fiabilidad del suministro de energía y mantenimiento de aisladores
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8/16/2019 Fiabilidad Del Suministro de Energía y Mantenimiento de Aisladores
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(*): SEDIVER: 79 avenue François Arago, 92017 Nanterre, France03-200 JMG/RP/MRG
March 2003
FIABILIDAD DEL SUMINISTRO DE ENERGÍA Y
MANTENIMIENTO DE AISLADORES
J-M. GEORGE and R. PARRAUD J-C. KEULLER and L-F. FERREIRA
SEDIVER * ELECTROVIDRO
(France) (Brazil)
Resumen
El costo de los aisladores en la construcción de una
línea de transmisión de energía normalmente
representa menos de 5% del costo general del
proyecto. La continuidad del servicio en estas líneas
es hoy muy importante, y la confiabilidad del
suministro de energía depende principalmente del
comportamiento de los aisladores, pero también dela capacidad para detectar unidades con falla o
dañadas para restaurar rápidamente la energía.
Este reporte está destinado a revisar los fundamentos
de cada tipo de aisladores (vidrio templado,
porcelana, polimérico) con relación a los aspectostécnicos de facilidad de detección y mantenimiento, y
la influencia de los aspectos económicos de la
operación de la línea, que son los más críticos para
los usuarios finales.
Serán discutidos los aspectos siguientes:1. Comportamiento de los aisladores durante
el transporte y manejo.
2. Modos de falla de aisladores encontrados
en servicio y sus consecuencias en el
suministro de energía.
3. Detección de un aislador con falla ymétodos de diagnóstico en líneas
energizadas y no energizadas.
4. Consideraciones generales de
mantenimiento (en líneas energizadas o no
energizadas).5. Mantenimiento de aisladores bajo
condiciones de contaminación severa
(lavado de línea en caliente...).
6. Recomendaciones para selección de
aisladores para minimizar las operaciones
de mantenimiento.
Con base a esta revisión, serán presentadas diversas
recomendaciones para definir las seleccionesóptimas de aisladores, considerando las exigencias
de mantenimiento, costo y facilidad de
mantenimiento, continuidad del servicio y seguridadde los trabajadores.
Introducción
Los aisladores de líneas de suspensión
pueden ser clasificados en dos categorías
principales: cerámica (estos divididos en
aisladores de vidrio y porcelana), o
materiales orgánicos (los aisladores de
vidrio y porcelana son definidos como “
aisladores convencionales de cerámica”).
El atributo principal de las unidades
orgánicas es el menor peso, y obviamente su
“no-fragilidad” con relación a las
definiciones clásicas de materiales. Con
base a estas características, el uso mundial
de estos productos está dividido,
dependiendo no sólo de la práctica local,
costumbres y modismos, pero también de
las ventajas específicas de una u otra
tecnología.
A pesar del bajo impacto del costo de los
aisladores en el costo total de una línea,
estos mismos puntos diferenciales pueden
ser críticos para las personas en el campo,
responsables por la construcción, y
posteriormente en la operación y
mantenimiento.
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Abreviadamente, sin describir proyectos
específicos o tipos de producto, debemos
considerar los siguientes puntos principales:
La porcelana está compuesta porcristales minerales (Fig. 1) de diversos
materiales ligados después de cocidos
en un horno, cubiertos con una fina
camada de glaze para evitar el contacto
directo de los elementos agresivos
externos con el esbozo de porcelana.
La cohesión microscópica de este
material es limitada a la capacidad de
la estuctura para soportar micro-fisuras
inherentes a la estructura no
homogénea de la porcelana.
Fig. 1 : Micro-estructura de la porcelana
aislante
El Vidrio templado es hecho de vidrio
fundido, material amorfo sin estructura
cristalográfica, y por tanto
completamente homogéneo. La
resistencia del vidrio es suplida por el
endurecimiento, que induce tensionesinternas de extensión balanceadas por
una tensión de compresión muy
elevada en la superficie del esbozo de
vidrio (Fig. 2). Como resultado, las
micro-fisuras no son posibles por que
el dieléctrico de vidrio inmediatamente
se rompería en millones de pequeños
trozos.
Fig. 2 : El endurecimiento del dieléctrico de
vidrio induce tensiones internas de
extensiones balanceadas por tensiones de
compresión superficial que evitan el
desarrollo de fisuras.
