AISLADORES DE VIDRIO TEMPLADO: SUS CARACTERÍSTICAS Y UTILIDADES

La utilización del aislador de vidrio templado (AVT) en el mundo coincidió con la necesidad de construir líneas de transmisión de tensiones cada vez más elevadas, y la consecuente obligación de encontrar componentes con alto grado de confiabilidad en la explotación de los sistemas eléctricos. ¿Qué lo diferencia de los aisladores de porcelana? Lo veremos a través del siguiente

Aisladores de vidrio templado

En Argentina, las primeras líneas eléctricas de Extra Alta Tensión, comenzaron a construirse en la década del 70. Y no es casualidad entonces que para las líneas del Chocón a Buenos Aires, Salto Grande a Buenos Aires y Futaleufú a Puerto Madryn, se haya elegido para la aislación al aislador de vidrio templado.

Esta preferencia se debe principalmente a las características técnicas y de performance, distintivas del AVT, respecto a los otros materiales empleados en la actualidad (porcelana y poliméricos), que trataremos en el presente artículo.

 

I. La conformación

En la fase de fabricación, se moldea vidrio líquido; se aplica al disco de vidrio un recocido, para eliminar las tensiones internas creadas durante el proceso. Se obtiene elevando la temperatura hasta un valor donde no se producen deformaciones. Posteriormente, se enfría lentamente el material para evitar que se creen gradientes de temperatura, que generen nuevas tensiones. Con esto se mejoran las propiedades del vidrio respecto a sus características mecánicas.

Durante este proceso se lleva adelante una labor de templado. Se trata de un tratamiento térmico que se da al material en dos etapas: la primera consiste en llevar el disco de vidrio hasta un punto de equilibrio con el fin de homogeneizar las temperaturas; y en la segunda, se da un enfriamiento de las zonas exteriores con el fin de crear tensiones de compresión en la superficie y de expansión en el interior, lo que aumenta la resistencia a las solicitudes de origen mecánico o térmico.

El resultado es una estructura interna completamente homogénea. Se obtiene del proceso la ventaja de no generarse micro-fisuras en el vidrio y por lo tanto, en caso de aparecer una fisura interna, el dieléctrico se romperá en gran cantidad de pequeños trozos, siendo este un atributo del producto.

 

II. Los componentes

Los aisladores de vidrio templado, para armar cadenas de suspensión o retención, se componen de las siguientes partes:

1. Disco dieléctrico: se produce en vidrio templado, de características y formas apropiadas para las condiciones ambientales de la zona en donde se instalará. Puede ser vidrio tipo estándar para zonas de normal contaminación, o tipo antiniebla, para zonas de alta contaminación.

2. Herrajes metálicos: estos son una caperuza de fundición maleable o dúctil galvanizada en caliente, un badajo de acero forjado, galvanizado en caliente y un dispositivo de enclavamiento (chaveta) de acero inoxidable que asegura el acoplamiento entre los aisladores en cadena. Estos herrajes son revestidos con una capa de pintura bituminosa (pintura asfáltica) en las superficies que están en contacto con el cemento. La pintura forma una junta de dilatación entre el cemento y los herrajes metálicos, que absorbe las expansiones originadas por cambios de temperatura y protege las partes metálicas, de los ataques químicos del cemento.

3. Cemento: el ensamble del disco de vidrio con los herrajes se realiza con cemento portland, de igual manera que en el armado de los discos de porcelana.

III. Análisis comparativo

Lo realizaremos entre los aisladores de vidrio y de porcelana, como componentes de una cadena. Los aisladores poliméricos, que son cadenas en sí mismas, merecen un análisis diferencial, dado que sus eventuales puntos débiles tienen que ver con su exposición a la radiación solar, factor que precisamente no afecta a los materiales que estamos comparando en este artículo (vidrio y porcelana).

 

a. Material dieléctrico de las campanas

Si bien tanto el vidrio como la porcelana pueden considerarse cerámicos basados en silicatos, y son relativamente similares desde el punto de vista de su composición química, son muy distintos considerados en su estructura interna (microestructura), debido a que sus procesos de manufactura son completamente diferentes.

