Aisladores cerámicos: un elemento crucial en la red eléctrica
La Comisión Europea presentó en noviembre del 2016 un paquete de medidas titulado Energía Limpia para todos los europeos, con el fin de acelerar la transición energética hacia un modelo más sostenible, de acuerdo con lo establecido en el Acuerdo de París 2015 contra el cambio climático. En este contexto, el sector eléctrico está llamado a ser un actor clave y, a su vez, la red eléctrica, un agente fundamental en el cambio hacia un nuevo modelo energético cuyos elementos centrales son la electrificación de la economía, la máxima integración de las energías renovables y la eficiencia energética, garantizando siempre la seguridad en el suministro. Por todo esto, en tiempos de transición energética, la infraestructura de la red eléctrica y el transporte de energía requieren de sistemas de aislamiento que cumplan una serie de requisitos cada vez más exigentes en términos de seguridad y eficiencia.
En cualquier infraestructura eléctrica de alta tensión, los denominados aisladores son responsables del sostén mecánico de los elementos conductores que forman parte de la línea, manteniéndolos aislados de tierra y de otros conductores. Así, por ejemplo, estos aisladores están expuestos diariamente a enormes esfuerzos de tracción en las líneas de transmisión, debido a que las torres utilizadas se encuentran a centenares de metros de distancia unas de otras, cargando así un peso de varias decenas de toneladas.
En líneas generales, existen dos aspectos clave en el diseño y fabricación de elementos aisladores:
- Seguridad, en forma de armazones a prueba de rotura, capaces de soportar esfuerzos de tensión de manera continuada durante varias décadas, así como esfuerzos de flexión puntualmente, en caso de desastres naturales como los terremotos.
- Eficiencia, lo cual implica un diseño compacto y una alta resistencia a diversos factores ambientales: viento, lluvia, frío, nieve, radiación ultravioleta y variaciones bruscas de temperatura, dependiendo de las condiciones climáticas de la ubicación.
Con todo esto en mente, el tipo de material escogido para la fabricación de aisladores de alta tensión debe combinar por un lado una alta resistividad, junto con una gran resistencia mecánica. Además, debe experimentar un envejecimiento prácticamente nulo durante el periodo de vida útil de la línea.
Por todo esto, no resulta extraño que el material más ampliamente empleado en la fabricación de aisladores sean las cerámicas, seguidas por el vidrio y determinados polímeros. Comúnmente, se emplean cerámicas de tipo porcelánico, cuya composición química consiste, básicamente, en alúmina y una mezcla de arcilla, cuarzo y feldespato. Sin embargo, existen variedades en cuanto a la composición que incluyen otras materias primas tales como el circón (ZrSiO4) o el óxido de litio (Li2O) que, debido a sus propiedades eléctricas, también han sido empleados con la misma finalidad.
Los aisladores cerámicos se fabrican, por lo general, mediante extrusión de una masa plástica resultado de la mezcla de las materias primas y agua, dotándolos de una morfología específica requerida por la funcionalidad a desarrollar (ver video). Tras el tratamiento térmico adecuado se obtiene un material de elevada resistencia mecánica y con una microestructura caracterizada por una mínima porosidad. Posteriormente se les aplica una capa de esmalte con propiedades repelentes, evitando así, tanto la formación de películas de agua, como la deposición de partículas de suciedad presentes en el ambiente.
Atendiendo a su morfología, los aisladores cerámicos más comúnmente utilizados se clasifican en:
- De campana o disco (Fig. 1). Se encuentran en entornos de tensiones bajas o medias formando parte de cadenas de diverso número de unidades. Se emplean en bujías, en transformadores y en vías férreas.
Figura 1. Aisladores cerámicos de campana
- De barra (Fig. 2). Se emplean en entornos sometidos a tensiones elevadas. Su forma alargada es capaz de resistir elevados esfuerzos de flexión y compresión. Dentro de los aisladores de barra, se distinguen los siguientes tipos:
- Rígidos. Éstos soportan pesos de toneladas durante varias décadas y garantizan un transporte seguro y un suministro de energía a través de cientos de kilómetros. Se emplean en torres de suspensión y anclaje para redes eléctricas ferroviarias y redes de alta tensión.
- De soporte. Soportan niveles de tensión de hasta 1100 kV y están expuestos principalmente a presión, fuerzas de flexión y de torsión estando en servicio. Se emplean habitualmente en la construcción de plantas.
- De núcleo hueco. Estos productos se fabrican en unidades de una sola pieza con un espacio interior cónico o cilíndrico. Se emplean en convertidores de corriente, transformadores de tensión, y descargadores de sobretensión.
- De barra (Fig. 2). Se emplean en entornos sometidos a tensiones elevadas. Su forma alargada es capaz de resistir elevados esfuerzos de flexión y compresión. Dentro de los aisladores de barra, se distinguen los siguientes tipos:
Figura 2. Aisladores cerámicos de barra (Fuente: EEP, Electrical Engineering Portal)
Por otro lado, cabe mencionar que, a pesar de que los aisladores cerámicos suelen ser los más habituales, también pueden encontrarse otros fabricados a base de vidrio, concretamente de campana o disco. De hecho, algunos vidrios presentan propiedades dieléctricas superiores a las cerámicas ricas en alúmina y un coste menor. Sin embargo, los aisladores de vidrio favorecen la condensación de agua en su superficie y el conformado de los mismos puede generar tensiones internas que deterioren su resistencia mecánica.
De modo similar, los aisladores fabricados a partir de polímeros, habitualmente composites (plásticos reforzados con otros materiales), a pesar de ser más ligeros que sus análogos cerámicos y presentar una mejor repelencia al agua, son sustancialmente inferiores en cuanto a durabilidad, especialmente como consecuencia de la degradación por acción la luz ultravioleta.
Por todos estos motivos, los aisladores de tipo cerámico son un elemento clave en la infraestructura de las redes eléctricas, cuyo desarrollo y mejora jugará un papel relevante en la electrificación de la economía, además de representar una atractiva oportunidad de diversificación para el sector cerámico.
Referencias:
Norma IEC 60672-1: Ceramic and glass insulating materials – Part 1: Definitions and classification
