EFECTO DE LA CONTAMINACIÓN

II CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA
ELÉCTRICA
Junio 2009
Comité Nacional Venezolano
A3-131
EFECTO DE LA CONTAMINACIÓN AGROINDUSTRIAL EN LINEAS DE
DISTRIBUCIÓN DEL DISTRITO TURÉN PERTENECIENTES A CADAFE REGIÓN 5
Francisco J. Vivas M., Eudes M. Flores G., Esteban Castellano, José L. Gómez M.
CADAFE REGIÓN 5 - UTE
RESUMEN
La contaminación Ambiental es uno de los factores que más puede influir en la confiabilidad de las
instalaciones eléctricas, cuando estas están ubicadas en zonas contaminadas, la misma causa serios daños
tanto a las partes metálicas como a las partes aislantes de las líneas y equipos, además de disminuir la
confiabilidad del sistema por las fallas producto de esta contaminación. Tal es el caso de las líneas que
forman parte del sistema eléctrico del Distrito Técnico Turen de CADAFE, las cuales están bombardeadas
en cualquier instante por el riego de fertilizantes y distinto agroquímicos lanzados en grandes cantidades
desde aviones de riego.
Las fallas del aislamiento debido a la contaminación se deben al desarrollo de altos gradientes de tensión
sobre la superficie de los aisladores a causa de la formación de las bandas secas y al establecimiento de
descargas parciales eléctricas a través de ellas. Las descargas parciales superficiales y la acción de los
agentes químicos, producen daños importantes como:
•
En los herrajes; deterioro en la capa galvanizada acelerando el proceso de corrosión y por lo tanto
creando debilitamiento en los mismos.
•
En el aislamiento externo los daños se presentan en la capa vitrificante del aislamiento de
porcelana.
Para determinar los niveles de contaminación presentes en la zona se implementa el método de la
Densidad Equivalente de Sales Depositadas (DESD), el mismo nos proporcionara la información
necesaria a la hora de evaluar el impacto sobre las líneas de distribución del distrito Turen.
Mediante este trabajo se propone realizar una valoración completa del sistema, desde el punto de vista de
operatividad, condiciones actuales y pautas a seguir para mejorar la situación, con esto se espera lograr
una mejora del TTI dando como resultado una mejor prestación del servicio.
PALABRAS CLAVE
DESD – CONTAMINACIÓN – AGROQUIMICOS – FERTILIZANTES – REDES ELECTRICAS –
EFECTOS.
franciscojvivasm@gmail.com
INTRODUCCIÓN
La demanda de energía eléctrica aumenta día a día por el crecimiento de la actividad agroindustrial en la
región. Para compensar esta demanda, se están ampliando las redes y subestaciones de la zona Turen todo
esto apuntando a calidad del servicio. Las líneas de distribución de dicha zona están expuestas a los
posibles agentes contaminantes existentes en el medio en el cual se encuentran. Estos contaminantes son
depositados en la superficie del aislador formando así una capa seca de contaminación, esta capa seca
produce un pequeño efecto de disminución en la capa aislante del aislador, ya que la capa contaminante
crea un camino conductivo cuando se humedece ya sea por neblina o debido a chubascos presentes en la
zona pudiendo esto ocasionar descargas parciales en el aislador. Los posibles factores presentes en las
líneas de distribución del distrito Turen son debidos a la agroindustria la cual nos trae los fertilizantes,
venenos y diferentes sustancias arrojadas por riego aéreo, aunado a esto el polvo que viene de las distintas
carreteras de tierras, por lo que CADAFE Región 5 se ha visto en la necesidad de llevar a cabo estudios
para no permitir que el servicio eléctrico se vea afecto por fallas cuyo origen sea de contaminación.
CARACTERISTICAS DE LA ZONA
El Municipio Turén es uno de los 14 municipios que conforman el Estado Portuguesa, está ubicado al este
de Portuguesa, tiene como límites al norte el Municipio Páez, al sur el Municipio Santa Rosalía, al este el
Estado Cojedes y al oeste al Municipio Esteller tiene una superficie de 1.324 km² y una población de
55.811 (censo 2001). Su capital es Villa Bruzual, está divida des 1996 en tres parroquias, Canelones (La
Misión), Santa Cruz y San Isidro Labrador.
El terreno es casi completamente plano, pendiente de 4%, con vegetación boscosa, el principal curso de
agua es el Río Acarigua que atraviesa los principales poblados del municipio. Presenta una temperatura
media de 27ºc y precipitaciones anuales de 1.424 mm. Desde el punto de vista geológico en el municipio
se evidencian aluviones recientes, de permeabilidad variable, generalmente alta, de estructura no
consolidada y edad cuaternaria reciente.
