Corriente de Fuga en Aisladores Poliméricos

PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

CORRIENTE DE FUGA EN AISLADORES POLIMÉRICOS.

PROYECTO FINAL

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MORELOS MATERIA: PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

PROYECTO: CORRIENTE DE POLIMÉRICOS

FUGA

EN

AISLADORES

ALUMNO:

SALGADO TALAVERA JAVIER EDUARDO

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MORELOS MATERIA: PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

PROYECTO: CORRIENTE DE POLIMÉRICOS

FUGA

EN

AISLADORES

ALUMNO:

SALGADO TALAVERA JAVIER EDUARDO

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ÍNDICE 1.- INTRODUCCIÓN…………………………………………. INTRODUCCIÓN…………………………………………... 3

2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA…………………. PROBLEMA…………………. 3

3.- OBJETIVO GENERAL…………………………………… GENERAL…………………………………….. 4

4.- ALCANCES………………………………………………. ALCANCES………………………………………………..... .... 4

5.-LIMITANTES…………………………………………… 5.-LIMITANTES……………………………………………....…. …. 4

6.-JUSTIFICACIÓN………………………………………… 6.-JUSTIFICACIÓN…………………………………………..... ..... 4

7.-DESARROLLO DE CONCEPTOS BÁSICOS…………………………………………..... BÁSICOS…………………………………………..... …………. 5 …………. 5

8.-DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA EXPERIMENTACIÓN………………………………….……...21 EXPERIMENTACIÓN………………………………….…… ...21

Y

9.-RESULTADOS……………..……..………………………... 9.-RESULTADOS……………..……..………………………....40 .40

10.-CONCLUSIÓN……..…………………..…..……………….41 10.-CONCLUSIÓN……..…………………..…..……………….41

11.-BIBLIOGRAFÍA…………………..…………………..….....42 11.-BIBLIOGRAFÍA…………………..…………………..….....42 PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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INTRODUCCIÓN En la actualidad es innegable el hecho de que las nuevas tecnologías en todos los campos de la ciencia y la ingeniería están llevando al desarrollo de nuevos equipos y dispositivos que facilitan y optimizan la eficiencia de los equipos ya existentes. La industria eléctrica no es la excepción, cada día se desarrollan y mejoran equipos para la protección o el seccionamiento de equipos y redes de transmisión, pero existe un ámbito que pese al desarrollo y avance que ha tenido pareciera no lograr sustituir por completo a su antecesor el cual da una fuerte batalla para no ser desplazado de la industria eléctrica “los aisladores”. En la actualidad han surgido industrias dedicadas al desarrollo y fabricación de los denominados “Aisladores Poliméricos” los cuales están formados con una base de hule de silicón, esta nueva tecnología ha significado un gran avance en la tecnología de aisladores, ya que un aislador polimérico es mas barato que un aislador de tipo cerámico o de vidrio y su rendimiento en campo ha demostrado tener resultados muy satisfactorios, ya que presentan una mayor resistencia al vandalismo, tiene una mayor resistencia y flexibilidad mecánica, son más ligeros y fáciles de transportar. Pese a todas las ventajas ya mencionadas este tipo de aisladores presenta un factor que es principalmente el que mantiene con vida a los aisladores cerámicos y de vidrio “los aisladores poliméricos tras la exposición a las condiciones de campo han mostrado degradación y pérdida gradual de sus propiedades intrínsecas que a largo plazo llevan a la falla inminente del aislador”, es por eso que las industrias y los centros de investigación están en una carrera para descubrir la manera de revertir este efecto de degradación en los aisladores poliméricos.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Actualmente la industria eléctrica se encuentra en una carrera acelerada por desarrollar cada vez mejores y más confiables aisladores para las líneas de transmisión ya instaladas en el país. Los aisladores cerámicos cer ámicos fueron y siguen si guen siendo de gran confianza y han marcado marc ado una era en la industria de los aisladores, pero pese a sus ventajas presentadas muestran un punto de debilidad muy fuerte: “No están diseñados para condiciones de vandalismo”, pensando

en eso y en la necesidad de adentrarse en nuevas tecnologías han sido desarrollados aisladores poliméricos, los cuales son a prueba de vandalismo y han presentado un gran rendimiento bajo condiciones ambientales. La problemática principal que se ha presentado hoy en día es que existen ya ya muchos fabricantes de aisladores poliméricos (Ohio Brass, Ceramtec, Reliable, K-line, Isoelectric, Sediver, Multico, IUSA, por citar algunos) y todos argumentan que sus aisladores son mejores, ciertamente existe un conjunto de pruebas normalizadas (cámara de niebla salina) a las que estos especímenes deben de ser sometidos, pero una vez que han soportado la prueba como saber ¿cual aislador es mejor?, no existe hasta ahora un método estandarizado que pueda describir el mejor desempeño de un aislador con respecto a otro tras superar la prueba de la cámara de niebla salina mas que la PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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apreciación visual del propio individuo que aplica la prueba, lo cual no resulta objetivo y no da un dimensionamiento real del rendimiento de los especímenes.

OBJETIVO GENERAL Desarrollar una metodología efectiva que se encargue de analizar la corriente de fuga que se desarrolla en los aisladores poliméricos cuando son sometidos a las pruebas de cámara de niebla salina y plano inclinado, con la finalidad de establecer una medida cuantitativa del daño causado en los especímenes por carbonización y erosión.

ALCANCES El alcance se limitará únicamente a los propósitos internos del Instituto de Investigaciones Eléctricas, los cuales son la evaluación y comparación del desempeño de los aisladores poliméricos de tipo comercial con respecto a los que se desarrollan en la institución; la finalidad es que esta metodología determine con fundamentos matemáticos y objetivos que aislador es mejor y en base a estos resultados buscar maneras de mejorar cada perfil de aislador.

