Aislante (electricidad)

Todos los dispositivos eléctricos portátiles o de mano están aislados para proteger al usuario de descargas eléctricas peligrosas.

El aislamiento de clase I requiere que la carcasa metálica y demás partes metálicas expuestas del dispositivo estén conectadas a tierra mediante un cable de puesta a tierra conectado al panel de servicio principal; sin embargo, solo se necesita un aislamiento básico en los conductores. Este equipo requiere una clavija adicional en el enchufe para la conexión a tierra.

El aislamiento de clase II significa que el dispositivo tiene doble aislamiento . Este tipo de aislamiento se utiliza en algunos aparatos como afeitadoras eléctricas, secadores de pelo y herramientas eléctricas portátiles. El doble aislamiento requiere que los dispositivos cuenten con aislamiento básico y suplementario, cada uno de los cuales es suficiente para prevenir descargas eléctricas . Todos los componentes internos con energía eléctrica están completamente encerrados dentro de una carcasa aislada que impide cualquier contacto con las partes con corriente. En la UE , todos los aparatos con doble aislamiento están marcados con un símbolo de dos cuadrados, uno dentro del otro. ^{[ 8 ]}

Los aisladores utilizados para la transmisión de energía de alto voltaje están hechos de vidrio , porcelana o materiales poliméricos compuestos . Los aisladores de porcelana están hechos de arcilla , cuarzo o alúmina y feldespato , y están cubiertos con un esmalte liso para repeler el agua. Los aisladores hechos de porcelana rica en alúmina se utilizan cuando se requiere alta resistencia mecánica. La porcelana tiene una rigidez dieléctrica de aproximadamente 4–10  kV/mm. ^{[ 9 ]} El vidrio tiene una rigidez dieléctrica mayor, pero atrae la condensación y las formas gruesas e irregulares necesarias para los aisladores son difíciles de moldear sin tensiones internas. ^{[ 10 ]} Algunos fabricantes de aisladores dejaron de fabricar aisladores de vidrio a finales de la década de 1960, cambiando a materiales cerámicos.

Algunas compañías eléctricas utilizan materiales compuestos de polímero para ciertos tipos de aisladores. Estos suelen estar compuestos por una varilla central de plástico reforzado con fibra y una cubierta exterior impermeable de caucho de silicona o caucho de etileno propileno dieno monómero ( EPDM ). Los aisladores compuestos son menos costosos, más ligeros y poseen excelentes propiedades hidrofóbicas . Esta combinación los hace ideales para su uso en zonas contaminadas. ^{[ 11 ]} Sin embargo, estos materiales aún no cuentan con la vida útil a largo plazo comprobada del vidrio y la porcelana.

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  Líneas eléctricas sostenidas por aisladores cerámicos tipo clavija en California.
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  Aislador cerámico de 10 kV, mostrando las aletas.

La ruptura eléctrica de un aislante debido a un voltaje excesivo puede ocurrir de dos maneras:

• Un arco de perforación es una ruptura y conducción del material del aislante, que provoca un arco eléctrico a través de su interior. El calor resultante del arco suele dañar el aislante de forma irreparable. La tensión de perforación es la tensión aplicada al aislante (cuando está instalado correctamente) que provoca un arco de perforación.
• Un arco disruptivo es una ruptura dieléctrica y conducción del aire alrededor o a lo largo de la superficie del aislador, lo que provoca un arco en su exterior. Los aisladores suelen diseñarse para soportar un arco disruptivo sin sufrir daños. La tensión de descarga disruptiva es la tensión que provoca dicho arco.

La mayoría de los aisladores de alta tensión están diseñados con una tensión de descarga disruptiva inferior a la tensión de perforación, de modo que se produce la descarga antes de perforarse, para evitar daños.

