Las ventajas de los ensamblajes de postes de línea reforzados (BLP) han hecho que aumente su uso en el diseño de las líneas de transmisión. Además, a medida que los diseñadores de línea presionan por diseños de mayor eficiencia, estos ensamblajes se están utilizando en voltajes en aumento así como también en nominaciones mecánicas más altas. Sin embargo, las normas actuales aún no definen bien las técnicas de prueba apropiadas para determinar sus nominaciones eléctricas y mecánicas. También, la complejidad de estos ensamblajes, que combinan un aislador tipo poste y un aislador de suspensión reforzado, hacen que probar y nominarlos de manera apropiada sea todo un desafío. Es así que se necesita más trabajo para lograr la estandarización. También es importante que los usuarios finales entiendan bien los métodos de prueba actuales no estandarizados para que puedan considerar mejor el impacto que estos podrían tener en los resultados así como en las nominaciones de los ensamblajes de BLP.

En este artículo editado para INMR, escrito por Jeff Butler, ingeniero principal de transmisión en Hubbell Power Systems, se revisa este tema enfocado en los ensamblajes que utilizan diseños compuestos/poliméricos y en configuraciones donde el aislador de suspensión no está en una orientación completamente vertical, es decir, con un ángulo interior entre el aislador de suspensión y el aislador tipo poste de < 90°. También se aplican definiciones correspondientes a la Guía de la IEEE para ensamblajes reforzados para aisladores de transmisión aérea de 60 kV y más.

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Un aislador de puntal o de poste de línea está diseñado para soportar la tensión y las cargas compresoras combinadas. Dependiendo del material y de la base, este aislador también puede soportar las cargas de flexión.

Generalmente, el aislador de puntal se monta en una estructura horizontalmente (por ej.: generalmente ≤ 15° de la horizontal) con varios tipos de accesorios de montaje en el extremo de la línea según la carga anticipada. Para montar el resto el ensamblaje del aislador reforzado, el extremo de la línea del aislador del poste de línea (puntal) se sujeta con aislador de suspensión que también está fijo a la estructura a una distancia definida por sobre el puntal, formando así un ángulo interior entre los aisladores.

Por lo general, los ensamblajes de aisladores reforzados se categorizan en dos tipos:

(1) ensamblajes con el aislador de línea del poste (puntal) fijo en forma rígida a la estructura de soporte y, por lo tanto, incapaz de rotar alrededor del punto de unión como respuesta a las cargas desbalanceadas del conductor longitudinal y

(2) ensamblajes donde el aislador del poste de línea está fijo de una forma no rígida a la estructura de soporte con accesorios articulados que permiten la rotación alrededor del punto de unión.
Son términos comunes para los ensamblajes del primer tipo “postes reforzados” o “ensamblajes en v horizontales de base rígida/fija”. Los ensamblajes del segundo tipo también se conocen como “ensamblajes en v horizontales pivotantes”. En esta discusión, el término general para ambos ensamblajes será un poste de línea reforzado o “BLP” y se hará una distinción entre ambos tipos cuando sea necesario.

Cómo se aplican las normas a los ensamblajes de postes de línea reforzados

Las normas han evolucionado en respuesta a las nuevas tecnologías y aplicaciones. Por ejemplo, en la Tabla 1 se enumeran algunas normas IEC pertinentes a los aisladores hechos tanto de materiales cerámicos como poliméricos. Estas normas se aplican en todo el mundo e incluyen procedimientos de prueba relacionados con las nominaciones eléctricas y mecánicas de los aisladores a los que se hace referencia. Estas normas también incluyen criterios específicos para evaluar los resultados de los métodos de prueba establecidos.

De forma similar, las entidades que fijan las normas, como la ANSI, han incluido pruebas y criterios relevantes en sus estándares C29 (ver Tabla 2). Estos métodos de prueba también hacen referencia a las nominaciones eléctricas y mecánicas para los aisladores.