LIMITANTES Debido al carácter experimental de la metodología a desarrollar, los resultados que sean obtenidos serán evaluados y comparados con los resultados obtenidos en pruebas previas de tal manera que el conjunto de datos de varias pruebas puedan servir como respaldo y validación de los mismos.

JUSTIFICACIÓN Resulta evidente la necesidad del desarrollo de una metodología confiable que pueda sustentarse con fundamentos matemáticos y estadísticos para poder lograr una correcta selección de aisladores poliméricos, además de que con estos resultados, los distintos fabricantes de aisladores se empeñarán mas en producir cada vez aisladores de mejor calidad, por ende es de vital importancia desarrollar esta metodología que beneficiará tanto a fabricantes como a compradores y garantizará que el producto final sea de calidad y tendrá un desempeño óptimo para su función. Por lo tanto los beneficios inmediatos de esta metodología serán tanto económicos como tecnológicos. PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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DESARROLLO DE CONCEPTOS BÁSICOS Antes de comenzar con el desarrollo y descripción de este proyecto resulta de vital importancia el poder comprender algunos términos y aspectos hacia los cuales va orientado este proyecto, tales conceptos abarcan los siguientes puntos:

1. ¿Qué es un aislador polimérico y cuales son sus características? 2. ¿Qué tipos de aisladores poliméricos existen, como se dividen y que es un perfil de aislador? 3. ¿Qué es la distancia de fuga y que es la corriente de fuga? 4. ¿Qué es un flameo y el tracking en un aislador? 5. ¿Qué es la prueba de niebla salina? 6. ¿Qué solución se ha propuesto para la metodología a desarrollar y en que consiste la geometría fractal? Una vez explicados estos términos se procederá a la descripción de la metodología, la implementación de la misma y la interpretación de los resultados obtenidos (con las restricciones que el Instituto de Investigaciones Eléctricas considere pertinentes a este trabajo).

AISLADOR POLIMÉRICO Un aislador polimérico es un elemento empleado tanto en líneas eléctricas de transmisión y distribución de hasta 400 kV como en subestaciones. Se caracterizan por estar constituidos por un núcleo central de material sólido (tubo de fibra de vidrio regido por la norma IEC 1109 o ANSI C29.11) y una cubierta exterior aislante de material polimérico, que la caracteriza de ser flexible (diferencia principal entre otros tipos de aisladores implementados para la misma tarea, los cuales suelen ser de vidrio, porcelana y cerámica). La ventaja de los aisladores de tipo poliméricos, sintéticos o no cerámicos, es que debido a su materia prima de construcción (la cual en esencia es hule de silicón y anteriormente EPDM) presenta una resistencia mecánica muy superior a golpes además de tener una flexibilidad que otro tipo de aisladores no tienen. Presentan también resistencia a ser perforados por descargas atmosféricas, un peso mínimo en comparación a los demás tipos de aisladores, sin dejar a un lado su alta hidrofobicidad (esta propiedad al perderse contribuye a la humectación de la superficie acelerando la generación de descargas eléctricas superficiales y por tanto la erosión y carbonización del aislador). Debido a todas estas ventajas mencionadas de manera general es que los aisladores poliméricos han ido remplazando poco a poco a los aisladores cerámicos. La principal desventaja de este tipo de aisladores es que después de cierto tiempo a la intemperie y sumado esto a la actividad eléctrica que poco a poco va aumentando debido a los índices de contaminación en el ambiente, los aisladores poliméricos tienden a degradarse o envejecer (término asignado a la pérdida de la hidrofobicidad y demás PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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características químicas de los aisladores poliméricos entre ellas pérdida del material del aislador). En esencia los aisladores poliméricos analizados en este trabajo se dividen en 2 tipos: a) Aislador Tipo Suspensión b) Aislador Tipo Poste

[2] Aislador Tipo Suspensión

[3] Aislador Tipo Poste

Existen diferentes tamaños en los cuales se pueden encontrar los 2 tipos de aisladores antes mencionados, dependiendo de la tensión de operación; pero es importante puntualizar que esto no altera su clasificación, el término común para esta variación en el tamaño o mayor cantidad de faldones en un aislador es conocido como “Perfil de Aislador”; cada perfil de aislador tiene a sus extremos piezas metálicas conocidas como “herrajes del aislador”, comúnmente fabricadas de acero galvanizado del tipo ASTM ideal para servicios en la ambientes de alta salinidad y humedad. Estos sirven para poder sostenerlo al conductor y a la estructura del poste. Es importante decir que cada nivel de voltaje así como cada condición del ambiente responden a un perfil específico de aislador, por lo tanto es muy posible encontrar una gran variedad de diferentes perfiles de aisladores. A continuación se presenta un aislador con sus partes específicas:

[4] 1. Núcleo en fibra de Vidrio 2. Revestimiento Polimérico 3. Faldón 4. Acoplamiento metálico lado Conductor (Bola, Ball) 5. Acoplamiento metálico lado Estructura (Calavera, Socket) L: Longitud Total del Aislador D: Diámetro de las campanas del Aislador


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A continuación se muestran las características técnicas exigidas por las normas internacionales para los aisladores poliméricos:

En base a los materiales utilizados en los aisladores, en su diseño y de las condiciones ambientales se pueden generar diferentes mecanismos de degradación que pueden provocar la falla del aislador, entre estos mecanismos se encuentran: 1. Fallas mecánicas de la barra de fibra de vidrio (brittle fracture). PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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2. Formación de caminos conductores sobre la superficie del material aislante (tracking). 3. Aparición de partículas de relleno en la superficie del aislante (chalking). 4. Cambios en el color base del material aislante (color changes). 5. Rompimiento del material no cerámico como resultado de la exposición a altos niveles de energía UV asociada con la presencia de corona (Corona cutting). 6. Corrosión de las partes metálicas debido a la reacción química con el ambiente. 7. Microfracturas superficiales con profundidades entre 0.01 y 0.1 mm (crazing). 8. Rompimiento del material adhesivo usado para unir químicamente dos materiales del aislador (debonding). 9. Pérdida irreversible del material aislante no conductor (erosión). 10. Exposición de la barra de fibra de vidrio al ambiente (exposure of the core). 11. Fracturas superficiales con profundidad mayor a 0.1 mm (aligatoring). 12. Fuga de grasa de las interfaces faldón-cubierta o faldón-núcleo hacia la superficie (grase leakage). 13. Penetración de agua en forma líquida o vapor, causando el ablandamiento de cubierta o faldones (hydrolisis). 14. Pérdida de hidrofobicidad. 15. Pérdida de adhesión del sello de los herrajes (peeling). 16. Daños por arco de potencia (power arc damage). 17. Daños por perforación (puncture). 18. Separación o apertura del material aislante (splitting). 19. Daño por vandalismo. Pese a los puntos presentados anteriormente, es de vital relevancia precisar que los aisladores del tipo polimérico han demostrado un excelente rendimiento con un costo menor a los tipos cerámicos, entre algunas de sus ventajas se encuentran: 1. 2. 3. 4. 5.

Peso ligero (Menores costos de construcción y transportación). Resistencia al vandalismo (Menor daño por disparos de armas de fuego). Alta relación resistencia-peso (Diseños de nuevas torres con mayores claros). Mejor comportamiento en contaminación. Mejora en la estética de la línea de transmisión.

Estas ventajas son especialmente atractivas para extra altos voltajes de líneas de transmisión. Particularmente, si una línea pasa a través de áreas de difícil acceso donde se requiere de helicópteros para su construcción, el uso de aisladores no cerámicos puede ofrecer ahorros considerables.


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DISTANCIA Y CORRIENTE DE FUGA DE UN AISLADOR POLIMÉRICO Un aspecto muy importante de todo aislador sin importar si es polimérico o cerámico es su distancia de fuga. Este es el parámetro que le permite al aislador desarrollar de manera correcta su trabajo bajo condiciones de humedad y de contaminación; debe de entenderse que la distancia de fuga no es la misma distancia que la longitud del aislador, la distancia de fuga en un aislador se define como: “La distancia más corta, o la suma de distancias más cortas a lo largo del contorno de la superficie externa del material aislante, la relación entre esta distancia y el voltaje máxi mo de f ase a f ase o de f ase a ti err a determina l as distancias específicas de fu ga entre fases o fase a tierra, respectivamente”.

La distancia de fuga de un aislador siempre será mayor a la longitud del aislador, debido a que esta distancia de fuga es la suma de todas las distancias del aislador (longitud de faldones, longitud de vástago y este perímetro siempre es un poco mayor a la longitud lineal del aislador). La distancia de fuga se puede variar hasta cierto valor límite dado por el espaciamiento de los faldones. En la norma IEC 60815 se puede encontrar una guía general sobre qué distancia de fuga es la mínima recomendable para cada nivel de tensión, pero es importante mencionar que esta guía no fue diseñada para ser aplicada en aisladores poliméricos, únicamente para aisladores de porcelana y vidrio. Pero esta guía puede servir como una base de experimentación para la determinación de la distancia de fuga en aisladores poliméricos. La norma ANSI C29.13-2000 tiene una tabla que puede usarse como requisitos fundamentales para la determinación de la distancia de fuga de ciertos perfiles de aisladores poliméricos:

Tabla de requerimientos en el diseño de aisladores según la ANSI C29.13-2000 PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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La Corriente de Fuga por otra parte no es un término separado del de distancia de fuga, la corriente de fuga se define como: “ Aqu ell a corr iente que aparece en l a superf icie del ai slador, este nivel de corriente es el pri nci pal in dicador de que el aislador esta perdiendo sus propiedades esenci ales, entre mayor sea el valor de esta corriente, mayor puede ser el riesgo de fl ameo y puede ”. in crementarse el grado del deteri oro del aislador

Los aisladores se encuentran expuestos a los efectos de la contaminación ambiental, esta contaminación se acumula en la superficie del aislador, bajo condiciones de humedad los residuos se adhieren a la superficie del aislador y entonces se genera la corriente de fuga. Esta condición provoca un calentamiento no uniforme en la superficie de los aisladores provocando un fenómeno conocido como “arqueo de bandas secas” y si se encadenan varias bandas secas, posteriormente ocurre el flameo en el aislador. El flameo en los aisladores provoca cortes en el servicio eléctrico afectando la confiabilidad, lo cual conlleva a pérdidas económicas tanto para la empresa prestadora del servicio eléctrico como para el usuario de la misma. En la norma IEC-815 se describen los 4 niveles de contaminación en los cuales se clasifican los ambientes externos a los cuales son sometidos los aisladores, esta clasificación de niveles de contaminación es la misma tanto para aisladores poliméricos como para aisladores cerámicos y de vidrio con la excepción de que en la columna de “Distancia de Fuga Nominal Mínima” solo aplica para aisladores cerámicos y de vidrio:


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Tabla de Grados de Contaminación

según la Norma IEC-815

FLAMEO Y TRACKING EN UN AISLADOR POLIMÉRICO El Flameo o Flashover en un aislador se define como “Una descarga disruptiva que puede ser a lo largo del perímetro del aislador ó en aire”, es importante mencionar que este tipo

de fallas generan la circulación de altas corrientes que pueden o no dañar el aislador. El proceso de Flashover (siendo el que descarga la línea) es un proceso complicado que ocurre a través de diferentes fases, a saber: La formación de capas de contaminación, incremento de la corriente, la formación de banda seca, generación de arcos parciales y, si las condiciones son favorables, flashover y salida de servicio. Por otro lado el Tracking se define como la carbonización que se presenta sobre la superficie del aislador ocasionado por la circulación de una corriente de fuga, un tracking es una falla y representa el camino que siguió la corriente de fuga sobre la superficie del aislador. Cuando un espécimen de aislador presenta tracking se considera que ha fallado, ya que la carbonización que genera el tracking se convierte en un punto muy sensible del aislador, por el cual puede ingresar humedad o agua y generar una falla sobre la barra de fibra de vidrio, lo cual eventualmente ocasionará la falla inminente de ese espécimen.