 

a.1. Porcelana:

las materias primas mezcladas y llevadas al estado de una pasta plática, se moldean y tornean para luego ser secadas. La cochura en hornos adecuados, posterior al esmaltado, produce la cohesión parcial de los elementos constitutivos, transformaciones de fases y formación de vidrio. El resultado es una estructura interna (microestructura) heterogénea, compuesta de aluminosilicatos rodeados por una matriz vítrea.

Microfisuras
Tabla I

a.2. Vidrio templado:

las materias primas son fundidas en un horno para obtener vidrio líquido. Durante el moldeado y el templado, ni se forman partículas sólidas en la solución ni se produce ninguna cristalización a partir del fundido. El resultado es una estructura interna completamente homogénea.

 

b. Efecto de la microestructura de los discos aislantes

En materiales frágiles como porcelana o vidrio, la presencia (o ausencia) de discontinuidades internas microestructurales es fundamental. En estas discontinuidades se forman, durante el proceso de manufactura, microfisuras. Estas microfallas se propagan con el tiempo bajo el efecto de las solicitaciones de servicio y, finalmente, llevan al aislador a su falla.

La presencia y posterior propagación de microfisuras, es una de las razones de mayor peso que explican porqué los aisladores de porcelana, con el tiempo, pierden resistencia mecánica. En servicio, y bajo solicitaciones eléctricas (impulsos de rayos o maniobras), se disparan fenómenos de ruptura dieléctrica en puntos de irregularidad microestructural. Este efecto, sumado a la propagación de grietas, acelera la perforación eventual.

Teniendo en cuenta estos conceptos, concluimos:

b.1. Porcelana:

es un material que, con el tiempo, pierde resistencia mecánica y se torna vulnerable a falla eléctrica (perforación), debido a la presencia y crecimiento de microfisuras en su microestructura heterogénea.

b.2. Vidrio templado:

es un material con la perfección microestructural necesaria, para soportar las más severas combinaciones de tensiones eléctricas y mecánicas en aisladores de suspensión.

c. Efecto de las condiciones superficiales

Las microfisuras que puedan estar presentes en la superficie de las campanas dieléctricas, tienen gran importancia en las performances dieléctricas y mecánicas de los aisladores. Ello se debe a la gran concentración de tensiones que se produce en los extremos de estas microfallas y que pueden producir su propagación, y por ende, la falla del aislador.

Como las microfisuras superficiales son intrínsecas de los materiales cerámicos, como la porcelana o el vidrio, debe buscarse la forma de neutralizar su efecto. Los métodos usados para superar esta dificultad son:

c.1. Porcelana:

la superficie de las campanas, rugosa y porosa, se mejora con la capa de esmalte. Esta capa vítrea tiene un coeficiente de expansión térmica distinto al del cuerpo de porcelana, y por lo tanto, posibilita una cierta pre-compresión superficial. Hay razones cerámicas que no permiten que estos coeficientes de expansión térmica sean muy distintos, por lo que la compresión superficial es limitada (aprox. 15 MPa), no resultando demasiado efectiva para prevenir la propagación de las microfisuras superficiales.

c.2. Vidrio templado:

La superficie del dieléctrico de vidrio está sometida a una pre-compresión permanente, lograda durante el enfriamiento en condiciones controladas (proceso denominado templado). La pre-compresión que se logra es muy alta (aprox. 250 MPa), por lo que la propagación de fisuras se encuentra muy inhibida.

d. Resistencia a los choques térmicos

Las variaciones bruscas de temperatura producen, en los materiales frágiles, fuertes tensiones de origen termomecánico, que pueden conducir a su rotura. Estas tensiones son especialmente peligrosas en los enfriamientos posteriores a cualquier calentamiento, porque es en esta etapa cuando la superficie de los aisladores queda sometida a tracción.

Arco disruptivo
Figura 1

d.1. Porcelana:

frente a las tensiones termomecánicas tienen una respuesta más débil, por:

– d.1.a. Baja pre-compresión superficial, rápidamente superada por las tracciones superficiales de enfriamiento.

– d.1.b. Defectos superficiales e internos que potencian los esfuerzos generados.

– d.1.c. Alto módulo elástico que refuerza la naturaleza frágil.

d.2. Vidrio templado:

resisten mejor por:

– d.2.a. Alta pre-compresión superficial más difícil de superar por los esfuerzos de tracción de enfriamiento.