La suciedad, la contaminación, la sal y, en particular, el agua en la superficie de un aislador de alta tensión pueden crear una trayectoria conductora a través de él, causando corrientes de fuga y descargas disruptivas. La tensión de descarga disruptiva puede reducirse en más del 50 % cuando el aislador está mojado. Los aisladores de alta tensión para uso exterior tienen una forma que maximiza la longitud de la trayectoria de fuga a lo largo de la superficie de un extremo al otro, denominada longitud de fuga, para minimizar estas corrientes de fuga. ^{[ 12 ]} Para lograr esto, la superficie se moldea en una serie de corrugaciones o discos concéntricos. Estos suelen incluir una o más cubiertas ; superficies en forma de copa orientadas hacia abajo que actúan como paraguas para asegurar que la parte de la trayectoria de fuga de la superficie bajo la "copa" permanezca seca en condiciones de humedad. Las distancias de fuga mínimas son de 20 a 25  mm/kV, pero deben aumentarse en zonas con alta contaminación o con presencia de sal marina en el aire.

Los aislantes se clasifican en varias clases comunes:

• Aislador de pasador : El aislador de pasador se monta sobre un pasador fijado al brazo transversal del poste. El aislador tiene una ranura cerca de la parte superior, justo debajo de la corona. El conductor pasa a través de esta ranura y se sujeta al aislador con alambre recocido del mismo material que el conductor. Los aisladores de pasador se utilizan para la transmisión y distribución de señales de comunicación y energía eléctrica a tensiones de hasta 33  kV. Los aisladores fabricados para tensiones de funcionamiento entre 33  kV y 69  kV tienden a ser voluminosos y se han vuelto antieconómicos.
• Aislador de poste: un tipo de aislador de la década de 1930, más compacto que los aisladores tradicionales de tipo pasador, que ha reemplazado rápidamente a muchos aisladores de tipo pasador en líneas de hasta 69  kV y, en algunas configuraciones, puede fabricarse para operar hasta a 115  kV.
• Aislador de suspensión: Para tensiones superiores a 33  kV, se suelen utilizar aisladores de suspensión, compuestos por varios discos de vidrio o porcelana conectados en serie mediante eslabones metálicos que forman una cadena. El conductor queda suspendido del extremo inferior de esta cadena, mientras que el extremo superior se fija al brazo transversal de la torre. El número de discos utilizados depende de la tensión.
• Aislador de tensión : Un poste o torre de anclaje se utiliza donde termina una sección recta de la línea o donde esta se desvía en otra dirección. Estos postes deben soportar la tensión lateral (horizontal) de la larga sección recta del cable. Para soportar esta carga lateral, se utilizan aisladores de tensión. Para líneas de baja tensión (menos de 11  kV), se utilizan aisladores de grillete como aisladores de tensión. Sin embargo, para líneas de transmisión de alta tensión, se utilizan cadenas de aisladores de tapa y pasador (de suspensión), fijados al brazo transversal en dirección horizontal. Cuando la carga de tensión en las líneas es extremadamente alta, como en grandes tramos de río, se utilizan dos o más cadenas en paralelo.
• Aislador de grillete: En sus inicios, los aisladores de grillete se utilizaban como aisladores de tensión. Sin embargo, hoy en día se emplean con frecuencia en líneas de distribución de baja tensión. Estos aisladores pueden utilizarse tanto en posición horizontal como vertical. Se pueden fijar directamente al poste con un perno o al brazo transversal.
• Buje - permite que uno o varios conductores pasen a través de una partición como una pared o un tanque, y aísla los conductores de ella. ^{[ 13 ]}
• Aislador de poste de línea
• Aislador de poste de estación
• Separar

Los aisladores de vaina son cubiertas protectoras diseñadas para envolver la longitud de un tercer riel de contacto inferior ; crean una barrera de seguridad continua que evita la conducción eléctrica accidental o el contacto humano con la fuente de alimentación activa. ^{[ 14 ]}

Los aislantes de cubierta se fabrican frecuentemente con epoxi, ya que este material se mantiene estable durante largos periodos y evita que la electricidad fluya donde no debe. Estos componentes actúan como una barrera protectora alrededor de las partes conductoras de los cables y sistemas eléctricos ; ayudan a aislar las capas metálicas para impedir que las corrientes no deseadas se filtren al entorno.

La cerámica es un material alternativo para estos aislantes y se utiliza junto con componentes plásticos para mejorar la resistencia general del conjunto. El plástico proporciona flexibilidad y un menor peso, mientras que la cerámica mantiene sus propiedades físicas a altas temperaturas y altos niveles de voltaje.