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Flameo en Aislador

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Tracking en Aislador

MÉTODOS DE ENVEJECIMIENTO ACELERADO DE AISLADORES POLIMÉRICOS EN LABORATORIO Aunque muchos factores están involucrados en el envejecimiento de los aisladores no cerámicos, la humedad y la contaminación juegan los papeles más importantes. En condiciones secas y ambientes sin contaminación, los aisladores tienen una vida muy larga. La humedad y la contaminación provocan un incremento en la corriente de fuga sobre la superficie aislante. La experiencia ha mostrado que existe una apreciable diferencia en el nivel de corriente de fuga entre los aisladores cerámicos y los no cerámicos [Kuhl, M., 1994]. La corriente de fuga en los aisladores no cerámicos indica la pérdida de la hidrofobicidad de los faldones y cubierta. Si la corriente de fuga es suficientemente alta puede conducir a la formación de arqueo de bandas secas. El calor producido por las descargas en forma localizada causa erosión o carbonización. Por lo anterior, la retención de la hidrofobicidad es altamente deseada, aunque si esta propiedad se pierde o se reduce, la formulación del material no cerámico debe tener una alta resistencia a la erosión o a la carbonización. La corriente de fuga también redistribuye el esfuerzo de voltaje, sobre esforzando los materiales no cerámicos y la construcción del aislador, lo cual causa la ruptura dieléctrica de las uniones, exponiendo la barra de fibra de vidrio a la humedad. Cuando esto ocurre se presenta una falla interna por carbonización. La clave para dar mayor tiempo de vida a los aisladores no cerámicos es asegurar que la corriente de fuga se mantenga en un nivel bajo. Debido a su hidrofobicidad, los aisladores no cerámicos de hule silicón satisfacen este requerimiento esencial. Sin embargo; una distancia de fuga protegida bien dimensionada también reduce la corriente de fuga. Así mismo, el mantenimiento por lavado natural o artificial también incrementa su vida. Las técnicas de envejecimiento acelerado que se estudian en este proyecto y a las cuales se les aplicó la metodología desarrollada son: PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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Plano Inclinado Cámara de Niebla Salina

El desarrollo de los conceptos de materiales y diseño para aisladores no cerámicos ofrece diferentes opciones para aplicación en líneas de transmisión de alta tensión. Se sabe que el comportamiento en contaminación de estos aisladores cuando están nuevos es generalmente superior al de los aisladores de vidrio o porcelana. Sin embargo, los aisladores no cerámicos son más susceptibles a cambios en sus propiedades superficiales debido al envejecimiento ambiental en servicio, lo cual puede llevar a un deterioro significativo de sus características de aguante de la contaminación. La predicción del grado de deterioro, así como la formulación de un índice de severidad de la contaminación es de importancia relevante para las compañías usuarias para evaluar la confiabilidad de las líneas de transmisión. Muchos proyectos de investigación han mostrado que el envejecimiento y la contaminación reducen el voltaje de flameo en los aisladores no cerámicos.

PRUEBA DE PLANO INCLINADO Esta prueba esencialmente es para la evaluación de los materiales que conformarán la formulación final de los aisladores poliméricos. En esta prueba se evalúan las características constitutivas de las formulaciones, de tal manera de encontrar la formulación que logre pasar la prueba y por lo tanto la formulación idónea para la fabricación de los especímenes de aisladores poliméricos. A continuación se mencionan las características de esta prueba: 

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La prueba tiene una duración de 4 hrs ininterrumpidas. Las muestras a evaluar presentan la forma de tablillas rectangulares de 15 cm de largo, 5.5 cm de ancho y 0.5 cm de espesor, cortadas de una tablilla principal elaborada con la formulación de materiales que se interesa probar. El plano inclinado actual del Instituto de Investigaciones Eléctricas tiene la capacidad de evaluar 5 tablillas simultáneamente. Los niveles de tensión a los cuales se prueban estas tablillas son de 2 kV, 3 kV, 4 kV, 5 kV, 6 kV (siendo los anteriores niveles normalizados por la IEC), 7 kV y 8 kV (utilizados actualmente por el Instituto de Investigaciones Eléctricas para demostrar un mayor rendimiento de sus formulaciones al exponerlos a un estrés eléctrico mayor). Cada juego de 5 tablillas es probada bajo un solo nivel de tensión en cada prueba (se fija el voltaje y se aplica el voltaje constante durante las 4 hrs). Durante la prueba se le aplica a cada tablilla un flujo de agua salina con cierto nivel de conductividad medido en ml/min . El flujo se localiza a lo largo de la tablilla por su parte central y es aplicado como un goteo constante, con la finalidad de crear un PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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camino conductor para la electricidad y de esta manera simular condiciones de contaminación y esfuerzo a los materiales. 

Cada tablilla se pesa al inicio y al final de la prueba para poder obtener la relación del material perdido durante la evaluación, por el efecto de la degradación del material.

Los criterios de análisis final del rendimiento de las diferentes formulaciones de las muestras son los siguientes: 1. Para considerar que la formulación ha pasado la prueba ninguna de las tablillas debe de haber presentado falla por flameo. 2. Se considera que la muestra ha fallado si presenta un tracking mayor a 2.5 cm de longitud sobre su superficie. 3. Se considera que la muestra ha fallado si presenta un tracking con un espesor igual a 0.5 cm de longitud sobre su superficie. Para determinar si la formulación ha fallado basta con que se cumpla uno solo de los puntos 2 ó 3, o ambos en cualquiera de los especímenes evaluados.