– d.2.b. Ausencia de defectos estructurales.

– d.2.c. Menor módulo elástico, que permite una mejor distribución de los esfuerzos generados.

e. Características de expansión térmica

Los componentes de los aisladores de suspensión se expanden o contraen de diferente manera, porque poseen distintos coeficientes de expansión térmica (CET). Para evitar tensiones internas que puedan provocar fatiga, debe tratarse que los componentes de los aisladores tengan CET similares.

Para aisladores de suspensión, las normas incluyen el requerimiento de un ensayo termomecánico, ya que existe evidencia de correlación entre el efecto de diferentes CET y la performance. En la Tabla II se pueden observar los valores de CET de los componentes de aisladores de suspensión.

e.1. Porcelana:

el CET de la campana de porcelana es 44% menor que el del material de la caperuza y el badajo. Por lo tanto, y debido a movimientos relativos durante variaciones de temperatura, son más vulnerables a la fatiga.

e.2. Vidrio templado:

el CET de la campana de vidrio es sólo 20% menor que el del material de la caperuza y el badajo. Por lo tanto, son en la práctica, insensibles a la fatiga.

f. Relación entre el material del dieléctrico y la resistencia residual

Las campanas dieléctricas (tanto porcelana o vidrio) pueden dañarse severamente durante su armado, despacho, transporte o servicio, por impacto mecánico o por arco de potencia. Sin embargo, la resistencia mecánica residual del aislador debe ser lo suficientemente alta, como para asegurar que no habrá caída de líneas, además de retener un alto grado de integridad eléctrica. Al aislador de suspensión con su campana dieléctrica rota se le denomina “muñón”.

f.1. Porcelana:

el comportamiento del “muñón” es impredecible, porque los mecanismos de falla de campanas sometidas a impactos o arcos de potencia, implican múltiples fracturas en la zona de la cabeza de la campana. Por otro lado, desde el punto de vista eléctrico, la aparición de fisuras internas de importancia en la zona de la cabeza, es casi con seguridad el inicio de una perforación cuando haya sobrecargas eléctricas.

Aislador
Tabla II

f.2. Vidrio templado:

La pre-compresión superficial de las campanas (producto del proceso de templado), está balanceada con una pre-tracción en el interior de las mismas. Cuando la pre-compresión superficial es superada con esfuerzos externos excepcionales, la pre-tracción interior es liberada. El aislador se desintegra, salvo en la zona de la cabeza, donde el vidrio está soportado por el cemento que lo rodea. Los fragmentos quedan perfectamente acuñados entre sí. La resistencia mecánica del muñón del AVT es apenas menor que la resistencia mecánica del aislador sano.El comportamiento eléctrico del muñón sigue siendo confiable, debido al perfecto empaquetamiento de los fragmentos de vidrio. Si la tensión eléctrica que soporta un elemento de la cadena en forma de muñón aumenta, el arco disruptivo se produce en aire, debido a la menor distancia entre el badajo y la caperuza (ver Figura 1).

g. Diseño de la campana dieléctrica

g.1. Porcelana:

las campanas se fabrican por un proceso de prensado y eventualmente torneado, de una pasta plástica, seguido por la cochura. El diseñador de un aislador debe tener en cuenta que para minimizar el efecto de las tensiones térmicas que se producen durante la cochura, deben evitarse secciones delgadas en el producto y transiciones bruscas de forma. Estas limitaciones impiden lograr un diseño óptimo del perfil de las campanas.

g.2. Vidrio templado:

Las campanas dieléctricas se producen por moldeado. Este proceso no le impone restricciones limitantes al diseñador en lo que hace a cambios de formas y espesores. Como consecuencia, los AVT tienen diseños óptimos de perfil de campana para una variedad de aplicaciones en áreas contaminadas (ver Figura 2).

h. Comparación de la performance entre AVT y aisladores de porcelana

h.1. Resistencia a sobretensiones de impulso

– h.1.a. Porcelana: pueden ser vulnerables a la perforación por impulso de frente de onda escarpado, debido a fallas microestructurales internas (porosidad, microgrietas).

