Los ingenieros de alto voltaje entienden bien que los aisladores generalmente permanecen inactivos cuando están secos, incluso si están muy contaminados. Sin embargo, pueden encenderse rápidamente con una actividad de descarga parcial una vez que la lluvia o la condensación mojan las superficies sucias. El alcance de dicha actividad de descarga dependerá de si las superficies son hidrófilas, lo que permite películas de agua continuas, o si forman gotas de agua a través de la hidrofobicidad inherente.

Dado que la actividad de formación de arcos excesiva puede provocar descargas disruptivas, este posible problema de confiabilidad se maneja mejor seleccionando perfiles con una distancia de fuga suficiente para el voltaje del sistema y el entorno contaminado. Este artículo, aportado por el columnista de INMR William Chisholm, analiza la acumulación de polvo y contaminación en los aisladores, con miras a identificar más correctamente las condiciones de servicio aplicables y especificar mejor los aisladores.

Severidad de la contaminación del sitio según IEC 60815

La norma IEC 60815 básicamente recomienda ajustar la tensión de la distancia de fuga de un aislador en un rango de 5:2, desde 22 mm/kV de voltaje línea a tierra en el caso de una severidad de contaminación del sitio muy leve (Clase A) hasta 55 mm/kV para contaminación muy fuerte (Clase E). Por supuesto, la clave para aplicar correctamente este estándar es establecer la severidad correcta de la contaminación del sitio antes de especificar los aisladores. Si se subestima la contaminación del sitio, el estándar proporciona poco valor para evitar problemas de descarga y descarga disruptiva aguas abajo.

Afortunadamente, hay muchas guías para ayudar al ingeniero eléctrico a evaluar la gravedad de la contaminación del sitio (o SPS) de cualquier entorno de servicio. Quizás la mejor práctica de este tipo se describe en el INMR número 69 (trimestre 3, 2005) e implica tomar muestras de la contaminación de los aisladores expuestos como parte de un programa sistemático a largo plazo para desarrollar un mapa de contaminación de todo el país. Esto, por ejemplo, se ha llevado a cabo en países como Irán (por el Niroo Research Institute) y China (por State Grid y Southern China Power Grid).

La evaluación de los depósitos eléctricamente conductores forma una parte fundamental de estos estudios y la selección de la distancia de fuga basada en la medición de la densidad equivalente del depósito de sal (ESDD) está bien establecida. Sin embargo, IEC 60815 también exige una estimación de la densidad de depósitos no solubles (NSDD) en la contaminación acumulada.

Efecto de NSDD en la fuerza eléctrica de los aisladores

Los depósitos de NSDD a menudo superan con creces los niveles de ESDD que se acumulan en aisladores expuestos y superficies metálicas (en China, en una proporción de 5 a 1). Cuando entra en contacto con el metal y se combina con la humedad, este polvo no soluble puede generar diferentes problemas, como acelerar la corrosión del metal.

Por ejemplo, una forma de poner NSDD en la perspectiva adecuada es comparar su peso (en mg/cm2) con la cantidad de agua en una superficie en condiciones que conducen a la corrosión. En la "humedad relativa crítica", donde el agua se absorbe directamente sobre una superficie que contiene contaminación salina, el espesor de la capa de agua resultante pesa aproximadamente 0,001 mg/cm2. Esta aumenta a 0,1 mg/cm2 al 100 % de humedad relativa, luego a 1 mg/cm2 cuando está cubierta de rocío y finalmente a 10 mg/cm2 cuando está mojada por la lluvia.

NSDD también es importante en el rendimiento eléctrico de los aisladores porque afecta la naturaleza de la humectación de la superficie. Una superficie con un depósito de polvo pesado pero inerte estabilizará cualquier contaminación conductiva que haya y promoverá el desarrollo repetido de descargas parciales y bandas secas. La capa de polvo sedimentada también puede absorber dióxido de azufre y vapor de agua directamente del aire. Esto aumenta el riesgo de que las sales higroscópicas (incluidos los cloruros y los sulfatos) absorban suficiente agua del aire húmedo para "automojarse", formando así una superficie conductora continua que reduce el rendimiento de descarga disruptiva del aislador, incluso si no hay lluvia ni niebla.