Los aisladores poliméricos son hechos de
diversos materiales orgánicos,
principalmente un núcleo de fibra de
vidrio, no apropiado para soportar los
elementos externos, y por lo tanto,
protegido por una cobertura, normalmentehecha de goma con buenas propiedades
dieléctricas y de envejecimiento. A pesar
de una buena selección de los materiales,
la calidad y el diseño de las interfaces
serán críticos. Técnicas no destructivas
han sido desarrolladas por los fabricantes
para controlar estas interfaces [2], [13]. El
revestimiento de goma hace con que estos
productos se presenten muy resistentes,
pero no indestructibles.
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1. Comportamiento de los aisladoresdurante el transporte y manejo
El transporte y manejo de los aisladores
es conocido como el tiempo de su vidaen el cual están más sujetos a
aplicaciones de tensiones no esperadas y
choques mecánicos. A pesar de los
esfuerzos de los fabricantes para
proteger estos aislantes del transporte y
manejo brutos (embalajes fuertes,
instrucciones de manejo...), estas
unidades pueden sufrir algún daño.
La Tabla 1 presenta un resumen de lostipos más frecuentes de eventos quellevan a la potencial degradación o daños
de los aislantes. Más específicamente, la
Tabla 2 presenta un resumen de las posibles consecuencias de los daños
inducidos por manejo incorrecto. Más
precisamente, la directriz principal es:
a) Porcelana: fisuras inducidas en la porcelana se propagan con el
tiempo, llegando después de algún
período al punto donde estas
fisuras se tornan críticas para el
desempeño eléctrico, o llegan al
punto de fugas eléctricas. La
evolución de estas fisuras
permanece oculta en la mayor parte
del tiempo, y como consecuencia
no son fáciles de detectar. En
adición a las consecuencias
eléctricas, efectos mecánicos de
largo plazo deben ser esperados.[9], [10].
b) Vidrio templado: en el peor de loscasos, los esbozos de vidrio
templado pueden romperse,
llevando a un estado final donde no
se espera evolución, sin
alteraciones significativas en eldesempeño mecánico. La detección
es siempre fácil y obvia (Fig. 3).
Una simple mirada a la cadena
desde el suelo es suficiente para
hacer una evaluación completa de
la situación. [9], [10].
Fig. 3: Ausencia del esbozo de vidrio : el daño
en el aislador de vidrio es de fácil detección con
una mirada a la línea.
c) Aisladores compuestos: puedensufrir los daños más severos en el
núcleo de fibra de vidrio, de difícil
detección, excepto cuando críticos.
Más consecuencias a largo plazo
deben ser esperadas. Los daños en
el revestimiento y / o interfaces,muy frecuentes en este punto, no
siempre son vistos, y son amenazas
potenciales para la vida del
aislador. [7], [8], [9].
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Tabla 1
PROBLEMAS TíPICOS DE MANIPULEO QUE OCURREN CON LOS
DURANTE TRANSPORTE MANIPULACIÓN E INSTALAC
DAÑOS SIGNIFICANTES A LOS AISLADOTIPOS DE ACCIÓN
VIDRIO TEMPLADO PORCELANA
SUAVE
GOLPESFUERTE
Decapado en la superficie deldielctrico
Posible explosión del dieléctrico
Decapado en el superficie conremoción del vidriado
Decapado o fisura inducida en elcuerpo de la porcelana
Encafib
Porev
Raspadura en la superficie delvidrio
Daño en el vidriado con remociónpartial con exposición de laporcelana
Daño localizado de la galvanización de los
ARRASTRANDO POR EL
SUELO…
Posible daño o iniciación de la fisura en los herrajes terminales como resultadeform
Vástago curvadoPosiblevidrio
IZAMIENTO INAPROPIADO
DE LA CADENA
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TABLA 2
CONSECUENCIAS DE DAÑOS TIPICAMENTE ENCONTRAD
DURANTE ALMACENAJE TRANSPORTE EMBARQUE Y
CONSECUENCIAS DE DAÑO EN EL
TIPOS DE DAÑOSVIDRIO TEMPLADO PORCELANA
DecapadoIntegridades mecánica y eléctricadel aislador son mantenidas
Posible evolución de la fisura hala perforación del dieléctrico
Fisura del DieléctricoNo hay propagación de fisurasuperficial en la zona compresivadel vidrio templado
Posible evolución de la fisura hala perforación del dieléctrico
Posibles fisuras desarrolladas enmaterial dieléctrico hasta perforaciónVástago curvado
Mal acoplamiento o tensión anormal en las partes metálicas
Deformación de aletas
Corte de la Goma
Fractura del Núcleo
Degradación del Galvanizado
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2. Tipos de fallas encontradas enservicio y sus consecuencias en elsuministro de energía ycontinuidad del servicio.