Tanto las normas internacionales como nacionales intentan abordar diferentes aspectos de los aisladores que son importantes definir y estandarizar. De hecho, esa estandarización de las pruebas ha permitido que exista una consistencia y confiabilidad de los aisladores de distintos fabricantes que pueden emplear procesos de producción y materiales diferentes. De hecho, uno de los principales objetivos de las normas ha sido permitir la intercambiabilidad de los productos relacionados. Sin embargo, actualmente estas normas solo abordan los aisladores de voltaje alto en sus aplicaciones individuales, ya sea como un poste de suspensión o uno de línea. Actualmente, no existen normas IEC o ANSI directamente relevantes relacionadas con la combinación de ambos en un ensamblaje de poste de línea reforzado. Como tal, las normas no consideran los efectos importantes que pueden surgir cuando se combinan estos dos tipos de aisladores.

Cómo se aplican las normas a los ensamblajes de BLP: nominaciones eléctricas

Las normas proporcionan directrices para determinar las nominaciones eléctricas de los aisladores individuales. Por ejemplo, en las normas ANSI, se determinan valores de arco eléctrico de frecuencia baja con la media aritmética de al menos 5 valores de arco eléctrico determinados a través de pruebas de HV en el aislador (según ANSI C29.1 y C29.11). De forma similar, las normas IEC 60383-1 y IEC 60383-2 presentan el voltaje de arco eléctrico de impulso crítico (CIFO) según se determina con el 50 % del arco eléctrico del aislador durante la prueba de HV.

Al analizar ambas normas aplicadas a un ensamblaje de poste de línea reforzado se podría inferir que un método de prueba adecuado incluiría un voltaje de arco eléctrico de 50 % para cada aislador en el ensamblaje o una probabilidad del 75 % de un valor de arco eléctrico bajo para un ensamblaje que combina los dos aisladores por separado.

Se realizó una evaluación de precisamente este método de prueba en un ensamblaje de poste de línea reforzado (figura 4) para evaluar su desempeño eléctrico. El ensamblaje de prueba consistió en dos aisladores de longitudes distintas con el aislador de suspensión con una distancia de arco seco mayor que la del poste de línea. El método de prueba utilizado fue el indicado en la norma ANSI C29.1 para los valores de arco eléctrico de frecuencia baja y de arco eléctrico de impulso. Sin embargo, una vez que se terminó la prueba, este procedimiento también incluyó observar qué aislador experimentó el arco eléctrico ya que la distancia de arco seco efectiva del aislador de suspensión más largo se redujo.

Primero se evaluó el ensamblaje para determinar el voltaje de arco eléctrico de impulso crítico (CIFO). A medida que el ensamblaje se probó en repetidas ocasiones, se registró el voltaje de arco eléctrico y el recuento de arcos eléctricos para cada aislador en relación a la distancia de arco seco del aislador de suspensión (figura 5). El recuento de arcos eléctricos se graficó en el eje del lado derecho y el voltaje de arco eléctrico en el eje izquierdo. Los resultados se capturaron a medida que se redujo la longitud de la distancia del arco seco del aislador de suspensión. El recuento de todos los arcos eléctricos se realizó a través del poste de línea hasta que el aislador de suspensión comenzó a acercarse a una distancia de arco seco coincidente.

A medida que ocurría esto, los arcos eléctricos comenzaron a manifestarse a través del aislador de suspensión hasta que un número igual ocurrió a través de ambos aisladores a una distancia de arco seco del aislador de suspensión de 53,7” y un valor de 942 kV (punto “A” en la figura 5). Sin embargo, antes de alcanzar el mismo número de arcos eléctricos a través de ambos aisladores, el voltaje de arco eléctrico más alto para el ensamblaje se observó a 951 kV, cuando la distancia de arco seco del aislador de suspensión era 52,7”.

Los resultados de esta prueba no cumplieron con la expectativa de que el voltaje de arco eléctrico mostrara valores más bajos que la nominación de cualquiera de los aisladores (figura 3) como se podría haber esperado dado el enfoque probabilístico en las normas discutidas anteriormente. Sin embargo, de acuerdo con las nominaciones de ambos aisladores y los hallazgos de las pruebas, la falta de claridad en las normas presenta evidentemente un desafío en cómo determinar de manera apropiada la nominación del ensamblaje (Tabla 3).