Respecto a la clasificación de los suelos, hacia el sector de caño Amarillo, se encuentran suelos profundos
con textura media, de fertilidad alta y drenaje imperfecto desde el punto de vista taxonómico, tenemos:
USTROPEPTS, imperfectamente drenados; hacia el sureste de Villa Bruzual, los suelos son profundos
con textura media, fertilidad media a alta con inclusiones de suelos arcillosos e imperfectamente drenados
siendo estos suelos perfectos para la agricultura.
PROCESO DE ARQUEO EN AISLADORES CONTAMINADOS.
a) El aislador se recubre con una capa de contaminación rociada (fertilizantes, herbicidas, entre
otros) por acción fumigación aérea las cuales contienen sales y ácidos solubles. Por lo que si esta
contaminación se deposita como liquido en la superficie del aislador la fase siguiente no es
necesaria.
b) La superficie del aislador es humidificada por condensación, niebla, llovizna, o por acción del
fertilizante rociado por las fumigaciones aéreas, por lo que la película contaminante se hace
conductora. La lluvia fuerte puede lavar dicha película sin provocar la aparición de otras etapas
del proceso de arqueo, o provocar este por cortocircuito entre aletas a través del agua.
c) La tensión aplicada hace circular una corriente por la película contaminante conductora, (corriente
de fuga) cuyo efecto de calentamiento comienza a secar parte humedecida en el aislador la cual
posee la capa contaminante.
d) El secado no es uniforme, por lo que algunos lugares de la capa quedan “cortados” por bandas
secas con interrupciones locales de la corriente y una disminución de la corriente de fuga.
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e) La distribución de tensión a través de las bandas secas, con unos pocos centímetros de ancho;
genera gradientes que causan arcos produciendo impulsos de corriente.
f) Si la resistencia de las partes no secas es baja, los arcos pueden mantenerse continuamente y
extenderse a lo largo del aislador hasta el completo arqueo del mismo.
TIPOS DE CONTAMINACIÓN.
El nivel y el tipo de contaminación de una región están asociados con la Fuente de la misma, como los
factores climáticos de la región, esto se ve en la tabla I.
Contaminante
Tierra
Agroquímico
Animales
Químicos
Smog
Smoke
Fuente de Contaminación
• Campos de arado
• Proyectos de construcción
• Plantas de fertilizado
• Campos cultivados
• Hollín proveniente de la quema
• Nidos de aves
• Una amplia gama de químicos/ procesos industriales, entre otras
• Gran emisión de automóviles en los cruces de vías muy transitadas
• Emisiones de motores a diesel en cultivos
• Emisiones de trenes
• Incendios
• Chimeneas industriales
• Quema agrícola
Tabla I.- Contaminante y sus fuentes.
Independientemente del tipo de contaminación existente, los pasos para que aparezca el flashover por
contaminación en un aislador como se describió anteriormente.
Cuando se humedece la capa contaminante, disminuye la Resistencia y la corriente de filtración que pasa a
través de esta aumenta. Con este incremento, la temperatura de la capa se eleva, y esto disminuye aun más
la resistencia. La resistencia disminuirá hasta que la temperatura alcanza el punto de ebullición,
comenzando así la perdida de humedad. Desde este punto la Resistencia de la capa comienza a aumentar
mientras la misma se seca. Hasta alcanzar el máximo valor de resistencia.
Este fenómeno es más factible en las partes estrechas del aislador donde la densidad de corriente es más
alta. El incremento de la resistencia incide directamente en la disminución de la corriente, pero esto
implica un aumento de la tensión que aparece en el aislador, al continuar húmeda la capa del aislador.
El incremento de la contaminación produce un incremento de la corriente de fuga aumentando la
probabilidad de las descargas parciales. Pero si tendríamos la posibilidad de distribuir la contaminación, el
voltaje se vería forzado a ser más lineal, con esto logrando evitar la formación de la contaminación en solo
un espacio del aislador logrando con esto la disminución de la probabilidad de flashover.
La superficie expuesta o protegida de un aislador es afectada de diferentes maneras por las causas que son
responsables de asentar y remover la capa contaminante. Así en muchos casos las áreas más expuestas son
más contaminadas que las capas protegidas, teniendo en cuenta que en pocos casos lo contrario también se
da.
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MEDICIÓN DE LA SEVERIDAD DE LA CONTAMINACIÓN A TRAVÉS DEL MÉTODO DE
LA DENSIDAD EQUIVALENTE DE SAL DEPÓSITADA (DESD).
