¿Cómo evita un aislante los fallos eléctricos?

Mecanismos fundamentales de aislamiento eléctrico de un aislador

Bloqueo del flujo de corriente mediante alta resistividad y estructura de banda prohibida

Los aislantes evitan fallos eléctricos porque bloquean el flujo de corriente mediante sus propiedades materiales naturales. Estos materiales presentan una resistencia eléctrica muy elevada, habitualmente superior a 10^10 ohm·m, lo que dificulta enormemente el desplazamiento de los electrones a través de ellos. Esto ocurre debido a algo denominado «banda prohibida electrónica», cuyo ancho suele superar los 5 electronvoltios (eV). Cuando existe esta banda prohibida, los electrones de valencia simplemente no pueden saltar a la banda de conducción bajo tensiones operativas normales, por lo que las cargas quedan prácticamente atrapadas y no se desplazan. Los aislantes de porcelana con núcleos macizos y diversos tipos de polímeros funcionan precisamente según este principio, manteniendo bajo control las corrientes de fuga incluso cuando están sometidos durante largos periodos a esfuerzos de tensión. Para mejorar aún más su rendimiento, los fabricantes crean estructuras cristalinas densas en materiales cerámicos o emplean polímeros reticulados que limitan la movilidad de los iones. A modo de comparación, la resistividad del cobre es de aproximadamente 10^-8 ohm·m. Esto significa que los materiales aislantes son, naturalmente, unas 18 órdenes de magnitud más eficaces para detener el flujo de electricidad.

Resistencia al esfuerzo de voltaje mediante la rigidez dieléctrica y el umbral de ruptura

Los buenos materiales aislantes soportan picos repentinos de tensión porque poseen lo que se denomina alta rigidez dieléctrica. Esto indica, básicamente, la intensidad del campo eléctrico (medida en kilovoltios por milímetro) que el material puede soportar antes de fallar por completo. La mayoría de los materiales comunes, como el vidrio y la goma de silicona, suelen resistir entre 10 y 40 kV/mm, superando con creces al aire normal, que apenas alcanza unos 3 kV/mm. Cuando las tensiones permanecen por debajo de estos límites, pueden producirse pequeñas descargas eléctricas, pero generalmente no causan problemas. Sin embargo, una vez superados dichos umbrales, la situación se deteriora rápidamente, ya que los iones comienzan a multiplicarse de forma incontrolada hasta que el material experimenta una ruptura definitiva. Por ello, los ingenieros siempre incorporan protección adicional al diseñar sistemas de aislamiento, normalmente procurando que la operación se mantenga alrededor de la mitad de la capacidad máxima del material. Esto permite margen ante eventos imprevistos, como descargas atmosféricas o fluctuaciones en la red eléctrica. Y hablando de materiales, su calidad también es fundamental. Incluso cantidades mínimas de humedad, partículas metálicas o suciedad en las superficies pueden reducir la rigidez dieléctrica hasta en dos tercios, acelerando así el envejecimiento del aislamiento y provocando su fallo antes de lo previsto.

Prevención de la descarga superficial: distancia de fuga, contaminación e hidrofobicidad

Diseño de la distancia de fuga para alargar la trayectoria de fugas superficiales

El término 'distancia de fuga' se refiere básicamente a la ruta más corta a lo largo de la superficie de un aislante que conecta distintos componentes bajo tensión. Al diseñar estas rutas, los ingenieros buscan evitar la formación de corrientes de fuga no deseadas. Al alargar esta ruta, en realidad aumentamos la resistencia superficial y retrasamos posibles arcos eléctricos superficiales, ya que la electricidad debe atravesar capas de contaminación más resistentes. Organismos normativos como la IEC 60815 establecen las distancias mínimas aceptables en función del grado de contaminación de una ubicación determinada. Algunos diseños especiales en forma de niebla, con nervaduras profundas, pueden incrementar el área superficial real en aproximadamente un 30 %, e incluso hasta un 40 %, comparados con superficies lisas y planas. En subestaciones situadas directamente junto al mar, donde la sal se deposita en todas partes, las especificaciones requeridas de distancia de fuga suelen alcanzar unos 31 mm por kilovoltio o más. Esto contribuye a mantener buenos niveles de rendimiento sin que el tamaño del equipo se vuelva excesivo.

