Recomendaciones para la especificación de aisladores compuestos en líneas HVDC mediante simulación computacional

Abstract

El presente estudio se centra en la contaminación de los aisladores eléctricos y su impacto en la corriente de fuga y la tensión de ruptura. Se aplicó un enfoque metodológico que combina análisis experimental y simulaciones computacionales con COMSOL para evaluar la influencia de diferentes condiciones de contaminación en el rendimiento de los aisladores. La fase experimental incluyó la aplicación de capas contaminantes mediante el método de capa sólida, seguida de pruebas de alta tensión en condiciones de humedad variables. Estas pruebas permitieron determinar la tensión de ruptura, el comportamiento de la corriente de fuga, la conductividad del medio contaminado y la permitividad del contaminante. Las simulaciones computacionales abarcaron diferentes modelos de contaminación: homogénea, semi-homogénea y no homogénea con cambios abruptos o escalonados de conductividad. Los resultados mostraron variaciones significativas en la corriente de fuga según la distribución de la contaminación para un mismo valor de conductividad, resaltando la dificultad de simulación. El análisis de los resultados experimentales evidenció una fuerte correlación entre la corriente de fuga y la tensión de ruptura, aunque con variaciones según el caso. En condiciones de contaminación salina, un aumento en la corriente de fuga indica una reducción notable en la tensión de ruptura. Sin embargo, en los casos E4 y E6, a niveles de humedad moderadamente bajos (menores al 95% de HR), un incremento en la corriente de fuga no implica necesariamente una disminución significativa en la tensión de ruptura. La presencia de contaminantes con distintos niveles de conductividad complicó la modelación y puso de manifiesto la dificultad de obtener simulaciones fiables y precisas. Además, la presencia de contaminantes con distintos niveles de conductividad introdujo desafíos en la modelación, evidenciando la dificultad de lograr simulaciones confiables. En conclusión, el estudio confirma que la contaminación tiene un impacto significativo en el rendimiento de los aisladores y que la modelación computacional, en su estado actual, no es completamente fiable para predecir con precisión su comportamiento. Se requiere una mayor consideración de los efectos de la contaminación no homogénea para mejorar la exactitud de los modelos. Por ello, se recomienda el desarrollo de experimentos reales y la implementación de métodos de monitoreo en tiempo real, con el objetivo de optimizar las estrategias de mantenimiento y mejorar la fiabilidad del desempeño de los aisladores en condiciones reales de operación. The present study focuses on the contamination of electrical insulators and its impact on leakage current and breakdown voltage. A methodological approach combining experimental analysis and computational simulations using COMSOL was applied to evaluate the influence of different contamination conditions on insulator performance. The experimental phase included the application of contaminant layers using the solid layer method, followed by high-voltage tests under varying humidity conditions. These tests allowed for the determination of breakdown voltage, leakage current behavior, conductivity of the contaminated layer and contaminant permittivity. Computational simulations covered different contamination models: homogeneous, semi-homogeneous, and non-homogeneous with abrupt or stepped conductivity changes. The results showed significant variations in leakage current depending on contamination distribution, highlighting the importance of accurate modeling in predicting insulator behavior. The analysis of experimental results revealed a strong correlation between leakage current and breakdown voltage, with variations depending on specific cases. Under saline contamination conditions, an increase in leakage current leads to a significant reduction in breakdown voltage. However, in cases E4 and E6, at moderately low humidity levels (below 95% RH), an increase in leakage current does not necessarily imply a significant reduction in breakdown voltage. Additionally, the presence of contaminants with varying conductivity levels posed challenges in modeling, emphasizing the difficulty of achieving precise and reliable simulations. In conclusion, the study confirms that contamination significantly impacts insulator performance and that current computational modeling is not entirely reliable for accurately predicting insulator behavior. Greater consideration of non-homogeneous contamination effects is required to improve model accuracy. Therefore, the development of real-world experiments and the implementation of real-time monitoring methods are recommended to optimize maintenance strategies and enhance the reliability of insulator performance under real operating conditions.