Las fallas en servicio pueden serclasificadas en tres categorías:
como resultado de un defecto de
fabricación no eliminado en la línea
de producción
como resultado de degradación
inducida por la instalación / manejo
no eliminada por el personal de
construcción en las inspecciones
visuales
como resultado de una condición
anormal de la línea.
La Tabla 3 presenta un resumen de loscasos más comúnmente identificados
para cada tipo de aislador. Algunos
comentarios particulares deben ser
presentados a este punto:
a) en todos los casos, el riesgo de fallasde fabricación es reducido para los
fabricantes de alta calidad, pues
tienen mejor control y conocimiento.
Para la porcelana, buena calidad
reduce el riesgo de fisuras, pero la
evaluación, desde el punto de vista de la
calidad es muy difícil de realizarse, una
vez que no existe una indicación visual
en el exterior de que no hay grietasocultas.
El riesgo de haber una falla debido a
un defecto de fabricación es casi nulo
con el vidrio templado, dado a que no
existen defectos ocultos, deteniendo
este la ventaja de la transparencia y la
condición binaria del proceso de temple.
Para los aisladores poliméricos, siendoel principal riesgo la calidad de lainterfaz entre la fibra de vidrio y elrevestimiento (Fig. 4), y como no hay unmétodo normalizado para evaluar este punto, sólo técnicas sofisticadas deultrasonido (no utilizadas como teste derutina) están disponibles actualmente(además, pocos son los fabricantes
realmente capacitados para utilizar este
método), los defectos relacionados a lacompresión de los herrajes terminalesdeben ser controlados visto que la producción utiliza métodos acústicos quedetectan la degradación del núcleodurante este proceso.
Fig. 4: fisuras internas llevando a fallas
eléctricas debido a la interfaz con
problemas.
b) Manejo incorrecto es un asunto norelacionado con las normas de calidadde los fabricantes. La consideración principal aquí es proveer a lostrabajadores en campo métodos defácil detección de las fisuras,
evitándose los riesgos de instalaciónde unidades dañadas, que, con eltiempo, pueden provocar falla dealgunas unidades.
Inclusive la porcelana de buenacalidad no demuestra la inducción defisuras, y, por lo tanto, consecuenciasseveras pueden ser esperadas enservicio, por falla o porenvejecimiento
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TABLA 3
FALLAS TÍPICAS ENCONTRADAS EN SERVICIO
TIPO DE FALLA CONSECUENCIA
ORIGEN DE LA FALLA VidrioTemplado
Porcelana Polimérico Vidrio Templado
DEFECTOS DE FABRICACIÓN
Defectos soneliminados en lalínea deproducción
Cocimientoinadecuado en elhorno
micro-fisurasinternas en elmaterial
Defecto deinterfaz
Efis
MANIPULACIÓN INADECUADADieléctrico devidrio explota
Fisura de la pieza
- Corte de lagoma- Fisuras en elnúcleo
No evolución : El
conjunto vástago-caperuza esretirado durantemantenimientofuturo
Efis
Arco depotencia
Dieléctrico devidrio explota
Ruptura de lapieza posibleperforacióninterna
C
VandalismoDieléctrico devidrio explota
Ruptura de lapieza
CAUSAS EXTERNASEN SERVICIO
CorrosiónReducción del diámetro del
vástagoReducción de la re
ENVEJECIMIENTO
Desarrollo demicro-fisuras
perforación
Rdd
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El vidrio templado, una vez más,
ofrece la ventaja del estado
binario. El esbozo está intacto y
tenemos cero chances de daños
en el dieléctrico, o el vidrio está
roto, que es una prueba obvia deque este aislador no se podrá
instalar.