De hecho, el papel de NSDD ha sido reconocido durante años en las pruebas de contaminación utilizando el método de niebla limpia. Los estándares de prueba requieren que, independientemente de la conductividad eléctrica que se utilice en la suspensión de precontaminación, siempre debe tener la misma concentración de arcilla de caolín de 40 g/l. Esto produce un resultado de prueba de niebla limpia repetible y, según el trabajo realizado en 1996 por el Prof. R. Matsuoka, el bajo nivel de NSDD resultante de 0,05-0,07 mg/cm2 tiene solo una influencia mínima en la selección del aislador según IEC 60815.

Sin embargo, a niveles más altos (p. ej., hasta 1 mg/cm2), el efecto de la NSDD sobre la fuerza eléctrica se vuelve progresivo. Por ejemplo, los resultados de las pruebas analizadas en 2009 por el autor muestran que un aumento de 5:1 en ESDD (de 0,04 a 0,2 mg/cm2) hace que el rendimiento de descarga disruptiva disminuya entre un 30 y un 40 %. Un aumento de 7:1 en NSDD (de 0,14 a 0,95 mg/cm2), por el contrario, da como resultado una reducción del rendimiento del 20 al 25%.

Las importantes ventajas de rendimiento de las superficies de caucho de silicona sobre el vidrio y la porcelana, ya sea como aislantes poliméricos o revestimientos de silicona RTV, se relacionan principalmente con la capacidad de estos materiales de alta energía superficial para romper películas continuas de agua. Esto asegura que no haya una ruta eléctrica directa desde los accesorios de los extremos a través de la superficie del aislador.

Según algunos, la pregunta "no resuelta" o abierta en la aplicación de materiales de silicona es si esta ventaja de rendimiento se puede mantener en todas las circunstancias. Puede haber algún nivel de carga crítico por encima del cual la acumulación de polvo inerte supera la capacidad del material de silicona para producir una película de gotas de agua de entidades de bajo peso molecular (LMW) que son responsables de la transferencia de hidrofobicidad.

Estimación de las tasas globales de depósito de polvo

Por supuesto, el NSDD se puede estimar utilizando algún multiplicador generalizado basado en la experiencia, como 5 veces el ESDD como se sugiere para China o 10 veces el ESDD en el Medio Oriente. Sin embargo, por lo general es mucho mejor obtener estimaciones independientes de la contaminación soluble y no soluble. En este sentido, las observaciones satelitales parecen ofrecer una forma nueva y económica de recopilar datos útiles de NSDD que cubren grandes áreas del mundo y también para estudiar cómo cambia la relación NSDD/ESDD en las diferentes regiones.

Diecinueve autores de un artículo de 2005 en Science utilizaron tres estudios que coincidían con las estimaciones de profundidad óptica satelital para la deposición de polvo con las concentraciones de hierro registradas localmente. A continuación, propusieron un mapa de la densidad media anual de depósitos de polvo, que destaca las áreas con una tasa de depósito de 20 g/m2/año en el norte de África, Oriente Medio y el noroeste de China.

Modelo de acumulación de polvo

El polvo se elimina de la atmósfera por deposición seca o húmeda. Por lo tanto, un modelo simple para la acumulación de NSDD en las superficies del aislador sería el siguiente:

• El flujo de polvo es uniforme durante todo el año

• Los días sin precipitaciones permiten que se acumule el polvo

• Los días con precipitaciones eliminan todo el polvo

Este modelo claramente sería mejor para las superficies superiores que las que miran hacia el suelo. La tasa de aumento de NSDD, con un fuerte flujo de polvo de 10 g/m2/año en la Fig. 3, sería de 0,0027 mg/cm2 por día. Por lo tanto, para alcanzar el nivel de 1 mg/cm2, en el que la influencia de la NSDD se vuelve muy fuerte, se necesitarían (1/0,0027) días, aproximadamente un año completo sin lluvia. Desafortunadamente, aún no existe un modelo de computadora bien definido para establecer cómo el flujo de aire que pasa por las superficies del aislador influye en la tasa de aumento de NSDD en las superficies inferiores, o cómo alcanza un equilibrio después de un servicio a largo plazo.

Observaciones de acumulación de polvo

En esta etapa, existen relativamente pocos puntos de confirmación para guiar la aplicación de la tasa de depósito de polvo para estimar los niveles de NSDD en los aisladores.