Definición: Es el depósito equivalente, (en mgNaCl/cm2) de la superficie de un aislador, que tiene una
conductividad eléctrica igual a la del depósito real disuelto en la misma cantidad de agua y esta
correlacionado directamente con la conductividad volumétrica “σ” de los depósitos una vez disueltos en
agua.
Objeto: El DESD es el parámetro de severidad de varios de métodos de contaminación artificial y por lo
tanto puede ser utilizado para evaluar el comportamiento del aislador en un lugar usando alguno de esos
métodos.
Descripción: se extraen muestras de la contaminación de la superficie del aislador. El depósito es
recuperado por lavado usando un material absorbente, o raspado en seco. El depósito se disuelve en una
cantidad conocida de agua destilada. A partir de la conductividad de la solución obtenida, de la superficie
de aislador utilizada, el volumen de agua y su temperatura, se puede calcular el DESD.
Para determinar la severidad del lugar, las mediciones deben repetirse con una frecuencia suficiente para
determinar el máximo nivel entre períodos de lavado natural.
Características: Se mide el equivalente de la cantidad de componente activo del contaminante. Esto
significa que factores como la humidificación y el proceso del arco se excluyen como fuentes de
fluctuación estadística en este método de medición de la severidad de la contaminación. La medición
también es válida en aisladores contaminados artificialmente, lo que permite establecer correlaciones entre
pruebas de contaminación artificial y natural.
La conductividad volumétrica, “σ” es la conductividad del agua después de limpiar el aislador en μS/cm, y
se define como la relación entre la corriente “I” en μA y la tensión “V” a través de un cubo de 1 cm de
arista como ejemplo se puede apreciar la Fig. 1.
Fig. 1 Cubo de agua de 1cm de arista para medida de la conductividad.
Obteniéndose el valor de DESD en mg/cm2, como:
DESD= (σV) / (σeq A)
(1)
Donde:
“σ” es la conductividad del agua después de limpiar el aislador en μS/cm
“V” es volumen de agua destilada de limpieza en litros
“σeq” es la conductividad estándar de una solución de un gramo de NaCl disuelta en un litro de agua
(1820 μS/cm por g/l a 20 ºC)
“A” es la superficie de limpieza en centímetros cuadrados.
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Tratamiento inicial del problema.
Con el fin de caracterizar las diferentes zonas de polución existentes en la región se han realizado
mediciones de la conductividad que poseen las líneas contaminadas por la industria del agro mediante
dispositivos de captación con superficie humedecida.
Obteniéndose el Índice de Polución “DDDG”, como la medida de la conductividad de los aisladores
testigo para las cuatro direcciones de viento, expresada en μS/cm y normalizada por la media aritmética a
15 días en el periodo comprendido de cuatro (4) meses.
σN=σ(V/500)(30/N) siendo “σN” es la conductividad normalizada (μS/cm), “σ” la conductividad
volumétrica (μS/cm), “V” el volumen del agua destilada para la disolución en cm3 y “N” es el numero de
días en que ha estado instalado el dispositivo de captación.
Determinándose los niveles de polución, según los valores indicados la norma IEC 60815, reflejados en la
tabla II.
Índice de
DESD
Nivel de Polución
Polución (μS/cm)
(mg/cm2)
0 – 75
0.03 – 0.06
Ligera
76 – 200
0.1 – 0.2
Media
201 – 350
0.3 – 0.6
Alta
¾ 350
¾ 0.8
Muy Alta
Tabla II.- Caracterización de los niveles de polución.
Teniendo una idea de cómo se realiza la medición del nivel de contaminación en nuestro caso se realizo se
retiro la contaminación depositada en la superficie del aislador, luego procedimos a medir su
conductividad, para finalmente determinar el DESD presente en el aislador a través de la formula (1) para
por medio de la Tabla II ubicar el nivel de contaminación presente en la zona, cabe destacar que en los
distintos puntos de medición se dispuso de tres (3) aisladores testigo con la finalidad de sacar una media
entre los mismos.
Obtenido el DESD es posible estimar, con el valor de la línea de fuga, la adecuada elección o no del
aislador para el servicio eléctrico y zona donde se encuentra instalado.
DESD promedio
0,80
0,70
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,53
0,48
0,34
0,40
0,40
0,37
0,15
0,10
0,00
medición medición medición medición medición medición medición medición
1
2
3
4
5
6
7
8
Grafico I.- Valores del DESD en las mediciones hechas en el Distrito Turen.
Como se observa en el Grafico I el promedio del DESD de la zona Turen durante el periodo de estudio (4
meses, donde se realizo una toma cada 15 días entre el primero de octubre del 2008 al quince de enero del
2009) fue de 0.4 mg/cm2 por lo que según la Tabla II nos encontramos con un predominio del nivel alto de
contaminación durante la mayoría de los muestras a excepción de la ultima toma donde nos encontramos
5
con un nivel medio de contaminación, por lo que tomaremos a esta zona como de alto nivel de
contaminación en este periodo de estudio.