Los aisladores poliméricos puedenengañarnos, a pesar de su aparente “robustez ” y capacidad para aceptarlos abusos debido al revestimientode goma. Estos productos son másvulnerables y definitivamente másdifíciles de evaluar cuando estándamnificados. Los aisladores poliméricos pueden serdamnificados en todas las posibilidades de manejo, (fig. 5) yactualmente exigen una mayoratención del personal de instalación,después de instruidos sobre los posibles riesgos. Las fallas debido a problemas inducidos por el manejoson normalmente graves, desdesimples cortes en las aletas a dañosen los núcleos de fibra de vidrio.
Fig. 5: núcleo de fibra de vidrio quebrado
debido a problemas de manejo durante la
instalación.
c) Causas externas
Los incidentes relacionados con causas
externas son más directamente los rayos,
llevando a la caída de las líneas de
porcelana cuando la cabeza se rompe.En este caso, la energía pasando por la
cabeza debe generar el llamado
“decapado” del dieléctrico (Fig. 6, 7 y
8). Este riesgo es definitivamente más
elevado con los materiales que
contengan posibles fisuras internas, o
simplemente hechos con material como
la porcelana donde, inherentemente, la
estructura del material contiene fisuras.
Fig. 6: aisladorde porcelana
perforado y
decapado
resultante de la
sobre-tensión de
energía llevando
a la caída de la
línea.
Fig. 7: descarga
externa de una
cadena con
aisladores de
vidrio “sin falda”
> el arco queda
fuera de la unidad
dañada sin
riesgo.
Fig. 8: Descarga
de una cadena de
porcelana con
una unidad rota
> vía interna
dañada dentro de
la pieza de
porcelana
riesgo deseparación.
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Quiebras de dieléctricos de vidriogeneradas por causas externas pueden serobservadas, pero la cadena permanecesegura desde el punto de vista mecánico(Fig.7 ). El riesgo de una falla esinsignificante porque la unidaddamnificada no compromete la integridadde la cadena.
Para los aisladores poliméricos, un rayodirecto puede no llegar a tener losmismos efectos debido a la longitud de lacadena. Sin embargo, siempre hay una posibilidad de que las unidades que noestán protegidas reciban la corriente deforma que caliente los herrajes, a tal punto que el estrés producido por lacompresión sea liberado haciendo que sedeslice el núcleo de fibra de vidrio. Yaque son orgánicos, estos arcos puedentambién causar grietas en la cubierta,haciendo con que la barra sea expuesta alambiente exterior.
3. Métodos de detección y control
La preocupación en asegurar un controladecuado de la línea de energía constituyeactualmente uno de los aspectos más discutidosde la operación. Existe una gran cantidad dedocumentos escritos sobre este tópico. Sin
embargo, por motivos prácticos, las siguientesmedidas deben ser tomadas en consideración:
Debido a la gran cantidad de aisladores de unalínea cualquiera, las técnicas de inspección ycontrol a ser utilizadas deben ser las máseconómicas posibles, de rápida aplicación y porsupuesto ofrecer un nivel de confianza que sealo más próximo al 100% de garantía.
La Tabla 4 resume las opciones para el personal de inspección, en lo que respecta a las
líneas de evaluación.
En caso de inspecciones de los aisladores de porcelana, el control es difícil porque losdefectos son ocultos. Las únicas técnicas quenos pueden suministrar alguna información(que no llega al nivel del 100% de seguridad )suponen el uso de herramientas costosas, deutilización necesaria en cada cadena individual,una vez más, con resultados no muy seguros
[3], [5], [6],[16].
Partiendo de un punto de vista
completamente diferente, la inspección
de los aisladores de vidrio es económica
e inmediata.La condición de los
aisladores de vidrio es binaria ( por
ejemplo: puedo ver el dieléctrico de
vidrio o no puedo verlo porque está
roto) y esto nos ofrece un nivel de
confianza del 100% sin ningún riesgo de
una interpretación errada [6], [12] .
Los aisladores poliméricos, debido a lanaturaleza compleja de sus materiales y de susinterfaces, no ofrecen medios sencillos deinspección. Es muy probable que el defecto delas interfaces permanezca oculto hasta que yasea demasiado tarde. Como consecuencia deesto, diversas empresas públicas en el mundo
han experimentado largos periodos de
tiempo con suministros de energía
interrumpidos hasta conseguir localizar launidad fallada en la línea. Herramientas
sofisticadas, como las utilizadas para los
aisladores de porcelana, son requeridas y
aún así proporcionan resultados, algunas
veces, de cuestionables niveles de
confianza [1], [6], [12], [15], [17], [21].