Superficies hidrofóbicas y supresión de capas contaminantes conductoras

La propiedad de ser hidrofóbico impide la formación de películas conductoras continuas sobre las superficies de los aislantes. Tomemos como ejemplo el caucho de silicona, que presenta en su superficie grupos metilo de baja energía, lo que genera ángulos de contacto superiores a 90 grados. Debido a esto, el agua forma gotas en lugar de extenderse sobre el material. Cuando el agua no se extiende, los contaminantes tampoco pueden disolverse ni desplazarse a lo largo de trayectorias electrolíticas. En cambio, estos contaminantes permanecen como partículas separadas y no establecen conexiones entre los electrodos. Los aislantes poliméricos ofrecen, en realidad, un rendimiento mucho mejor que los materiales tradicionales de porcelana ante problemas de humedad o contaminación. Algunos tratamientos ultrahidrofóbicos mantienen ángulos de contacto superiores a 150 grados. Pruebas de campo realizadas cerca de zonas costeras demostraron que dichos tratamientos reducen aproximadamente dos tercios el riesgo de flashover causado por contaminación. Por tanto, las propiedades hidrofóbicas actúan a nivel molecular, junto con mejoras en el diseño físico, para potenciar el rendimiento del aislamiento.

Vías de degradación del aislante e indicadores tempranos de fallo

Envejecimiento térmico, erosión por descarga parcial y efectos de la contaminación química

Los materiales aislantes tienden a degradarse con el tiempo mediante varios procesos interrelacionados: daño térmico, desgaste por descarga parcial y acumulación química en las superficies. Todos estos factores actúan conjuntamente para debilitar las propiedades eléctricas de los aislantes. Cuando las temperaturas superan aproximadamente los 80 grados Celsius, el material comienza a degradarse más rápidamente. Por cada incremento adicional de 8 a 10 grados, la vida útil del aislamiento polimérico se reduce a la mitad, ya que las moléculas empiezan a romperse y el material se vuelve quebradizo. La descarga parcial genera canales microscópicos dentro del aislamiento cuando ocurren pequeñas chispas de forma localizada. En situaciones adversas, esto puede reducir la capacidad de soportar tensión hasta en un 70-90 % en tan solo unos pocos meses. Los contaminantes industriales, como los sulfatos procedentes de fábricas, la sal de zonas costeras y el agua de lluvia ácida, generan capas conductoras sobre las superficies que aumentan las corrientes de fuga y provocan arcos peligrosos entre zonas secas. Las señales de advertencia temprana incluyen corrientes de fuga superiores a 500 microamperios, la aparición de pistas de carbono en las superficies y extraños sonidos crepitantes provenientes del equipo. Vigilar estas señales permite realizar reparaciones antes de que ocurra una falla, lo cual resulta especialmente importante en lugares con alta humedad o contaminación, donde todo se degrada de 5 a 10 veces más rápido que en condiciones normales.

Gestión proactiva de la fiabilidad del aislante

Cuando las empresas adoptan estrategias proactivas de gestión de la fiabilidad, observan importantes reducciones en los fallos inesperados de los equipos, junto con una disminución de los costes totales a lo largo del ciclo de vida del producto. El cambio desde esperar a que se produzcan averías antes de sustituir piezas implica implementar medidas como escaneos infrarrojos para detectar problemas térmicos, utilizar herramientas ultrasónicas para identificar fallos eléctricos y elaborar mapas de contaminación mediante sistemas de información geográfica. El cumplimiento de la norma PAS 55 favorece la creación de rutinas sistemáticas de supervisión, en las que los técnicos inspeccionan mensualmente las superficies en busca de signos de desgaste o grietas y realizan ensayos trimestrales sobre materiales aislantes para garantizar que siguen cumpliendo su función. Según una investigación del ARC Advisory Group realizada en 2022, este tipo de enfoque puede reducir el tiempo de inactividad no planificado en casi tres cuartas partes. Además, los activos tienen una mayor vida útil cuando los planes de mantenimiento se adaptan a lo que realmente ocurre con el equipo, en lugar de seguir cronogramas genéricos. Integrar los datos de sensores sobre aisladores en los sistemas de mantenimiento centrado en la fiabilidad hace que todas esas mediciones en tiempo real —como las corrientes de fuga o los cambios de temperatura en los componentes— resulten mucho más útiles. Los responsables de instalaciones obtienen información concreta que les indica exactamente cuándo se requieren reparaciones, basándose en las condiciones reales y no en suposiciones.