto de suspensión del conductor en la cadena de aisladores de la estructura. %l valor del vano *vano viento, suiciente para la evaluación de la uerza que ejerce el viento sobre el conductor es av=
a1+ a2 2
!os gráicos muestran dierentes posiciones relativas de las estructura / respecto a las estructuras A y C en los cuales se compara el vano viento con el vano peso.
5.11.- +e"$ccin +e ,a rm$la 9$e (alc$la %l Ang$lo +e /nclinacin +e ,a (a"ena
!a presión del viento sobre el conductor es transerida a la cadena de aisladores a la cual está engrapada el conductor# provocándose que la cadena e aisladores se incline un determinado ángulo# el mismo que se incrementa si la estructura es de suspensión U angular# es decir si la estructura es de ángulo β X 5.
!a inclinación de la cadena puede llegar a límites peligrosos# pues tiende a acercar el conductor a la masa del soporte.
'i consideramos que la distancia mínima entre el conductor y el apoyo es d min ≥ 0,1 +
U N
en donde
150
( m)
U N ( KV ) es la "ensión &ominal de la !ínea y
d min
en metros.
5.12.- es$ltante t +ebi"o Al Ang$lo Topogr&fico
Debido a que la línea en el punto de instalación de la estructura -ace un ángulo b# entonces aparece una resultante R" debido a la composición de las 0uerzas "o del conductor# tal como se observa en la igura correspondiente. %n consecuencia# componiendo las uerzas se obtiene que R T 2
=T ° sen
β 2
)or lo tanto RT =2 T ° sen
β 2
5.13.- es$ltante v +ebi"o Al iento #obre %l (on"$ctor
!a presión del viento# provoca sobre el conductor una uerza resultante que se ubica en el punto de suspensión *en la cadena de aisladores, del conductor. )or la ley de cosenos trigonométricos
'i el vano viento del soporte central en estudio es De esta relación se obtiene )or tanto la resultante Rv buscada es
De donde se obtiene
)ero por identidades trigonométricas tenemos que
entonces
de donde ácilmente9
0inalmente obtenemos
√
2
2
RV =wV aV −a 1 a 2 sen
β 2
&o olvidemos que aE y a> Y son los vanos *m, contiguos a la estructura soporte en estudio. Kv Y es el peso unitario *+gm, ejercido por el viento sobre el conductor. β Y es el ángulo topográico dela línea.
'i se -ace la simpliicación aE Y a> Y av se obtiene
√
RV =wV a V 1 −sen
RV =wV a V cos
β 2
2
β 2
5.14.- es$ltante 9v #obre ,a (a"ena +e Aisla"ores.
'i consideramos que l es la longitud de la cadena de aisladores y a el diámetro *m, del aislador de la cadena# entonces puede considerarse a dic-a cadena como un rectángulo de área l a *m>, que soporta la presión del viento. )or tanto la uerza del viento sobre la cadena puede ser evaluad por Q V =1,25 PV ∅ a
%l punto de aplicación de esta uerza a la mitad de la cadena y en donde E#>= es un actor de seguridad y )8 *+gm>, es la presión del viento.
5.14.- 0eso 0 +el (on"$ctor %n ,a (a"ena +e Aisla"ores
'i consideramos que ap es el vano peso de la estructura y Zc es el peao *+gm, unitario de conductor# entonces el peso ) *+g, del conductor sobre la cadena será
P= wc a p
5.15.- Ang$lo / +e Oscilacin +e ,a (a"ena +e Aisla"ores
!as 0uerzas anteriormente deducidas R"# R8# (8 y ) ejercen sobre la cadena de aisladores el eecto de desviar un ángulo respecto a la -orizontal. 'i -acemos sumatoria de omentos respecto al punto de suspensión de la cadena obtenemos
%liminando
de donde
'ustituyendo e3presiones
[ !a e3presión simpliicada
"o Y "iro má3imo resultante del cálculo mecánico del conductor# en +g b Y Angulo "opográico de línea. Zv Y 0uerza unitaria *+gm, provocado por el viento sobre el conductor. av Y %olovano o vano *m, viento. ap Y ?ravivano o vano *m, peso. aE# a> Y 8anos *m, adyacentes a la estructura cuya cadena de aisladores oscilan i grados. )8 Y )resión *+gm>, del 8iento. l Y !ongitud *m, de la cadena de aisladores que oscila. a Y Diámetro *m, de uno de los discos que conorma la cadena. ( Y )eso *+g, de la cadena de aisladores. ) Y )eso *+g, del Conductor soportado por la cadena. (8 Y 0uerza *+g, del 8iento sobre la cadena.