Por ejemplo, a lo largo de la ruta de una línea de transmisión propuesta de 1000 km en Rusia, se informó que los niveles de NSDD de 40 estaciones de prueba estaban en el rango de 0,02 a 0,14 mg/cm2, con un valor medio de 0,04 mg/cm2. El mapa mundial muestra tasas anuales de depósito de polvo del orden de 1-2 g/m2/año, que cuando se convierte da 0,1-0,2 mg/cm2 por año. En Irán, se encontró que los niveles de NSDD en aisladores de prueba estaban en el rango de 0,2 a 0,8 mg/cm2 en la región de Bushehr, en comparación con valores de 0,5 a 3 mg/cm2 en la región de Hormozgan. Luego, estos se trazaron en la tabla de clasificación IEC 60815 para SPS, junto con los valores medidos de ESDD. Una inspección minuciosa del mapa de Jickells para esta región revela que las tasas anuales de depósito de polvo también difieren (es decir, 10-20 g/m2/año para Bushehr y 20-50 g/m2/año para Hormozgan). En ambos casos, la proximidad al mar hace que los niveles de ESDD superen el alto nivel de 0,1 mg/cm2/año.

El uso de escalas logarítmicas en ambos ejes en el gráfico IEC es deliberado ya que tales distribuciones son más útiles al seleccionar aisladores. Capturan fielmente la amplia dispersión en los resultados de las pruebas, mientras que los promedios simples y los valores de desviación estándar para las distribuciones normales no lo hacen. La dispersión en los valores de NSDD demostró ser igual o menor que la variación en las mediciones de ESDD correspondientes.

En Israel, el Dr. Evgeni Volpov de Israel Electric Company confirma su confianza en los datos del mapa de polvo global y también sugiere que una relación NSDD/ESDD de 10:1 es apropiada para el Medio Oriente. Las observaciones anteriores de Hormozgan respaldan este refinamiento. Después de un servicio a largo plazo en una línea de CC de ±600 kV cerca de la represa de Itaipu en Brasil, los niveles medidos de NSDD excedieron los 2 mg/cm2. Dada una ESDD local de 0,4 mg/cm2, aquí parece aplicarse una proporción de 5:1. Como se discutió, esta relación también se ha propuesto para muchas aplicaciones de aisladores en China.

Las proporciones diferentes de NSDD/ESDD también pueden ser apropiadas para otras regiones y condiciones de exposición. Por ejemplo, Ontario, Canadá, es un área con niveles anuales bajos según el mapa de polvo global (es decir, 0,2 a 0,5 g/m2/año). En una temporada de mediciones invernales con frecuentes intervalos de lluvia natural, la relación NSDD/ESDD observada fue inferior a 3:1. Estadísticamente, la desviación estándar del logaritmo natural de los valores NSDD (sln NSDD = 1,5) fue tres veces mayor que el valor ESDD correspondiente (sln ESDD = 0,5). Esto contrasta con los niveles de contaminación en Irán, donde hubo menos variación en NSDD que en ESDD.

Por otro lado, las fuentes locales de depósitos de contaminación no soluble, como las plantas de cemento, pueden generar niveles extremos de NSDD en todas las superficies. Por ejemplo, grandes depósitos se acumularon durante un período de 27 años en aisladores cerca de una planta de cemento en Indonesia, que tiene aproximadamente la misma densidad de depósitos de polvo que Canadá y, por lo demás, debería tener bajos niveles de contaminación debido a la lluvia frecuente. El nivel de ESDD de 0,7 mg/cm2 se consideraría "medio" sin el NSDD, pero "muy alto" con NSDD (siendo 26-29 mg/cm2 más alto que el nivel máximo que se muestra en la tabla de clasificación IEC 60815). En este caso inusual, la relación general NSDD/ESDD fue de aproximadamente 400.

Conclusiones

Este artículo ha discutido el uso de observaciones satelitales globales para establecer un diseño de aislador local adecuado dados los niveles de NSDD. La validación adicional, especialmente en aquellos países que tienen un fuerte gradiente en la tasa anual de depósito de polvo, junto con las mejoras en los detalles del mapa ayudarán a lograr el objetivo de refinar el modelo de acumulación de polvo en los aisladores.

Al mismo tiempo, puede ser necesario un modelo de computadora de flujo de aire para proyectar la densidad de flujo de los depósitos superficiales en un cuerpo aislador de geometría específica para estimar las tasas de acumulación de NSDD en las superficies inferiores.

https://www.inmr.com/non-soluble-surface-deposits-on-insulators/