[7] Plano Inclinado

[8] Plano Inclinado

Basado en las características que se han mencionado de esta prueba se puede concluir que la prueba de plano inclinado es utilizada para poder evaluar las formulaciones iniciales de los materiales de los cuales se pretende conformar el aislador, si la formulación reprueba no tiene caso elaborar los aisladores, y por lo tanto se seguirán realizando formulaciones hasta PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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que éstas pasen esta prueba. Una vez que la formulación ha sido evaluada y ha pasado la prueba de plano inclinado se procede a la realización de los aisladores. A continuación se presentan dos formulaciones diferentes (M16-P16 y M18-P18) tras ser sometidas a la prueba de plano inclinado:

[9] Muestra M16-P16 evaluada en plano inclinado (M16-2-P16 falló durante la prueba)

[10] Muestra M18-P18 evaluada en plano inclinado (M18-1-P18, M18-2-P18 y M18-4-P18 fallaron durante la prueba)


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PRUEBA DE CÁMARA DE NIEBLA SALINA Esta prueba esencialmente es para la evaluación de los aisladores ya fabricados, en un orden estricto, esta es una prueba de envejecimiento severa que se realiza una vez terminada la prueba de plano inclinado (si se elaboran aisladores poliméricos), o para la evaluación del rendimiento de los aisladores cerámicos y de vidrio que ya se encuentran en servicio. En esta prueba se evalúan las características y el rendimiento de los diferentes perfiles de aisladores tanto poliméricos como cerámicos. La finalidad principal de esta prueba es poder determinar si el aislador evaluado tendrá un rendimiento correcto en campo, ya que mediante la niebla salina se simulan condiciones de humedad y contaminación del medio ambiente. Si los aisladores evaluados resisten esta prueba se determina que su rendimiento será el óptimo para la aplicación de campo que lo requiera. A continuación se mencionan las características de esta prueba: 

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La prueba tiene una duración de 1000 hrs ininterrumpidas y esta regida por la normativa IEC. Las especímenes sujetos a esta prueba son tanto aisladores tipo poste como tipo suspensión en todos sus perfiles posibles y de los cuales se quiera poner a prueba. Para la evaluación de cada perfil de aislador se introducen un par de especímenes a la cámara, para simular de esta manera una posición vertical y una horizontal de cada tipo especifico de aislador (tras diversas pruebas se ha encontrado que la posición vertical del aislador es la posición mas crítica y es en la cual se presentan con mayor frecuencias las fallas en los especímenes). La cámara cuenta con una fuente de 100 kV, por lo tanto el nivel de tensión de prueba es prácticamente el que el operador de la cámara requiera para su prueba en específico. Cada juego de aisladores sometido a esta prueba es expuesto a un solo nivel de tensión en cada prueba (se fija el voltaje y se aplica el voltaje constante durante las 1000hrs). Durante la prueba se colocan los aisladores en sus posiciones correspondientes (horizontal y vertical) y se aplica al interior de la cámara un flujo de niebla salina, la salinidad de la niebla es determinada por un cálculo previo en el cual se fijan las condiciones que se quieran simular (contaminación severa o contaminación media). A lo largo de toda la prueba el flujo de niebla salina se mantiene constante. La prueba es monitoreada mediante un software que se ha desarrollado para medir la magnitud de la corriente de fuga de cada uno de los aisladores al interior de la cámara.


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Los criterios de análisis final del rendimiento de los diferentes especímenes sometidos a la prueba de niebla salina son un poco menos objetivos que en la prueba de plano inclinado: 1. Si el aislador al terminar la prueba no presenta carbonización en su superficie se considera que ha pasado la prueba. 2. Si todos los aisladores sometidos a la prueba resisten las 1000 hrs sin carbonización, se remiten a las gráficas que se generan a lo largo de la prueba y mediante apreciación visual se intenta determinar cual aislador fue el mejor de todos. 3. Si al revisar las gráficas no se logra una clara determinación del mejor aislador se procede a revisar cual fue el valor de la corriente de fuga en cada uno de ellos, así como el valor máximo y el número de picos que presentó cada aislador; aquel que tenga los valores mas altos es considerado el de peor rendimiento.

[11] Interior de la Cámara de Niebla Salina

[12] Cámara de Niebla Salina

El principal problema con esta prueba es que en ocasiones todos los aisladores sometidos a ella resisten las 1000 hrs, y no existe una manera objetiva y con un sustento numérico que pueda decirnos con certeza cual es el mejor aislador de todos los que se evaluaron. Como ya se mencionó, el objetivo que se intenta alcanzar es desarrollar una metodología capaz de determinar de manera certera y objetiva el rendimiento de cada aislador de cualquier tipo y perfil para lograr una comparación entre ellos, y finalmente de esta manera saber cual aislador es el mejor. Después de una búsqueda de técnicas de análisis se optó por desarrollar una metodología fundamentada en la denominada “Geometría Fractal”, el reto principal es que hasta ahora no se había desarrollado este tipo de metodología con esta base matemática, por lo cual los resultados obtenidos mediante esta metodología aun son sometidos a más pruebas con resultados muy alentadores. PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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GEOMETRIA FRACTAL Un fractal es un objeto semigeométrico cuya estructura básica, fragmentada o irregular, se repite a diferentes escalas. El término fue propuesto por el matemático Benoît Mandelbrot en 1975 y deriva del Latín fractus, que significa quebrado o fracturado. A un objeto geométrico fractal se le atribuyen las siguientes características:    

 

Es demasiado irregular para ser descrito en términos geométricos tradicionales. Es autosimilar. Área finita, pero su perímetro es infinito Su dimensión de Hausdorff-Besicovitch es estrictamente mayor que su dimensión topológica. El número de sus dimensiones es fraccionario. Se define mediante un simple algoritmo recursivo.