5.1.- +epen"encia +el Ang$lo +e Oscilacin +e ,a (a"ena %n $ncin +el Ang$lo Topogr&fico +e ,ínea. !a órmula
'ea los parámetros
Con estos valores sean
%n Consecuencia el ángulo i en unción del ángulo topográico β será.
o también
5.1.- (alc$lo +el (ontrapeso ( ;g<
'i el ángulo de inclinación de la cadena de aisladores sobrepasa cierto límite asignado por el proyectista# es posible disminuirlo colocando un contrapeso Co *+g,. !a e3presión del ángulo de inclinación de la cadena tiene la orma
)or tanto si deseamos que el ángulo i sea disminuido al valor Z entonces bastará aumentar el denominador un valor Co *+g, valor del contrapeso.
5.16.- ,ongit$" +e ,a (a"ena +e Aisla"ores %sta longitud se calcula con base al voltaje de arqueo en aire entre el conductor y la estructura# el cual depende de la geometría de las puntas en donde se presente dic-o arqueo# de orma empírica se -a obtenido el voltaje de arqueo en aire de algunos cuerpos geométricos utilizados como electrodos de reerencia. Con este criterio# de la tensión crítica de lameo para impulsos por rayo# se tiene d=
TCF Kco
+n"e: T( %s la tensión crítica de lameo a las condiciones del lugar donde se localiza la línea. ;co %s el actor de electrodo en aire =r corregido por la densidad de aire y -umedad. %l actor Kr es un voltaje de arqueo entre conductores y estructura que depende de la geometría de los electrodos o elementos que intervienen y su distancia en aire tomada de la especiicación C0%:!5555:5N# "abla E. %n ella# se proporciona el voltaje má3imo de dise;o# así como el &/A$ para las líneas de sub:transmisión dependiendo de su voltaje de operación# los cuales presentamos en la "abla >.
Debido a las dierentes altitudes en las que operan las líneas de sub:transmisión se -ace necesaria la corrección del
Kr
proporcionado en la tabla de la especiicación# ya
que éste es calculado a partir de los siguientes valores "emperatura *"5, >5 \C )resión *b5, E5E6 mbar *ON5 mm de
5.17.- +eterminacin "el largo "e $na ca"ena "e aisla"ores Requerimientos para una cadena de aisladores %l n2mero de discos de una cadena de aisladores debe ser tal que la cadena brinde un adecuado nivel de aislación rente Contaminación. 'obretensiones temporarias. 'obretensiones de impulso de rayo. 'obretensiones de impulso de maniobra.
%l n2mero de aisladores en una cadena está dado por N a=V ff
D f d f
Dónde D Distancia de uga mínima recomendada seg2n norma ]mm+8 ^ 8 "ensión nominal del sistema# ]+8 ^ d Distancia de uga mínima de cada aislador ]mm^.
5.28.- $er>a +e (a"a Aisla"or * %sf$er>os es$ltantes3
- LINEAS AEREAS DE AT 6tt'+*t9;eras*comlineasaereaslineasaereas*6tm
5.21.- %jemplo: 'e determinará el largo de una cadena de aisladores para una instalación de >65 +8# ubicada a >.555 m.s.n.m.# y considerando un grado de contaminación $$$. %l disco aislador a considerar es el 10O5)/E4N de '%D$8%R# cuyas características relevantes son "ipo
&eblina
Diámetro
>H5 mm.
)aso
E4N mm
Distancia de uga
44= mm.
Resolución para un voltaje de >65 7v +atos:
238;v
msnm
2888
"f
445mm
+f
43.3mm
t?
15?
5.21.1.- 0resin barom'trica log (2000 )= log76 −
y 18336
(−2000)
h =76∗10
h =59,12 cm / hg
δ =
3,92∗h 273 + °
18336
δ =
3,92∗59,12 273 + 15
δ = 0,8046
5.21.2.- (orreccin "el +f
D fo D f =
√ 3 √ δ 43,3 mm
Df =
√ 3
√ 0,8046
Df =27,87 mm
5.21.3.- $mero "e aisla"ores N a=V ff
D f
N a=230
d f
27,87 mm 445 mm
N a=14,40 ais!ado"es
5.21.4.- actor "e seg$ri"a" N a=14,40∗10
N a # 16 ais!ado"es
N a=15,84 ais!ado"es