Los aisladores de tipo pasador no son adecuados para tensiones superiores a unos 69  kV entre líneas. Las líneas de transmisión de mayor tensión suelen utilizar aisladores de suspensión modulares. Los conductores se suspenden de una «cadena» de aisladores idénticos en forma de disco que se unen entre sí mediante pasadores de horquilla metálicos o enlaces de rótula. La ventaja de este diseño es que se pueden construir cadenas de aisladores con diferentes tensiones de ruptura , para su uso con distintas tensiones de línea, utilizando diferentes cantidades de las unidades básicas. Se pueden fabricar aisladores de cadena para cualquier tensión de transmisión práctica añadiendo elementos aislantes a la cadena. ^{[ 16 ]} Además, si se rompe una de las unidades aislantes de la cadena, se puede reemplazar sin desechar toda la cadena.

Cada unidad está construida con un disco de cerámica o vidrio con una tapa y un pasador de metal cementados en lados opuestos. Para que las unidades defectuosas sean obvias, las unidades de vidrio están diseñadas de manera que una sobretensión cause un arco perforante a través del vidrio en lugar de una descarga disruptiva . El vidrio se trata térmicamente para que se rompa, haciendo visible la unidad dañada. Sin embargo, la resistencia mecánica de la unidad no se ve afectada, por lo que la cadena de aisladores permanece intacta. En contraste, la porcelana ofrece ventajas en aplicaciones específicas de alto voltaje. A diferencia del vidrio, la porcelana se puede moldear en formas muy complejas e irregulares, lo que permite diseños personalizados de distribución de tensiones que son difíciles de lograr con el vidrio debido a las tensiones internas durante el enfriamiento. ^{[ 17 ]} La alta rigidez dieléctrica del material —aproximadamente 60 kV/cm— permanece estable en un amplio rango de temperaturas, proporcionando un rendimiento constante en entornos extremos. ^{[ 18 ]} Además, el cuerpo de arcilla opaca de la porcelana es naturalmente resistente a la degradación ultravioleta y a la corrosión química, lo que garantiza una vida útil que a menudo supera los 30 años sin pérdida de resistencia eléctrica. ^{[ 19 ]} Mientras que los aisladores de vidrio son propensos a romperse espontáneamente debido a imperfecciones superficiales o choque térmico , la porcelana mantiene una estabilidad mecánica superior bajo cargas de tracción y compresión elevadas, lo que la convierte en un estándar confiable para equipos de subestaciones . ^{[ 20 ]}

Las unidades estándar de aisladores de disco de suspensión tienen 25 centímetros (9,8 pulg.) de diámetro y 15 cm (6 pulg.) de longitud, pueden soportar una carga de 80 a 120 kilonewtons (18 000 a 27 000 lb _f ) , tienen una tensión de descarga disruptiva en seco de aproximadamente 72 kV y están clasificadas para una tensión de funcionamiento de 10 a 12 kV. ^{[ 21 ]} Sin embargo, la tensión de descarga disruptiva de una cadena es menor que la suma de sus discos componentes, porque el campo eléctrico no se distribuye uniformemente a lo largo de la cadena, sino que es más fuerte en el disco más cercano al conductor, que se descarga primero. A veces se agregan anillos de clasificación de metal alrededor del disco en el extremo de alta tensión, para reducir el campo eléctrico a través de ese disco y mejorar la tensión de descarga disruptiva.      

En líneas de muy alta tensión, el aislante puede estar rodeado de anillos corona . ^{[ 22 ]} Estos suelen consistir en toros de aluminio (generalmente) o tubos de cobre unidos a la línea. Están diseñados para reducir el campo eléctrico en el punto donde el aislante se une a la línea, para evitar la descarga corona , que produce pérdidas de potencia.

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  Cadena de aisladores de suspensión (la cadena vertical de discos) en un  pilón de suspensión de 275 kV .
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  Unidad de aislador de disco de vidrio suspendido utilizada en cadenas de aisladores suspendidos para líneas de transmisión de alta tensión.

Los primeros sistemas eléctricos que utilizaron aisladores fueron las líneas telegráficas ; se comprobó que la fijación directa de los cables a postes de madera daba muy malos resultados, especialmente en épocas de humedad.

