A Argentina, les primeres línies elèctriques d’Extra Alta Tensió, van començar a construir-se en la dècada de l’70. i no és casualitat llavors que per a les línies de l’Chocón a Buenos Aires, Salt Gran a i Futaleufú a Puerto Madryn, s’hagi triat per l’aïllament a l’aïllador de vidre temperat.
Aquesta preferència es deu principalment a les característiques tècniques i de performance, distintives de l’AVT, respecte als altres materials emprats en l’actualitat (porcellana i polimèrics), que tractarem en el present article.
I. La conformació
En la fase de fabricació, es modela vidre líquid; s’aplica a el disc de vidre un recuit, per eliminar les tensions internes creades durant el procés. S’obté elevant la temperatura fins a un valor on no es produeixen deformacions. Posteriorment, es refreda lentament el material per evitar que es creïn gradients de temperatura, que generin noves tensions. Amb això es milloren les propietats de l’vidre respecte a les seves característiques mecàniques.
Durant aquest procés es porta endavant una tasca de temperat. Es tracta d’un tractament tèrmic que es dóna a l’material en dues etapes: la primera consisteix a portar el disc de vidre fins a un punt d’equilibri per tal d’homogeneïtzar les temperatures; i en la segona, es dóna un refredament de les zones exteriors per tal de crear tensions de compressió en la superfície i d’expansió a l’interior, el que augmenta la resistència a les sol·licituds d’origen mecànic o tèrmic.
El resultat és una estructura interna completament homogènia. S’obté de l’procés l’avantatge de no generar-micro-fissures en el vidre i per tant, en cas d’aparèixer una fissura interna, el dielèctric es trencarà en gran quantitat de petits trossos, sent aquest un atribut del producte.
II. Els components
Els aïlladors de vidre temperat, per armar cadenes de suspensió o retenció, es componen de les següents parts:
1. Disc dielèctric: es produeix en vidre temperat, de característiques i formes apropiades per a les condicions ambientals de la zona on s’instal·larà. Pot ser vidre tipus estàndard per a zones de normal contaminació, o tipus antiboira, per a zones d’alta contaminació.
2. Ferratges metàl·lics: aquests són una caputxa de fosa mal·leable o dúctil galvanitzada en calent, un batall d’acer forjat, galvanitzat en calent i un dispositiu d’enclavament (xaveta) d’acer inoxidable que assegura l’acoblament entre els aïlladors en cadena. Aquests ferramentes són revestits amb una capa de pintura bituminosa (pintura asfàltica) en les superfícies que estan en contacte amb el ciment. La pintura forma una junta de dilatació entre el ciment i les ferramentes metàl·lics, que absorbeix les expansions originades per canvis de temperatura i protegeix les parts metàl·liques, dels atacs químics de el ciment.
3. Ciment: l’acoblament del disc de vidre amb les ferramentes es realitza amb ciment pòrtland, de la mateixa manera que en l’armat dels discos de porcellana.
III. Anàlisi comparativa
El farem entre els aïlladors de vidre i de porcellana, com a components d’una cadena. Els aïlladors polimèrics, que són cadenes en si mateixes, mereixen una anàlisi diferencial, atès que els seus eventuals punts febles tenen a veure amb la seva exposició a la radiació solar, factor que precisament no afecta els materials que estem comparant en aquest article (vidre i porcellana).
a. Material dielèctric de les campanes
Si bé tant el vidre com la porcellana poden considerar ceràmics basats en silicats, i són relativament similars des del punt de vista de la seva composició química, són molt diferents considerats en la seva estructura interna ( microestructura), a causa de que els seus processos de manufactura són completament diferents.
a.1. Porcellana:
les matèries primeres barrejades i portades a l’estat d’una pasta plática, es modelen i tornegen per després ser assecades. La cocció en forns adequats, posterior a l’esmaltat, produeix la cohesió parcial dels elements constitutius, transformacions de fases i formació de vidre. El resultat és una estructura interna (microestructura) heterogènia, composta de aluminosilicats envoltats per una matriu vítria.