No basta con una sola de estas características para definir un fractal. Por ejemplo, la recta real no se considera un fractal, pues a pesar de ser un objeto autosimilar carece del resto de las características exigidas. Los fractales se clasifican en 3 tipos diferentes de acuerdo a sus características estructurales y a su comportamiento: a) Lineales: Son aquellos que se construyen con un cambio en la variación de sus escalas (Triángulo de Sierpinski, Alfombra de Sierpinski y Copo de nieve de Koch), resulta sencillo determinar su dimensión fractal.

b) Complejos: Se generan creando distorsiones no lineales o complejas (Conjunto de Mandelbrot y Conjunto de Julia), es difícil determinar su dimensión fractal.


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c) Caóticos: Son generados a partir de sistemas de ecuaciones diferenciales (Mariposa de Lorentz), el cálculo de su dimensión fractal así como la generación del fractal solo puede ser llevado a cabo por una computadora.

DIMENSIÓN FRACTAL La medición de formas fractales (fronteras, poligonales, etc.) ha obligado a introducir conceptos nuevos que van más allá de los conceptos geométricos clásicos. Dado que un fractal está constituido por elementos cada vez más pequeños, el concepto de longitud no está claramente definido: Cuando se quiere medir una línea fractal con una unidad, o con un instrumento de medida determinado, siempre habrá objetos más finos que escaparán a la sensibilidad de la regla o el instrumento utilizado, y también a medida que aumenta la sensibilidad del instrumento aumenta la longitud de la línea. Para ello se ha ideado otro concepto: el de dimensión fractal, que es una generalización de la dimensión euclidea. Sabemos que en geometría clásica un segmento tiene dimensión uno, un círculo tiene dimensión dos, y una esfera tiene dimensión tres. Para que sea coherente con lo dicho una línea fractal tiene que tener dimensión menor que dos (no llena toda la porción de plano). En general lo que sucede es que la longitud de la curva fractal es superior a la del segmento de recta que lo genera, y por lo tanto, en general la dimensión fractal será un número comprendido entre uno y dos. La expresión matemática de la dimensión fractal es la siguiente:

D= Log (N(L))/Log (1/L)

Donde N(L) es el número de objetos o unidades de tamaño L que recubren o completan el objeto. Una dimensión definida de esta manera puede parecer poco ortodoxa, pero tiene una finalidad muy seria “refleja las propiedades de escala de la curva”.

Sin embargo se suele aceptar, e incluso definir, que un objeto es fractal solo cuando su dimensión fractal es mayor que su dimensión euclidea:

D>DE PROYECTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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Para poder determinar el valor de la dimensión fractal de una figura se emplea el método de conteo de cajas (box counting).

MÉTODO DE CONTEO DE CAJAS Para calcular la dimensión de un fractal es necesario determinar la forma en la cual dicho fractal (gráfica, figura o forma) llena el plano o espacio que lo contiene. El método de conteo de cajas consiste en establecer un sistema cartesiano de coordenadas que contenga el conjunto de puntos de la imagen que deseamos analizar (conjunto A). Posteriormente se procede a contar la cantidad Nn(A) de cuadros (cubos, hipercubos dependiendo de la dimensión en que se encuentre el objeto analizado) de tamaño 1/2n que interceptan al conjunto A. Donde la dimensión fractal puede estimarse de la pendiente de la recta obtenida por la regresión lineal de los puntos (ln (2n), ln (Nn(A))). La interpretación matemática que le da este método al análisis de la dimensión fractal es la siguiente:

D= Lim [Ln Nn / Ln (2n)] n

∞

Donde Nn es el número de cajas de una cuadrícula de anchura 1/2n que intersecan al conjunto.

En este estudio se utilizó la aplicación del método de conteo de cajas, para determinar la dimensión fractal de un conjunto de gráficas de Corriente de Fuga-Tiempo obtenidas durante la evaluación de los aisladores en cámara de niebla salina, para poder definir cuantitativamente que tipo de aislador es el mejor. Para realizar este análisis se utilizó software que posteriormente será especificado en este documento.


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DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA Como se ha mencionado anteriormente, el método seleccionado para poder realizar el cálculo del valor de la dimensión fractal fue el método de conteo de cajas, en esta primera etapa de la evaluación y validación de la metodología se aplicará fractales en el tratamiento de imágenes en 2D, por lo tanto basados en la teoría previamente mencionada en este reporte. El valor esperado de la dimensión de fractal de los aisladores evaluados deberá de estar ubicado entre 1 y 2; de ninguna manera podrá ser mayor o menor a este rango. En esta primera etapa de la metodología se aplicarán fractales a los aisladores evaluados en cámara de niebla salina, ya que son estos en los cuales se tiene un mayor interés de saber cuál es el tipo de aislador que tiene un desempeño superior durante la prueba. La geometría fractal nos garantizará que el resultado obtenido al finalizar este análisis tendrá un soporte matemático y estadístico, por lo cual estará numéricamente respaldado (situación que hasta ahora no se había podido demostrar). En esta etapa se comparará el desempeño que tienen los aisladores desarrollados en el Instituto de Investigaciones Eléctricas contra el desempeño que presentan los aisladores comerciales de un fabricante comercial denominado “Fabricante 1” y otro fabricante denominado “Fabricante 2”. Para realizar el método de conteo de cajas se utilizaron el siguiente software especializado en análisis fractal:     

Fractop HarFA Fractalyse ImageJ Benoit 2.0 (se implementó tiempo después de haber realizado las primeras pruebas de la metodología, ya que no se contaba en un principio con este software).

Posteriormente se compararon los resultados que cada uno software nos otorga, de tal manera que se puedan revisar y comparar las variaciones de cada programa y estimar así un valor de dimensión fractal estadísticamente más aceptable. Las imágenes que se analizaron con la paquetería especializada fueron obtenidas de la base de datos generada del monitoreo constante de cada uno de los aisladores durante la prueba de cámara de niebla salina (se aplicará análisis fractal a las gráficas generadas de cada uno de los aisladores durante las 1000 hrs de prueba). El proceso de análisis y obtención de la dimensión fractal implementado en esta primera etapa de los diferentes aisladores evaluados en este estudio se explica en el siguiente diagrama de flujo.