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TABLA4
MANTENIMIENTO – DETECCIÓN
DIAGNÓSTICO EN SERVICIO: INSPECCIÓN DE
DETECCIÓN DE UNA UNIDAD CON FALLA EN SE
VIDRIO TEMPLADO PORCELANA
EN LÍNEAENERGIZADA
Una inspección visual essuficiente
Inspecció
Óp
ElO
EN LÍNEA NOENERGIZADA
Una inspección visual essuficiente
Óhmetro Vibración Medición de Resist Inspección Visual
INSPECCIÓN DE LALÍNEA
CONDICIONESMETEOROLÓGICASSECASNECESARIAS
NO SI
COSTO COMPARATIVO(Por ejemplo para una línea de 300 kV) 10 $/Km 152 $/Km
CIG
CEPSI informeDOCUMENTACIÓN DE REFERENCIA
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4. Mantenimiento de líneasenergizadas y no energizadas
Es obvio que los procedimientos de
mantenimiento, seguridad y la
facilidad para su aplicación estánrelacionados con la facilidad y el nivel
de confianza de la inspección de las
cadenas [14].
Las evaluaciones preeliminares
serán efectuadas con costos
relativamente elevados y no
constituyen un medio 100% válido
de comprobar los riesgos en caso
de aisladores poliméricos y de
porcelana.
El contrario ocurre con el vidrio
templado, para el cual el
reconocimiento de una falla es
inmediato sin la necesidad de
ningún instrumento diferente de la
observación visual del operador de
la línea (Fig. 9).
Figura 9: Trabajo en cadena de vidrio en
línea energizada: la seguridad de los
trabajadores es preservada (SERECT).
En la tabla 5 resumimos las condiciones
de las operaciones de mantenimiento.
5. Operaciones de mantenimientobajo condiciones decontaminación
En los ambientes con contaminación
deberán cumplirse exigenciasespeciales que son únicas para estas
condiciones. La Tabla 6 muestra lasmedidas clave que deberán tomarse en
cuenta cuando se opera en un ambiente
con contaminación. Mientras podemos
afirmar que un buen desempeño de los
aisladores poliméricos en un ambiente
contaminado puede ser una ventaja, no
debemos olvidar que esto solamente
acontecerá cuando el material del
revestimiento evita que la humedad delambiente se introduzca dentro del
aislador. Los modelos con empalmes o
lacres no tuvieron resultados positivos,
(Fig. 10) ya que sin lugar a dudas van
a provocar riesgos operacionales,
especialmente durante las operaciones
de lavado con alta presión [11].
Fig. 10 : Fractura frágil del aislador
polimérico provocando la caída de la línea:
lacres damnificados y/o gastados permiten la
penetración de la humedad.
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TABLA5
O P E R A C I Ó N D E M A N T E N I M I E N T O D E S U S T I T U C I Ó N D
TÉCNICAS VIDRIO TEMPLADO PORCELANA
Operación de sustitución(trabajo en línea viva)
MUY SEGURO
El aislador sin “ falda” esfacilmente localizado en lacadena(por simple inspección visual)
PELIGRO si el aislador estdañadoNecesario localizar exactamlas unidades defectuosas
No necesita sustituir toda la cadena
SUSTITUCIÓNDE UNAISLADORDEFECTUOSO
Operación de sustitución enlínea sin energía
En áreas contaminadaslimpiar los aisladores
puede ser necesariorestantes
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TABLA6
C O N T A M I N A C I Ó N : O P E R A C I Ó N D E M A N T E N I M
y r e d u c c i ó n d e r u i d o a u d i b l e e n c o n d i c i o n e s c o n
VIDRIO TEMPLADO PORCELANA
LAVADOLavado delaislador vivo
Mejor eficiencia del perfil delaislante debido a la mayordistancia entre las estrías
Manual
LIMPIEZA Sistema delimpieza enseco
Más fácil debido a la mayordistancia entre las estrías.La eficiencia de es verificadamás fácilmente debido a latransparencia del vidrio.