a.2. Vidre temperat:
les matèries primeres són foses en un forn per obtenir vidre líquid. Durant el modelat i el temperat, ni es formen partícules sòlides en la solució ni es produeix cap cristal·lització a partir d’el fos.El resultat és una estructura interna completament homogènia.
b. Efecte de la microestructura dels discos aïllants
En materials fràgils com porcellana o vidre, la presència (o absència) de discontinuïtats internes microestructurals és fonamental. En aquestes discontinuïtats es formen, durant el procés de manufactura, microfissures. Aquestes microfallas es propaguen amb el temps sota l’efecte de les sol·licitacions de servei i, finalment, porten a l’aïllador a la seua falla.
La presència i posterior propagació de microfissures, és una de les raons de més pes que expliquen perquè els aïlladors de porcellana, amb el temps, perden resistència mecànica. En servei, i sota sol·licitacions elèctriques (impulsos de raigs o maniobres), es disparen fenòmens de ruptura dielèctrica en punts d’irregularitat microestructural. Aquest efecte, sumat a la propagació d’esquerdes, accelera la perforació eventual.
Tenint en compte aquests conceptes, concloem:
b.1. Porcellana:
és un material que, amb el temps, perd resistència mecànica i es torna vulnerable a falla elèctrica (perforació), a causa de la presència i creixement de microfissures en la seva microestructura heterogènia.
b.2. Vidre temperat:
és un material amb la perfecció microestructural necessària, per suportar les més severes combinacions de tensions elèctriques i mecàniques en aïlladors de suspensió.
c. Efecte de les condicions superficials
Les microfissures que puguin estar presents en la superfície de les campanes dielèctriques, tenen gran importància en les performances dielèctriques i mecàniques dels aïlladors. Això es deu a la gran concentració de tensions que es produeix en els extrems d’aquestes microfallas i que poden produir la seva propagació, i per tant, la falla de l’aïllador.
Com les microfissures superficials són intrínseques dels materials ceràmics, com la porcellana o el vidre, ha de buscar-se la forma de neutralitzar el seu efecte. Els mètodes usats per superar aquesta dificultat són:
c.1. Porcellana:
la superfície de les campanes, rugosa i porosa, es millora amb la capa d’esmalt. Aquesta capa vítria té un coeficient d’expansió tèrmica diferent a el de el cos de porcellana, i per tant, possibilita una certa pre-compressió superficial. Hi ha raons ceràmiques que no permeten que aquests coeficients d’expansió tèrmica siguin molt diferents, de manera que la compressió superficial és limitada (aprox. 15 MPa), no resultant massa efectiva per prevenir la propagació de les microfissures superficials.
c.2. Vidre temperat:
La superfície de l’dielèctric de vidre està sotmesa a una pre-compressió permanent, aconseguida durant el refredament en condicions controlades (procés anomenat temperat). La pre-compressió que s’aconsegueix és molt alta (aprox. 250 MPa), de manera que la propagació de fissures es troba molt inhibida.
d. Resistència als xocs tèrmics
Les variacions brusques de temperatura produeixen, en els materials fràgils, fortes tensions d’origen termomecànic, que poden conduir a la seva ruptura. Aquestes tensions són especialment perilloses en els refredaments posteriors a qualsevol escalfament, perquè és en aquesta etapa quan la superfície dels aïlladors queda sotmesa a tracció.
d.1. Porcellana:
enfront de les tensions termomecàniques tenen una resposta més feble, per:
– d.1.a. Baixa pre-compressió superficial, ràpidament superada per les traccions superficials de refredament.
– d.1.b. Defectes superficials i interns que potencien els esforços generats.
– d.1.c. Alt mòdul elàstic que reforça la naturalesa fràgil.
d.2. Vidre temperat:
resisteixen millor per:
– d.2.a. Alta pre-compressió superficial més difícil de superar pels esforços de tracció de refredament.
– d.2.b. Absència de defectes estructurals.