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PROCESO DE ANÁLISIS Y OBTENCIÓN DE LA DIMENSIÓN FRACTAL DE LAS GRÁFICAS GENERADAS

Inicio

Obtener la imagen.

Estandarizar imágenes

Digitalizar la imagen.

Seleccionar Software.

No

¿La imagen esta lista para usar el software?

Si Cargar imagen en el software.


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Seleccionar software

en el análisis

“Método de conteo de cajas (Box Counting)”.

¿El software asigna el tamaño de las cajas a implementar?

No

Asignar el tamaño sugerido por el software.

Si Comenzar el análisis

¿El software realiza automáticamente el análisis de la pendiente Log/Log?

No

Seleccionar “Análisis

la

opción

de

pendiente”.

Si Dimensión Fractal de la imagen.


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la

Comparación y tabulación de la dimensión fractal obtenida por los 4 programas implementados”.

Fin.

Este diagrama de flujo, debe de realizarse en cada uno de los 4 diferentes programas implementados para este análisis, es importante mencionar que cada programa tiene ligeras variaciones en cuanto a los pasos a realizar del algoritmo anterior para poder implementar el método de conteo de cajas, es por eso que en algunos de ellos se omiten algunos pasos, pero el diagrama propuesto engloba todo lo que debe de hacerse antes de poder obtener una lectura de la Dimensión Fractal de cada uno de los diferentes aisladores analizados en el estudio. Una vez que se ha establecido el procedimiento para llevar acabo este análisis se procederá a describir lo que fue la etapa de la experimentación.

EXPERIMENTACIÓN En esta primera etapa de la implementación de la metodología se analizaron 8 especímenes de aisladores, cuatro de ellos son de manufactura IIE (2 aisladores tipo poste M76-11 y 2 tipo suspensión M76-28), dos de la marca “Fabricante 1” (tipo poste) y los dos últimos de la marca “Fabricante 2” (tipo suspensión). Los datos que se necesitaron para realizar el análisis fractal de imágenes fueron adquiridos del sistema de monitoreo diseñado en el IIE. En la siguiente tabla se muestra el canal de adquisición de datos en el cual fue colocado en cada uno de los aisladores para su posterior análisis:


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ASIGNACIÓN DE CANALES POR AISLADOR PRUEBA 1 "AISLADOR TIPO POSTE" CANAL AISLADOR POSICIÓN 1

“FABRICANTE 1”

VERTICAL

2

“FABRICANTE 1”

HORIZONTAL

3

M76-11 IIE M76-11 IIE

HORIZONTAL

4

VERTICAL

PRUEBA 2 "AISLADOR TIPO SUSPENSIÓN" CANAL AISLADOR POSICIÓN 1

“FABRICANTE 2”

VERTICAL

2

M76-28 IIE

HORIZONTAL

3

“FABRICANTE 2”

HORIZONTAL

4

M76-28 IIE

VERTICAL

Las siguientes imágenes fueron tomadas tras concluir la prueba de cámara de niebla salina, y en ellas se puede ver el estado en el cual salieron los aisladores tras esta prueba; es importante mencionar que en estas pruebas el aislador tipo poste del IIE en posición horizontal presentó tracking evidente, lo cual facilitó el análisis del resultado de la prueba.

[13] Aislador M76-11 IIE posición horizontal

[14] Aislador M76-11 IIE posición vertical


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[15] Aislador FABRICANTE 1 posición horizontal [16] Aislador FABRICANTE 1

[17] Aislador M76-28 IIE posición horizontal

posición vertical

[18] Aislador M76-28 IIE posición vertical


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[19] Aislador FABRICANTE 2 posición horizontal

[20] Aislador FABRICANTE 2 posición vertical

A continuación se muestran los resultados obtenidos al seguir el diagrama de flujo mencionado anteriormente. Las imágenes siguientes se dividen en 3 partes importantes: 1. Gráfica de corriente de fuga obtenida del monitoreo de la prueba y objeto de estudio. 2. Tabla de la dimensión fractal calculada por cada software. 3. Imagen de todos los softwares mostrando su proceso de análisis. El análisis de la dimensión fractal para todas las imágenes se realizó utilizando 4 diferentes programas los cuales son: Fractop, HarFA, Fractalyse e ImageJ.

DIMENSIÓN FRACTAL M76-11 IIE VERTICAL El primer análisis se realizó con la imagen p1_c1


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El resultado de la comparación fue el siguiente: SOFTWARE

DIMENSION FRACTAL OBTENIDA

Fractop

1.554

HarFA

1.590

Fractalyse

1.537

ImageJ

1.5492


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DIMENSIÓN FRACTAL “FABRICANTE 1” HORIZONTAL

El análisis se realizó con la imagen p1_c2

El resultado de la comparación fue el siguiente:

SOFTWARE


Fractop

1.197

HarFA

1.190

Fractalyse *

1.079

ImageJ

1.232

* El software no reconoció la imagen de forma correcta o lo hizo pero la imagen se distorsionó.