Después de realizar la medición de la conductividad volumétrica de las soluciones obtenidas de lavar la
superficie aislante de los aisladores retirados en campo, se procedió mediante la técnica de turbidimetria a
determinar la concentración de sulfatos y nitratos en (mg/cm²) a las muestras obtenidas. En la Tabla III se
muestran los resultados para los tres aisladores estudiados:
Aislador
1
2
3
Nitrato (mg/cm2)
0.08
0.12
0.14
Sulfato (mg/cm2)
0.13
0.16
0.22
Tabla III.- Concentración de nitrato y sulfato presente en los aisladores estudiados
Como se puede observar en la Tabla III, la concentración de nitrato y sulfato presente en la solución es
alto con lo que se ratifica la obtención de un nivel Alto de contaminación. Medidas las concentraciones
mencionadas de los elementos estudiados se estima que produzcan daños a corto - mediano plazo a la capa
vitrificante de los aisladores y los herrajes ubicados en la zona bajo estudio.
Obtenido el nivel de polución y la concentración de sulfato y nitrato en los aisladores testigos podemos
determinar si las distancias mínimas de fuga presente en las líneas de la zona bajo estudio son las
requeridas por esto lo obtenemos comparando con los datos dados por la norma IEC 60815 que se
muestran a continuación en la Tabla IV.
Grupo
I
II
III
IV
Nivel de
Contaminación
Ligera
Media
Alta
Muy Alta
DESD
(mg/cm2)
0.03 – 0.06
0.1 – 0.2
0.3 – 0.6
¾ 0.8
Distancia Mínima de
Fuga (mm/kV)
16
20
25
31
Tabla IV.- Distancia mínima de fuga en función del nivel de contaminación.
Este análisis químico de la capa contaminante se realizo con el objetivo de determinar los tipos y
cantidades de materiales activos e inertes, para con esto caracterizar los contaminantes propios de la
región bajo estudio.
Cálculo del nivel de aislamiento mínimo requerido.
El nivel de aislamiento requerido para un nivel de contaminación alta (Tabla IV, Norma IEC 60815) es el
siguiente:
DESD (mg/cm²) = 0.4
Nivel de contaminación: Alta
Distancia mínima de fuga (Lf) = 25mm/kV
Para obtener el aislamiento mínimo a usarse en la zona y el tipo de aislador más recomendable para la
misma, se sigue el siguiente procedimiento:
6
Distancia mínima de fuga seleccionada (Lf) = 25 mm/kV
Donde los valores de tensión son los valores máximos de voltaje del sistema fase – tierra.
Cálculo muestra:
Para 13,8 kV, la tensión máxima del sistema bajo estudio es 15 kV fase- fase. Se tiene:
Lf = 25mm/kV x 15kV = 375 mm
En la Tabla V se pueden observar los valores correspondientes de Lf para cada nivel de tensión usado por
la empresa.
Nivel de
Tensión (kV)
13.8
115
Tensión
Máxima del
Sistema (kV)
15
123
Distancia
Mínima de
Fuga (mm)
280
1136
Tabla V.- Distancia mínima de fuga en función del nivel de Tensión.
Por consecuencia el aislamiento utilizado es menor al exigido por el nivel de contaminación presente en la
zona, siendo necesario un aumento del nivel de aislamiento o la implementación de un nuevo programa
de mantenimiento acorde a las condiciones del sector.
RECOMENDACIONES
•
•
•
•
Continuar con el estudio de manera de tener datos más fieles y acorde con la época del año y la
temporada de lluvias.
Aumentar el nivel de aislamiento de las líneas de distribución pertenecientes al Distrito Turen de
CADAFE Región 5.
Crear un nuevo plan de mantenimiento acorde con las condiciones del sector.
Implementar un plan de lavado de líneas esto con el fin de disminuir el foco de contaminación
presente en las líneas de la zona.
• La data de las inspecciones de los aisladores se compara en tiempo real con la medición
de la humedad relativa (HR%), procedimiento este implementado en C.V.G. EDELCA
con excelentes resultados para determinar oportunamente el lavado de los aisladores.
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CONCLUSIONES
La ubicación geográfica de las líneas responde a una realidad de contaminación muy particular,
por lo cual se debe tener en cuenta este factor y definir su propio ciclo o frecuencia de
mantenimiento de manera referencial, sin menoscabo de las revisiones respectivas que definen el
punto optimo de ejecución de actividades.
BIBLIOGRAFÍA
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