Haber visitado fabricantes de aisladores durante muchos años me dio una oportunidad única de comprender este negocio desde varios aspectos prácticos. Durante una de esas visitas, por ejemplo, me preguntaron: si tuviera que elegir una sola prueba que arrojara la mayor cantidad de información sobre la calidad y el rendimiento del producto, ¿cuál sería? Después de considerarlo, respondí que tenía que ser la prueba de impulso de frente empinado.

Esta prueba está incluida como prueba de diseño en IEC 61211 para aisladores cerámicos (porcelana y vidrio) y en IEC 61109 para aisladores compuestos. Es esencialmente una prueba de voltaje de impulso, excepto que el voltaje aumenta a un ritmo mucho más rápido que el utilizado en las pruebas de impulso de rayo y conmutación. Por ejemplo, en una prueba de impulso de rayo, el voltaje sube desde cero hasta el valor máximo de unos pocos cientos de kV en aproximadamente una millonésima de segundo (1 µs). En la prueba de impulso de conmutación, el voltaje sube a este valor máximo durante un marco de tiempo mucho más largo, es decir, 250 µs. Sin embargo, en la prueba de impulso de frente empinado, el tiempo de aumento de tensión especificado en la norma para aisladores cerámicos es de 2500 kV/µs, mientras que para aisladores compuestos es de 1000 kV/µs.

Por lo general, se realizan pruebas de impulsos de rayos y maniobras para garantizar que la holgura del entrehierro sea adecuada. Esto es útil para la coordinación del aislamiento del sistema (en pocas palabras, un proceso que asegura que los equipos menos costosos se conectan primero, protegiendo así los equipos más costosos). A menos que un aislador sea muy defectuoso, el arco siempre es externo a él. Esto se debe a que el aire ofrece una resistencia más baja que el dieléctrico del aislador sólido, a pesar de que el espacio de aire externo entre los electrodos es más largo que la separación de los electrodos dentro del aislador mismo.

En la prueba de impulso de frente empinado, por el contrario, debido a la rapidez de la sobretensión, el camino de menor resistencia puede ser a través del cuerpo del aislador. En este caso, se dice que el aislador está perforado. El estándar de aisladores cerámicos exige cinco disparos de polaridad positiva seguidos de un número igual de disparos de polaridad negativa. En el caso del aislador compuesto estándar, hay 25 disparos de cada polaridad. Para que un aislador pase, la aplicación del voltaje de prueba siempre debe resultar solo en una descarga disruptiva externa.

La ruptura del aislamiento (ya sea sólido, líquido o gas) está relacionada con la disponibilidad de un número crítico de partículas con carga libre (electrones e iones) en el espacio entre los electrodos a diferente potencial. Este número crítico se crea mediante un proceso de avalancha en el que los pocos electrones libres siempre presentes debido a la radiación cósmica obtienen energía del campo eléctrico aplicado y chocan con moléculas neutras, liberando así más portadores de carga libre.

La perforación del aislamiento sólido se debe invariablemente a la presencia o creación de inclusiones gaseosas (por ejemplo, vacíos, burbujas, interfaces defectuosas). A medida que aumenta la pendiente de la onda de voltaje, la energía ganada puede ser suficiente para desalojar suficientes electrones en estas imperfecciones. Por lo tanto, uno puede esperar que los aisladores experimenten descargas disruptivas externas cuando la onda de voltaje aumenta lentamente. Pero cuando aumenta la inclinación (y suponiendo que la magnitud del voltaje sea lo suficientemente alta), los aisladores pueden fallar internamente en el dieléctrico a granel o en sus diversas interfaces.

La probabilidad de pinchazo en una prueba de frente empinado aumenta con los defectos y con la pendiente del voltaje aplicado. En principio, incluso en el caso de buenos aisladores, se puede seguir aumentando la inclinación de la ola hasta que el aislador finalmente se rompa. En los aisladores de porcelana, los defectos internos provienen de poros y grietas microscópicas que se encuentran invariablemente alrededor de los cristales de cuarzo. Además, la heterogeneidad de la formulación de la porcelana crea numerosas interfaces entre los granos. En los aisladores de vidrio, las inclusiones y las burbujas pueden provocar fallas internas, aunque es muy probable que dichos defectos provoquen la rotura de la carcasa antes de que se adhiera al hardware. Para los aisladores compuestos, las imperfecciones en las varillas centrales de fibra de vidrio pueden surgir por varias razones (por ejemplo, vacíos, impurezas, fibras secas, resina curada incorrectamente). Una mala interfaz varilla-carcasa puede crear bolsas de aire a lo largo de las cuales se pueden producir averías. Estas imperfecciones pueden originarse debido a materiales de mala calidad o durante un procesamiento inadecuado del producto terminado.

Entonces, si esta única prueba responde tantas preguntas sobre el rendimiento del aislador, ¿por qué no se usa con más frecuencia? La respuesta simple es el costo. Obtener valores altos de voltaje (es decir, varios cientos de kV) a una velocidad tan rápida es difícil para muchos laboratorios. Además, el equipo de prueba debe tener una inductancia extremadamente baja, la conexión a tierra debe ser buena (sin bucles de tierra) y las conexiones deben realizarse con mucho cuidado (tuberías o conductores trenzados en lugar de cables delgados). Con típicamente 300-600 kV, se pueden probar aisladores de suspensión de porcelana y vidrio debido a sus alturas fijas y relativamente pequeñas. Para aisladores compuestos, la longitud de la muestra especificada es de 500 mm o menos y no es práctico realizar esta prueba en aisladores más largos (como aisladores de poste). La punción no es un modo típico de falla a menos que haya un defecto grave de material o de fabricación, en cuyo caso existen otras pruebas más simples para eliminarlos.

Mi consejo es realizar la prueba de impulso frontal pronunciado en una muestra pequeña cada vez que realice cambios en los proveedores de materiales o componentes o si cambia los controles del proceso, incluso cuando el diseño del producto permanece sin cambios. Si el aislador pasa esta prueba estándar, aumente la pendiente hasta que se perfore. Por supuesto, cada vez que se perfora un aislador, hay que diseccionarlo para establecer la causa raíz. Pero, ¿no sería la información más convincente para establecer si los cambios realizados realmente mejoraron el rendimiento o no? Incluso iría un paso más allá y sugeriría que esta prueba podría usarse para evaluar el envejecimiento de aisladores cerámicos y compuestos.

https://www.inmr.com/steep-front-impulse-test-insulators-2/   Ravi S. Gorur