Se realizaron pruebas similares en el mismo ensamblaje mediante un proceso similar para evaluar su desempeño de voltaje de arco eléctrico seco. El recuento de los arcos eléctricos se graficó en el eje del lado derecho y el voltaje del arco eléctrico se registró en el eje izquierdo. Los resultados se capturaron a medida que se redujo la longitud de la distancia del arco seco del aislador de suspensión. El recuento de todos los arcos eléctricos se realizó a través del poste de línea hasta que el aislador de suspensión comenzó a acercarse a una distancia de arco seco coincidente. A medida que ocurría esto, un número de arcos eléctricos comenzó a manifestarse a través del aislador de suspensión hasta que un número igual ocurrió a través de ambos aisladores a una distancia de arco seco del aislador de suspensión de 51,7” y a 542 kV (punto “A” en la figura 6). Sin embargo, antes de alcanzar el mismo número de arcos eléctricos a través de ambos aisladores, el voltaje de arco eléctrico más alto para el ensamblaje se observó a 549 kV con una distancia de arco seco del aislador de suspensión de 52,7”.

Al igual que con los resultados CIFO anteriores, los resultados de prueba del arco eléctrico seco tampoco cumplieron la expectativa de que el voltaje de arco eléctrico mostrara valores más bajos que la nominación de cualquiera de los aisladores (fig. 4). Esto es lo que se habría esperado dado el enfoque probabilístico de las normas discutidas anteriormente. Sin embargo, de acuerdo con las nominaciones de ambos aisladores y los hallazgos de las pruebas, nuevamente la falta de claridad en las normas presenta un desafío en cómo determinar de manera apropiada la nominación del ensamblaje (Tabla 4).

Como lo demuestran las pruebas anteriores, existe una fuerte correlación entre la distancia de arco seco de cualquiera de los aisladores y los valores de arco eléctrico del ensamblaje. Esta interacción se exploró en más detalle con pruebas eléctricas adicionales de un ensamblaje de BLP similar. En estas pruebas, los aisladores se mantuvieron iguales (figura 7), pero se impactó la distancia de arco seco mediante el uso de anillos anticorona.

El ensamblaje se probó para los valores de arco eléctrico de impulso crítico (CIFO), según la definición de la ANSI. Se evaluaron los aisladores y los ensamblajes con y sin anillos anticorona así como con una ferretería levemente modificada que permitía el ajuste de la distancia de arco seco efectiva del ensamblaje (Tabla 5). Ahora, los resultados mostraron el impacto de los anillos anticorona y otros tipos de ferretería en la distancia de arco seco así como en la nominación eléctrica asociada del ensamblaje. Sin embargo, como se discutió anteriormente, incluso con estos valores sigue no estando claro cuál debería ser la nominación eléctrica del ensamblaje.

Según las normas, existe algo de orientación para determinar una nominación apropiada a partir de nominaciones y resultados de pruebas anteriores. Para mantener algo de consistencia con los resultados revisados anteriormente, se comparó el valor negativo de CIFO. Se probó el ensamblaje de BLP con la combinación del aislador de poste de línea y de suspensión con un anillo anticorona (figura 7). Sin embargo, el resultado fue una distancia de arco seco efectiva más corta para el ensamblaje que para cada uno de los aisladores de manera individual (Tabla 5). Además, el ensamblaje se modificó con ferretería que permitiría que la distancia de arco seco efectiva del ensamblaje coincidiera con la distancia más corta de los dos aisladores individuales, es decir, una distancia de arco seco equivalente de 46,7” para coincidir con la distancia de arco seco del aislador de suspensión. Los resultados de la prueba no indicaron ninguna reducción en el valor de arco eléctrico mostrado para la combinación de los dos aisladores, como se discute con el enfoque probabilístico que se presenta en las normas ANSI e IEC.