En las primeras fases experimentales del telégrafo, los desarrolladores utilizaron materiales industriales comunes como madera y caucho antes de que se establecieran los estándares para la cerámica y el vidrio. William Fothergill Cooke empleó inicialmente bloques de madera pulida para sostener los cables desnudos a lo largo del Great Western Railway, tratándolos a menudo con alquitrán o brea para mejorar su resistencia a la humedad. ^{[ 23 ]} De manera similar, el caucho natural y la gutapercha —una resina de látex natural— se utilizaron como aislantes flexibles para el cableado inicial y los cables submarinos debido a su impermeabilidad. ^{[ 24 ]} Sin embargo, ambos materiales resultaron inadecuados para un uso prolongado en exteriores: la madera absorbía agua con frecuencia y se volvía conductora, lo que provocaba fallos en la señal, mientras que los componentes de caucho sufrían degradación por rayos ultravioleta y agrietamiento severo al exponerse a la intemperie. ^{[ 25 ]} Estos fallos persistentes causados ​​por la exposición a la intemperie finalmente hicieron necesario el cambio hacia la cerámica y el vidrio , más estables químicamente y resistentes a la intemperie, a mediados de la década de 1840. ^{[ 26 ]}

El vidrio fue inicialmente popular como material aislante primario debido a su bajo costo de producción y excelentes propiedades dieléctricas . En Estados Unidos, Ezra Cornell introdujo los "perillas de escritorio" de vidrio hacia 1844, que evolucionaron hasta convertirse en aisladores en forma de campana producidos en masa por empresas como New England Glass Company. ^{[ 27 ]} Si bien el vidrio era muy eficaz en ambientes secos y permitía una fácil inspección visual de defectos internos, su tendencia a acumular humedad superficial y su vulnerabilidad al choque térmico a menudo hicieron que la cerámica británica fuera el estándar preferido para las telecomunicaciones ferroviarias hasta la década de 1850. ^{[ 28 ]} Para la década de 1860, estos primeros componentes de ajuste por fricción evolucionaron hasta convertirse en los aisladores de porcelana roscada y vidrio templado que apoyaron la expansión global de la red telegráfica. ^{[ 29 ]}

El primer uso generalizado de aisladores eléctricos cerámicos se produjo entre 1855 y 1860. ^{[ 30 ]} Estas primeras unidades estaban hechas de porcelana vidriada o gres marrón y se desarrollaron para reemplazar el vidrio, que resultó menos eficaz en condiciones de humedad. ^{[ 31 ]}

Entre los primeros en producir aisladores cerámicos se encontraban empresas del Reino Unido, como Stiff y Doulton, que utilizaban gres desde mediados de la década de 1840; Joseph Bourne (más tarde rebautizada como Denby ), que los producía desde alrededor de 1860; y Bullers, desde 1868. C.F. Varley patentó varios diseños de gres en 1861, incluido el tipo "Z", que se convirtió en un estándar para las telecomunicaciones ferroviarias durante la década de 1870. ^{[ 32 ]}

En la década de 1890, la porcelana se había convertido en el estándar mundial para la transmisión de alto voltaje debido a su resistencia y propiedades dieléctricas . ^{[ 33 ]}

El desarrollo del aislador de suspensión fue un avance fundamental que permitió la expansión de la transmisión moderna de energía de alta tensión . Antes de esta innovación, la industria dependía de diseños de aisladores de pasador ; sin embargo, a medida que las tensiones de las líneas de transmisión se acercaban y superaban los 60 000 V, estas unidades se volvieron prohibitivamente grandes y pesadas. ^{[ 34 ]} Las limitaciones de fabricación e instalación establecieron un límite práctico de aproximadamente 88 000 V para una unidad de una sola pieza debido a las extremas tensiones mecánicas y eléctricas involucradas. ^{[ 35 ]}

Los aisladores de tipo suspensión superaron estas limitaciones mediante un diseño modular. Cada unidad consta de un disco de porcelana o vidrio con una tapa y un pasador metálicos, lo que permite conectarlos en cadenas de aisladores de la longitud necesaria para adaptarse a la tensión específica de la línea. ^{[ 36 ]} Esta flexibilidad no solo facilita tensiones de transmisión más altas —que a menudo superan los 500 000 V—, sino que también garantiza la distribución de la carga mecánica, manteniendo la integridad estructural del pilón y del conjunto conductor. ^{[ 37 ]}