– d.2.c. Menor mòdul elàstic, que permet una millor distribució dels esforços generats.
e. Característiques d’expansió tèrmica
Els components dels aïlladors de suspensió s’expandeixen o contrauen de diferent manera, perquè posseeixen diferents coeficients d’expansió tèrmica (CET). Per evitar tensions internes que puguin provocar fatiga, s’ha de tractar que els components dels aïlladors tinguin CET similars.
Per aïlladors de suspensió, les normes inclouen el requeriment d’un assaig termomecànic, ja que hi ha evidència de correlació entre l’efecte de diferents CET i la performance. A la Taula II es poden observar els valors de CET dels components d’aïlladors de suspensió.
e.1. Porcellana:
el CET de la campana de porcellana és 44% menor que el de l’material de la caputxa i el batall.Per tant, ia causa de moviments relatius durant variacions de temperatura, són més vulnerables a la fatiga.
e.2. Vidre temperat:
el CET de la campana de vidre és 20% menor que el de l’material de la caputxa i el batall. Per tant, són en la pràctica, insensibles a la fatiga.
f. Relació entre el material de l’dielèctric i la resistència residual
Les campanes dielèctriques (tant porcellana o vidre) poden danyar-se severament durant la seva armat, despatx, transport o servei, per impacte mecànic o per arc de potència. No obstant això, la resistència mecànica residual de l’aïllador ha de ser prou alta, com per assegurar que no hi haurà caiguda de línies, a més de retenir un alt grau d’integritat elèctrica. A l’aïllador de suspensió amb la seva campana dielèctrica trencada se li denomina “monyó”.
f.1. Porcellana:
el comportament del “monyó” és impredictible, perquè els mecanismes de falla de campanes sotmeses a impactes o arcs de potència, impliquen múltiples fractures a la zona del cap de la campana. D’altra banda, des del punt de vista elèctric, l’aparició de fissures internes d’importància a la zona del cap, és gairebé amb seguretat l’inici d’una perforació quan hi hagi sobrecàrregues elèctriques.
f.2. Vidre temperat:
La pre-compressió superficial de les campanes (producte de l’procés de temperat), està equilibrada amb una pre-tracció a l’interior de les mateixes. Quan la pre-compressió superficial és superada amb esforços externs excepcionals, la pre-tracció interior és alliberada. El aïllador es desintegra, excepte a la zona del cap, on el vidre està suportat pel ciment que l’envolta. Els fragments queden perfectament encunyats entre si. La resistència mecànica de l’monyó de l’AVT és tot just menor que la resistència mecànica de l’aïllador sano.El comportament elèctric de l’monyó segueix sent fiable, a causa de l’perfecte empaquetament dels fragments de vidre. Si la tensió elèctrica que suporta un element de la cadena en forma de monyó augmenta, l’arc disruptiu es produeix en aire, a causa de la menor distància entre el batall i la caputxa (veure Figura 1).
g . Disseny de la campana dielèctrica
les campanes es fabriquen per un procés de premsat i eventualment tornejat, d’una pasta plàstica, seguit per la cocció. El dissenyador d’un aïllador ha de tenir en compte que per minimitzar l’efecte de les tensions tèrmiques que es produeixen durant la cocció, s’han d’evitar seccions primes en el producte i transicions brusques de forma. Aquestes limitacions impedeixen aconseguir un disseny òptim de el perfil de les campanes.
g.2. Vidre temperat:
Les campanes dielèctriques es produeixen per modelat. Aquest procés no li imposa restriccions limitants a l’dissenyador en el que fa a canvis de formes i gruixos. Com a conseqüència, els AVT tenen dissenys òptims de perfil de campana per a una varietat d’aplicacions en àrees contaminades (veure Figura 2).
h. Comparació de la performance entre AVT i aïlladors de porcellana
– h.1.a. Porcellana: poden ser vulnerables a la perforació per impuls de front d’ona escarpat, a causa de falles microestructurals internes (porositat, microesquerdes).