La evaluación de las características eléctricas de los ensamblajes de BLP, como se discute más arriba, confirma que se debe tener especial consideración para determinar de manera apropiada las nominaciones eléctricas de estos ensamblajes. Según la naturaleza del ensamblaje y la combinación de dos aisladores que son eléctricamente paralelos, actualmente las normas no ofrecen suficientes directrices para definir los procedimientos de prueba apropiados ni así las nominaciones eléctricas apropiadas.

Cómo se aplican las normas a los ensamblajes de BLP: nominaciones mecánicas

La evaluación de las normas con respecto a las directrices relacionadas con las nominaciones mecánicas para los ensamblajes de BLP también mostró comparativamente poco. En lo que respecta a las pruebas mecánicas y la determinación de la nominación mecánica, no existe una directriz directamente aplicable para la combinación de un aislador de poste de línea y uno de suspensión. A pesar de que las normas sí indican métodos de prueba para los aisladores individuales, esto no es apropiado para el ensamblaje ya que no aborda de manera apropiada el impacto dramático de la combinación de ambos aisladores en comparación con la resistencia mecánica de los aisladores individuales. Esta falta de una directriz directa es problemática ya que los fabricantes y los usuarios finales intentan definir las nominaciones mecánicas y los métodos de prueba aplicables para estos importantes ensamblajes. Además, la falta actual de normas definidas provoca una variación de estos métodos de prueba que se basa en factores definidos por el fabricante, la facilidad de la prueba o el usuario final. El hecho de que ahora exista una mayor consideración para aplicar ensamblajes de postes de línea reforzados a voltajes más altos en aplicaciones más críticas amplifica aún más la necesidad de que existan directrices estandarizadas para las pruebas y nominaciones mecánicas de los BLP.

En la industria se utilizan una variedad de métodos de prueba diferentes que se relacionan con establecer las nominaciones mecánicas de los ensamblajes de BLP. Sin embargo, los hallazgos de estos distintos métodos pueden mostrar diferencias significativas según el arreglo diferente de la prueba y la aplicación de la carga de prueba. Dada esta variabilidad en los métodos de prueba, la prueba mecánica se realizó con el mismo ensamblaje, pero con tres métodos de prueba distintos que tienen tres cargas aplicadas diferentes.

1. Método de peso libre: la carga se aplica como peso agregado a una rastra que está suspendida del extremo de la línea del ensamblaje.

2. Carga de punto fijo: la carga se aplica desde un punto fijo al extremo de la línea del ensamblaje.

3. Método de simulación de campo: la carga se aplica como una combinación de peso suspendido del accesorio del extremo de la línea asó como de las retenidas aéreas simuladas conectadas a ambos lados del ensamblaje, es decir, para simular retenidas aéreas adyacentes.

El diseño del ensamblaje para esta comparación de pruebas mecánicas consistió en una combinación de un aislador de poste de línea y uno de suspensión (figura 8). El poste de línea tenía un diámetro de varilla de 3,5° y una longitud de sección de 161” (4089 mm). El aislador de suspensión se nominó en 50k lb con un diámetro de varilla de 7/8” (22 mm) y una longitud de sección de 217,5”. Este era un ensamblaje en V horizontal donde el poste de línea está en posición horizontal con un accesorio fijo del extremo de la tierra a la torre- La longitud general de la cadena de soporte era 248,1” (6302 mm), lo que incluía el aislador de suspensión, un tensor y la ferretería de conexión necesaria.

El ensamblaje se probó con los tres métodos de carga diferentes presentados anteriormente y se midió la deflexión del extremo de la línea del ensamblaje para comparar.

1. Método de peso libre: resultados de prueba

Se fijó un cilindro hidráulico al accesorio del extremo de la línea del ensamblaje y en el otro extremo se fijó una rastra en la tierra (figura 9). A esta rastra se le agregó un peso incremental y se aplicó carga al ensamblaje. Se permitió que la rastra se moviera libremente a medida que se retraía el cilindro y la rastra se levantaba del suelo. Como lo sugiere el nombre de este método, este permitía el movimiento del peso libre a medida que se aplicaba la carga. Se registró la deflexión en el plano horizontal tanto en el punto medio del aislador de poste de línea como en el accesorio del extremo de la línea del ensamblaje (figura 10). Se registró la deflexión hasta una carga de ~14.000 lb (~6300 kg).