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DIMENSIÓN FRACTAL M76-11 IIE HORIZONTAL El análisis se realizó con la imagen p1_c3


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Fractop

1.423

HarFA

1.470

Fractalyse *

1.26

ImageJ

1.427

* El software no reconoció la imagen de forma correcta o lo hizo pero la imagen se distorsionó


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DIMENSIÓN FRACTAL “FABRICANTE 1” VERTICAL

El análisis se realizó con la imagen p1_c4


SOFTWARE


Fractop

1.651

HarFA

1.680

Fractalyse *

1.616

ImageJ

1.637



Pá ina 32

DIMENSIÓN FRACTAL “FABRICANTE 2” VERTICAL El primer análisis se realizó con la imagen p2_c1


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Fractop

1.539

HarFA

1.580

Fractalyse *

1.455

ImageJ

1.521



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DIMENSIÓN FRACTAL M76-28 IIE HORIZONTAL

El primer análisis se realizó con la imagen p2_c2


SOFTWARE


Fractop

1.375

HarFA

1.480

Fractalyse *

1.230

ImageJ

1.334



Pá ina 35

DIMENSIÓN FRACTAL “FABRICANTE 2” HORIZONTAL El primer análisis se realizó con la imagen p2_c3


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Fractop

1.435

HarFA

1.590

Fractalyse *

1.301

ImageJ

1.394

* El software no reconoció la imagen de forma correcta o lo hizo pero la imagen se distorsionó


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DIMENSIÓN FRACTAL M76-28 IIE VERTICAL

El primer análisis se realizó con la imagen p2_c4


SOFTWARE


Fractop

1.475

HarFA

1.550

Fractalyse *

1.375

ImageJ

1.501



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Como se puede ver, una vez que se ha diseñado y estructurado la metodología es relativamente sencillo el conjunto de pasos a seguir para obtener la dimensión fractal de cualquier figura con un comportamiento fractal definido, sin embargo cabe mencionar que la determinación de la dimensión fractal de cada uno de los especímenes sometidos a esta metodología tardó un tiempo promedio de 5 horas por cada espécimen, esto debido al cuidado y tratamiento de las imágenes necesarias para la aplicación del software utilizado en el estudio. Posterior a los primeros análisis se aplicó la metodología una vez más, pero en esta ocasión el software encargado de analizar fue Benoit 2.0.


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RESULTADOS EVALUACION REALIZADA A LAS GRÁFICAS DE CORRIENTE DE FUGATIEMPO DE LOS AISLADORES PRUEBA 1 "AISLADOR TIPO POSTE" CANAL Ds Fractop Ds HarFA Ds Fractalyse Ds ImageJ Benoit 1 1.554 1.59 1.537 1.5492 1.54419 2 1.197 1.19 1.079 1.232 1.16514 3* 1.423 1.47 1.26 1.427 1.38529 4 1.651 1.68 1.616 1.637 1.629 PRUEBA 2 "AISLADOR TIPO SUSPENSIÓN" CANAL Ds Fractop Ds HarFA Ds Fractalyse Ds ImageJ Benoit 1 1.539 1.58 1.455 1.521 1.51505 2 1.375 1.48 1.23 1.334 1.39339 3 1.435 1.59 1.301 1.394 1.46775 4 1.475 1.55 1.375 1.501 1.48853

NOTAS: Para la prueba 1:





* Aislador que falló durante la prueba. Ds = Dimensión Fractal

Para la prueba 2:





No falló ninguno de los aisladores evaluados Ds = Dimensión Fractal


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CONCLUSIÓN Con base al análisis, determinación y comparación de la magnitud de la Dimensión Fractal obtenida mediante la aplicación de software en las gráficas Corriente de Fuga-Tiempo desarrolladas durante la evaluación de los prototipos en cámara de niebla salina se concluye que:

PRUEBA 1 AISLADOR VERTICAL: EL “FABRICANTE 1” ES MEJOR QUE M76-11 IIE AISLADOR HORIZONTAL: EL “FABRICANTE 1” ES MEJOR QUE M76-11 IIE

PRUEBA 2 AISLADOR VERTICAL: M76-28 IIE ES MEJOR QUE EL “FABRICANTE 2” AISLADOR HORIZONTAL: M76-28 IIE ES MEJOR QUE EL “FABRICANTE 2”

Como se ha hecho énfasis a lo largo del desarrollo de este proyecto, lo que en este reporte se ha plasmado es solo el resultado obtenido de la primera etapa de la implementación de la metodología desarrollada para el análisis y determinación de la dimensión fractal de los aisladores poliméricos evaluados en cámara de niebla salina. Actualmente la metodología descrita en este reporte se ha extendido 2 etapas más, cubriendo así un mayor campo de aplicación para la geometría fractal. La metodología desarrollada se encuentra también en etapa de prueba, ya que como se ha mencionado el enfoque utilizado para su desarrollo es relativamente nuevo y por tanto un poco incierto, debido a esto, actualmente no se considera el resultado de esta metodología como un factor determinante, pero si como un factor adicional a considerar para la toma de una decisión mas completa. Es importante mencionar que el objetivo que actualmente se persigue con esta metodología no es solo el de poder comparar el rendimiento de los aisladores, sino el de poder predecir de manera muy cercano a la realidad el momento en el cual un aislador en servicio pueda fallar, para que se pueda tomar alguna decisión de mantenimiento o remplazo del aislador, según sea la opción mas rentable para el usuario de la metodología.


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BIBLIOGRAFÍA: [1] http://www.google.com.mx/imgres?imgurl=http://www.inversionessantely.com/Articulos [2] http://www.google.com.mx/imgres?q=aisladores+polimericos&um=1&hl=es&sa=N&tbm=is [3] http://www.rte.mx/productos/equipoelectrico/aisladores.html [4] coelce_normas_corporativas_20060619_286.pdf [5] http://www.google.com.mx/imgres?q=TRACKING+EN+AISLADORES&start=307&um=1&hl=es [6] Archivo Instituto de Investigaciones Eléctricas [7] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [8] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [9] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [10] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [11] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [12] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [13] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [14] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [15] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [16] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [17] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [18] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [19] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas [20] Imagen perteneciente al Instituto de Investigaciones Eléctricas http://es.wikipedia.org/wiki/Fractal http://platea.pntic.mec.es/mzapata/tutor_ma/fractal/dim_frac.htm http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lme/ojeda_s_r/capitulo4.pdf http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi99/fractales/dimen.htm


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Corriente de Fuga en Aisladores Poliméricos

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