– h.1.b. Vidrio templado: soportan los impulsos de frente de onda escarpado sin perforación, debido a su homogeneidad interna microestructural.

h.2. Soportar los efectos de cargas mecánicas cíclicas

– h.2.a. Porcelana: la resistencia mecánica residual baja hasta 30%. La pre-compresión del esmalte puede ser insuficiente para evitar la propagación de grietas superficiales. Pueden originarse grietas en puntos de discontinuidad interna que luego pueden propagarse.

– h.2.b. Vidrio templado: La resistencia mecánica no se afecta ni por el transcurso del tiempo ni por las cargas cíclicas. La pre-compresión dada por el templado evita la propagación de grietas.

h.3. Resistencia a los cambios de temperatura

– h.3.a. Porcelana: pueden presentar altas tensiones

internas de suncho, debido a la diferente expansión y contracción de sus componentes (cerámica, cemento y metal). Puede producir la fractura de la campana. El coeficiente de expansión térmica de la porcelana es 44% menor que el de los componentes metálicos (caperuza y badajo).

– h.3.b. Vidrio templado: dado que el coeficiente de expansión térmica del vidrio es muy similar al del cemento y al de los metales, las tensiones internas de suncho resultan muy bajas.

h.4. Resistir efectos de arcos de potencia

– h.4.a. Porcelana: La campana dieléctrica puede explotar por efecto de un arco de potencia, dada la existencia de fisuras o canales de perforación producidos por otros arcos de potencia anteriores o por efectos derivados de los bruscos cambios de temperatura.

– h.4.b. Vidrio templado: soportan los efectos térmicos extremos derivados de los arcos de potencia. La resistencia al choque térmico de los AVT es superior a la de los aisladores de porcelana, ya que su estructura interna está prácticamente libre de defectos. Si en algún caso extremo la campana explotara, la línea no se cae por lo descripto en la Tabla I.

h.5. Diferencia en el peso

– h.5.a. Porcelana vs. Vidrio templado: para cargas mecánicas de 70 / 80 kN, los aisladores de porcelana son 35% más pesados que el equivalente de vidrio templado. Para cargas de 120 kN, este valor asciende a 63%.

h.6. Resistencia a daños en el transporte, almacenamiento y montaje

– h.6.a. Porcelana: son vulnerables al daño. Su resistencia mecánica superficial es 70% menor que la de los AVT.

– h.6.b. Vidrio templado: la alta resistencia mecánica de los AVT minimiza o impide este tipo de daño.

AVT
Figura 2

h.7. Detección de daños en la línea

– h.7.a. Porcelana: la identificación de las unidades dañadas requiere equipamiento especial y consume mucho tiempo.

– ?h.7.b. Vidrio templado: la inspección visual a distancia facilita la rápida identificación de una unidad fallada.

h.8. Caída de líneas por falla mecánica

– h.8.a. Porcelana: la resistencia mecánica se reduce mucho por efectos de fisuras en la campana dieléctrica. Existe alta posibilidad de caída de líneas.

– h.8.b. Vidrio templado: aún después de perder todo el material de la campana, el muñón remanente retiene un alto porcentaje de la carga mecánica de diseño. No hay caída de líneas.

h.9. En piezas dañadas no debe haber arco interno

– h.9.a. Porcelana: se producen arcos internos en las fisuras de la campana dieléctrica. Posibilidad de expulsión del badajo y de destrucción completa por los efectos térmicos derivados de un arco de potencia.

– h.9.b. Vidrio templado: si se produce arco, es externo. No hay descargas disruptivas internas.

h.10. Mantenimiento de líneas bajo carga

– h.10.a. Porcelana: razones de seguridad aconsejan testear los aisladores de la cadena para detectar fallas internas antes de realizar las tareas de mantenimiento bajo tensión. Su mayor peso dificulta dicho mantenimiento.

– h.10.b. Vidrio templado: no es necesario testear los aisladores individuales antes de proceder al mantenimiento, bastando una inspección visual. El bajo peso facilita el mantenimiento.

*Gerente de Ventas de Tarea SRL.

Más información: www.tareasrl.com.ar

Ver también:

EMPREL S.R.L. presenta su nueva línea de productos en alta tensión     

Aisladores poliméricos de perno