– h.1.b. Vidre temperat: suporten els impulsos de front d’ona escarpat sense perforació, per la seva homogeneïtat interna microestructural.
h.2. Suportar els efectes de càrregues mecàniques cícliques
– h.2.a. Porcellana: la resistència mecànica residual baixa fins a 30%. La pre-compressió de l’esmalt pot ser insuficient per evitar la propagació d’esquerdes superficials. Poden originar-esquerdes en punts de discontinuïtat interna que després poden propagar-se.
– h.2.b. Vidre temperat: La resistència mecànica no s’afecta ni pel transcurs de el temps ni per les càrregues cícliques. La pre-compressió donada pel temperat evita la propagació d’esquerdes.
h.3. Resistència als canvis de temperatura
– h.3.a. Porcellana: poden presentar altes tensions
internes de Suncho, a causa de la diferent expansió i contracció dels seus components (ceràmica, ciment i metall). Pot produir la fractura de la campana. El coeficient d’expansió tèrmica de la porcellana és 44% menor que el dels components metàl·lics (caperutxa i batall).
– h.3.b. Vidre temperat: atès que el coeficient d’expansió tèrmica de l’vidre és molt similar a el de el ciment i als el dels metalls, les tensions internes de Suncho resulten molt baixes.
h.4. Resistir efectes d’arcs de potència
– h.4.a.Porcellana: La campana dielèctrica pot explotar per efecte d’un arc de potència, donada l’existència de fissures o canals de perforació produïts per altres arcs de potència anteriors o per efectes derivats dels bruscos canvis de temperatura.
– h.4.b. Vidre temperat: suporten els efectes tèrmics extrems derivats dels arcs de potència. La resistència a l’xoc tèrmic dels AVT és superior a la dels aïlladors de porcellana, ja que la seva estructura interna està pràcticament lliure de defectes. Si en algun cas extrem la campana explotés, la línia no es cau pel descrit en la Taula I.
h.5. Diferència en el pes
– h.5.a. Porcellana vs. Vidre temperat: per a càrregues mecàniques d’70/80 kN, els aïlladors de porcellana són 35% més pesats que l’equivalent de vidre temperat. Per a càrregues de 120 kN, aquest valor és de 63%.
h.6. Resistència a danys en el transport, emmagatzematge i muntatge
– h.6.a. Porcellana: són vulnerables a el dany. La seva resistència mecànica superficial és 70% menor que la dels AVT.
– h.6.b. Vidre temperat: l’alta resistència mecànica dels AVT minimitza o impedeix aquest tipus de dany.
h.7. Detecció de danys en la línia
– h.7.a. Porcellana: la identificació de les unitats danyades requereix equipament especial i consumeix molt de temps.
-? H.7.b. Vidre temperat: la inspecció visual a distància facilita la ràpida identificació d’una unitat fallada.
h.8. Caiguda de línies per falla mecànica
– h.8.a. Porcellana: la resistència mecànica es redueix molt per efectes de fissures a la campana dielèctrica. Hi alta possibilitat de caiguda de línies.
– h.8.b. Vidre temperat: tot després de perdre tot el material de la campana, el monyó romanent reté un alt percentatge de la càrrega mecànica de disseny. No hi ha caiguda de línies.
h.9. En peces danyades no ha d’haver arc intern
– h.9.a. Porcellana: es produeixen arcs interns en les fissures de la campana dielèctrica. Possibilitat d’expulsió de l’batall i de destrucció completa pels efectes tèrmics derivats d’un arc de potència.
– h.9.b. Vidre temperat: si es produeix arc, és extern. No hi ha descàrregues disruptives internes.
h.10. Manteniment de línies sota càrrega
– h.10.a. Porcellana: raons de seguretat aconsellen testejar els aïlladors de la cadena per detectar falles internes abans de realitzar les tasques de manteniment sota tensió. El seu major pes dificulta aquest manteniment.
– h.10.b. Vidre temperat: no cal testejar els aïlladors individuals abans de procedir a l’manteniment, bastant una inspecció visual. El baix pes facilita el manteniment.
* Gerent de Vendes de Tasca SRL.
Més informació: www.tareasrl.com.ar
Veure també:
EMPREL SRL presenta la seva nova línia de productes en alta tensió
Aïlladors polimèrics de pern