Estudio del Campo Eléctrico y Distribución de Potencial en Aisladores Tipo Vara de 60 kV Contaminados Ambientalmente

Abstract

La degradación prematura por el uso continuo de la exposición al ambiente del aislador polimérico impacta negativamente al desplazamiento desordenado de las líneas de campo y modifica la distribución no lineal del potencial eléctrico en las unidades aislantes de una línea de transmisión de alta tensión. Por tal motivo, el objetivo de este estudio fue analizar el comportamiento del campo eléctrico y mejorar la repartición no lineal de potencial frente al efecto causado por la contaminación ambiental, mediante el control de variables que reduzcan la patología de la degradación prematura del aislador y aumente la confiabilidad operativa en las líneas de transmisión. En tal sentido, se modeló la unidad aislante bajo dos escenarios; aislador con superficie no contaminada y aislador con superficie contaminada. Para el primer caso, aislador con superficie no contaminada, se estudiaron 3 métodos: método expresión simplificada, método del modelo gráfico y método del modelo analítico, considerando al aislador como una línea de doble dispersión capacitiva; así como también, se realizó la simulación de la unidad aislante utilizando el software COMSOL MULTIPHYSICS 5.5. Para el segundo caso, aislador con superficie contaminada, se determinaron las principales variables de interés como tensión y gradiente de tensión necesaria para sostener la descarga, tensión y gradiente de tensión mínima para mantener la conducción de la descarga y se determinó la tensión, gradiente de tensión y corriente crítica manteniendo constante la resistencia serie por unidad de longitud del compuesto contaminante; asimismo, se calcularon estas mismas variables para los casos de contaminación de franja ancha y franja estrecha con la acotación de la variación de la resistencia serie por unidad de longitud. El compuesto reactivo contaminante considerado fue la mezcla de las cenizas de combustión de la caña de azúcar y el NaCl que se combinó con la humedad ambiental y el agua de lluvia. Los resultados obtenidos son de 89,94 mA; 253,28 mA de corriente crítica y 409,70 V/cm; 723,19 V/cm de gradiente de tensión para una franja estrecha y franja ancha respectivamente. Por lo que se concluye que, estos valores de gradiente de tensión crítico representan el 1,37 % y 2,41 %; 40,97 % y 72,32 % de la disrupción del aire en estado seco y húmedo cuyos valores son de 30 kv/cm y 1 kV/cm respectivamente.

Premature degradation of polymeric insulators due to continuous exposure to the environment negatively affects the disordered displacement of field lines and alters the nonlinear distribution of electrical potential in the insulating units of a high-voltage transmission line. For this reason, the objective of this study was to analyze the behavior of the electric field and improve the nonlinear potential distribution in response to the effects of environmental contamination by controlling variables that reduce the premature degradation of insulators and increase the operational reliability of transmission lines. To this end, the insulator was modeled under two scenarios: an insulator with an uncontaminated surface and an insulator a contaminated surface. For the first case, an insulator with an uncontaminated surface, three methods were studied: the simplified expression method, the graphical model method, and the analytical model method, treating the insulator as a double-capacitive dispersion line; additionally, the insulator unit was simulated using COMSOL MULTIPHYSICS 5.5 software. For the second case, an insulator with a contaminated surface, the main variables of interest were determined, such as the voltage and voltage gradient required to sustain the discharge, and the minimum voltage and voltage gradient required to maintain the discharge; the voltage, voltage gradient, and critical current were also determined while keeping the series resistance per unit length of the contaminant constant; likewise, these same variables were calculated for cases of wide-band and narrow-band contamination, taking into account the variation in series resistance per unit length. The reactive polluting compound considered was the mixture of sugarcane combustion ash and NaCl combined with ambient humidity and rainwater. The results obtained are 89.94 mA and 253.28 mA for critical current, and 409.70 V/cm and 723.19 V/cm for voltage gradient for a narrow strip and a wide strip, respectively. Therefore, it is concluded that these values represent 1.37% and 2.41%; 40.97% and 72.32% of the breakdown voltage of dry and humid air, whose values are 30 kV/cm and 1 kV/cm, respectively.