2. Método de punto fijo: resultados de prueba

La configuración inicial fue similar a la del método de peso libre, pero en este caso se conectó el cilindro hidráulico a una rastra que servía como un punto fijo a medida que se aplicaba carga al ensamblaje (figura 11). La rastra se cargó con una pila de pesos que excedían la resistencia mecánica del ensamblaje y que no se movería durante la prueba. El nombre de este método de prueba se basa en el anclaje de punto fijo de la carga aplicada durante la prueba. Se midió la deflexión en el plano horizontal tanto en el punto medio del aislador de poste de línea como en el accesorio del extremo de la línea del ensamblaje, al igual que la deflexión vertical del punto medio del ensamblaje (figura 12). Esta reflexión se registró hasta una carga de menos de 12.000 libras (~5400 kg).

3. Método de simulación de campo: resultados de prueba

En esta configuración de prueba, la carga se aplica como una combinación de peso suspendido del accesorio del extremo de la línea (similar al método de peso libre) así como carga aplicada a la ferretería conectada a ambos lados del ensamblaje para simular retenidas aéreas adyacentes. El nombre de este método de prueba se basa en la inclusión de los efectos de conectar más de cerca las retenidas aéreas de ferretería, lo que representa un arreglo de simulación de campo. Se midió la carga acumulativa en el accesorio del extremo de línea (figura 13). Se midió la deflexión en el plano horizontal tanto en el punto medio del aislador de poste de línea y en el accesorio del extremo de la línea del ensamblaje, así como también la deflexión vertical del punto medio del ensamblaje (figura 14)

Discusión de los resultados de prueba
Se compararon los resultados de los tres métodos y se graficó la deflexión horizontal del extremo de la línea del ensamblaje (figura 15). La evaluación de la deflexión sirve como una metodología directa para evaluar el comportamiento de un ensamblaje según el método de prueba y la carga aplicada.

Por ejemplo, en esta comparación, los resultados demuestran que los distintos métodos de prueba pueden tener como resultado deflexiones distintas del extremo de línea del ensamblaje de poste de línea reforzado. Esta variación en los valores de deflexión confirma que el ensamblaje experimenta distintas fuerzas por la carga aplicada dada. Sin embargo, la nominación mecánica definida para este ensamblaje sería influenciada de manera diferente dependiendo del método de prueba y de la carga aplicada. Esas diferencias podrían impactar significativamente cómo este ensamblaje se nominaría en relación a la capacidad mecánica.

Conclusiones

Los ensamblajes de postes de línea reforzados se están utilizando en todo el mundo cada vez en mayor número y a cada vez mayores voltajes. Esta creciente aceptación solo conduce a la importancia de entender y aplicar de manera apropiada los ensamblajes de postes de línea reforzados, especialmente en las líneas de transmisión crítica. Sin embargo, las normas actuales aún no proporcionan suficientes directrices sobre los procedimientos de prueba apropiados para estos ensamblajes compuestos.

La complejidad de estos ensamblajes, que combina aisladores de poste de línea y de suspensión, crea desafíos adicionales cuando se trata de cuán bien se pueden probar y nominar estos según las normas existentes. Se necesitaran esfuerzos constantes en la industria para llegar a una estandarización aceptable para todos los aspectos importantes de estos ensamblajes. La discusión anterior y los ejemplos proporcionan información y resultados de pruebas que solo confirman los desafíos que conlleva probar y nominar de manera apropiada los ensamblajes de postes de línea reforzados
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¹ Referencia: A. C. Baker et al., “IEEE Guide for Braced Insulator Assemblies for Overhead Transmission Lines 60 kV and Greater,” en IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 23, no. 2, pp. 785-791, abril 2008, doi: 10.1109/TPWRD.2007.909103.

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