Algunas formas con gran fuga estrías próximas y profundas npueden ser limpiadas a mano
RTV
Sedi-capaPuede ser aplicado ensuperficie altamentecontaminada
R E G E N E R A C I Ó N
P R E V E N
T I V A
D E L A I S L A D O R
TRATAMIENTOHIDRÓFOBO
Grasa desilicona
USOUn nuevo tipo de aislador consuperior desempeño en presenciade contaminación (eficiencia de para igual longitud)
Alta relación de distancia defuga / espaciamiento posibleSuperior desempeño pormetro de longitud de cadena
N U E V A
S O L U C I Ó N
USO DE AISLADOR CONSUPERIOR PROTECCIÓNCONTRA CORROSIÓN
GalvanizadoManguito de retardo deManguito de retardo de
(en condiciones de
reforzadola corrosión en el vástagola corrosión en la caperuza contaminación extrema)
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Las particularidades del proceso de la
porcelana producen formas con estrías
próximas unas de las otras para evitar la
pérdida de energía en las grandes distancias.
De esta manera la contaminación se
acumula en estas “armadillas” y tambiéndificultan la limpieza (fig. 11). Los
aisladores de vidrio pueden ser fabricados
con una mejor distribución de las estrías,
facilitando la limpieza. También es
importante notar que la transparencia del
vidrio permite una mejor evaluación de las
condiciones de la superficie, especialmente
después del lavado.
Fig. 11: – Diferencias del diseño del perfil ydesempeño enpresencia de contaminación.
6. Conclusión
Mientras el mercado de energía más y más
endereza su atención para el usuario final,
para el rechazo de las condiciones de
irregularidad en los suministros de energía,las concesionarias del mundo entero tratan
de mejorar las condiciones de sus redes de
suministro para garantizar la continuidad del
servicio.
Un aspecto esencial a ser contemplado es el
tiempo y el costo requeridos para
inspeccionar, controlar y detectarse los
aisladores con fallas en las líneas, así como
el comportamiento de los aisladores
damnificados.
Quedó establecido durante los últimos 50
años que, como muestra la Tabla 8, larespuesta más económica y rápida es la
utilización de aisladores de vidrio templado
de alta calidad.
Fuera los aspectos de la facilidad de
inspección y detección, el desempeño
intrínsico residual de los aisladores de vidrio
damnificados es de igual forma
extraordinario (t abla 7 ) .
Los aisladores de porcelana o poliméricos
damnificados muy probablemente van a
ocasionar fallas catastróficas en algún
momento. Un aislador de vidrio “ sin falda”
no, y no ocasionará, en ningún momento, la
falla de la cadena.
Por lo tanto, los aisladores de vidriotemplado no pueden ser considerados, desde
el punto de vista de seguridad, en la misma
categoría que los de porcelana o que los
aisladores poliméricos.
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TABLA7
COMPORTAMIENTO RESIDUAL DEL DIELÉCTRICO DAÑADO D
VIDRIO TEMPLADO PORCELANA
MECÁNICO RESIDUAL ARRIBA DEL80% DEL VALOR NOMINAL
PUEDE SER IGUAL OPRÓXIMO A 0% DEL VALOR
NOMINALPR
ELÉCTRICO
ARCO EXTERNO A LA
UNIDAD REMANESCIENTE
ARCO INTERNO CON RIESGO
DE EXPLOSIÓN
N
DED
RIESGO DE EVOLUCIÓNCRITICA
NINGÚNO ALTO
OPERACIÓN DEMANTENIMIENTO NO URGENTE URGENTE
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TABLA8
RECOMENDACIONES PREVENTIVAS PARA MINIMIZAR LA OPERACI
PARÁMETROS VIDRIO TEMPLADO PORC
ALMACENAJE
MANIPULACIÓN
MONTAJE
Índice de fallas en servicio con el tiempo
Detección de una unidad fallada
Posibilidad de trabajo en línea en caliente
Desempeño de Flashover
Eficiencia de perfil
Verificación de laeficiencia de limpieza
DESEMPEÑO ENCONTAMINACION
Protección de corrosión
Comportamiento del aislador en caso de daño
S
E L E C C I Ó N
D E A I S
L A D O R E S
Buen desempeño
Puede ser dificil/Recomendaciones deben ser aplic
Comportamiento puede ser crítico
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