Seguridad en el Diseño de Redes de Distribución Eléctrica

¿CUALES SON LOS PRINCIPALES MECANISMOS DE DETERIORO DE LOS CONDUCTORES DE REDES ELECTRICAS AEREAS ?

RESUMEN

   
La publicación precedente bajo el título de "¿ Qué Parámetros del Entorno Participan en la Elección del Material de los Conductores ?" contiene, en parte la información de base para el desarrollo del presente artículo. Este, sin abordar el Diseño de Ingeniería que es ampliamente conocido, resume la esencia de las prestaciones que están llamadas a cubrir los conductores eléctricos aéreos, examinando los elementos y los mecanismos del ataque corrosivo atmosférico sobre los metales Cobre y Aluminio, y las formas usuales del deterioro, permitiendo la apreciación cualitativa de dichos materiales.

1. Introducción
2. Prestaciones inherentes a los Conductores Eléctricos de Redes Aéreas.
3. Ataque del Medio Ambiente a los materiales de los conductores y accesorios.
4. Mecanismos de corrosión ocasionan el deterioro de los Conductores Aéreos.
5. Prevención de la Corrosión y Medios para Contrarrestarla
6. Conclusiones

1. INTRODUCCION


El deterioro natural y predominante de los metales en general, se manifiesta en forma de disolución o pérdida más o menos rápida de material, debido al establecimiento localizado o generalizado de mutaciones químicas que tienen manifestaciones eléctricas intrínsecas. Este proceso electroquímico se denomina corrosión. El fenómeno ocurre independientemente del tipo de uso, forma o prestación asignada, lo cual, si bien es cierto depende en gran medida de la agresividad propia del entorno, también se propicia con la tendencia espontánea de los metales a retornar al estado combinado que inicialmente tuvieron en forma de mineral

2. ¿CUALES SON LAS PRINCIPALES PRESTACIONES INHERENTES A LOS CONDUCTORES ELECTRICOS DE REDES AEREAS?


Las solicitaciones a las que se someten los conductores eléctricos de las Redes Aéreas, están relacionadas a los requerimientos del transporte de la Energía Eléctrica, a las condiciones mecánicas iniciales y excepcionales de la instalación, y a las condiciones que impone el medio ambiente y el entorno. Dichas exigencias que prevalecen durante la vida útil proyectada para la infraestructura, imponen las prestaciones a ser cubiertas eficientemente, lo cual depende en gran medida, de las propiedades de los metales base.

2.1 Principales Prestaciones Eléctricas
La conductividad eléctrica y térmica con el mínimo de pérdidas de energía y la mínima caída de tensión, constituyen las principales prestaciones a ser cubiertas. Tratándose netamente del Cobre y del Aluminio, entre calibres de 16 a 95 mm2 se remarca que a igual sección, el Cobre presenta una capacidad de transporte 28% mayor, con una conductividad térmica 77% superior, que favorece la transferencia de calor mientras que a igual corriente de carga y, longitud de línea, el Aluminio presenta 60% más pérdidas que el Cobre, y considerando igual sección, igual corriente de carga e igual longitud de línea, el Aluminio presenta una caída de tensión entre el 45% y 55% mayor que el Cobre. La tecnología de las aleaciones en estos metales, sólo permite lograr pequeñas variaciones en dicho esquema de prestaciones.

2.2 Principales Prestaciones Mecánicas.
La resistencia a la tracción con el mínimo de dilatación lineal y el mínimo de elongación permanente especialmente bajo la tensión mecánica de instalación (Every Day Stress) y otras similares mayores solicitaciones excepcionales que pueden ocurrir durante el servicio, constituyen, las principales prestaciones a ser cubiertas. En este caso, resulta que a igual sección de conductor, el Cobre presenta más del doble de resistencia mecánica a la tracción. Asimismo, frente a los incrementos de temperatura que ocurren cíclicamente durante el servicio, muestra un conveniente coeficiente de Dilatación Lineal 30% menor que el Aluminio, metal que debido a su bajo módulo de Elasticidad, 55% por debajo del Cobre, admite mayores relajaciones con deformaciones permanentes. No obstante, presenta como ventaja su peso específico 70% menor que el Cobre.

2.3 Principales Prestaciones frente al Medio Ambiente.
La resistencia y durabilidad ante la erosión derivada de los ciclos térmicos y las radiaciones cotidianas, así como frente a la abrasión ocasionada por las partículas sólidas que arrastran los vientos, y el establecimiento permanente de variados procesos electroquímicos incentivados por la contaminación y la humedad, constituyen los principales prestaciones a ser cubiertas por los conductores aéreos. Frente a estas solicitaciones naturales, los metales generan una capa protectora de óxido, cuyo desempeño mecánico y eléctrico esta relacionado a su vulnerabilidad intrínseca; en este caso la "Patina" del Cobre posee cualidades de alta dureza y compacidad asi como una gran Resistencia Eléctrica no propicia para el deterioro por corrosión.

 3. COMO SE PRODUCE EL ATAQUE DEL MEDIO AMBIENTE A LOS MATERIALES DE LOS CONDUCTORES Y ACCESORIOS


La interacción del medio ambiente y el entorno, constituidos básicamente por las radiaciones externas así como por la variación de las condiciones meteorológicas y atmosféricas estacionales, y la morfología del suelo y sus características topográficas así como la presencia de fuentes de contaminación, inciden directamente sobre los materiales expuestos ocasionando su deterioro (envejecimiento). Este se traduce en pérdida de peso y disminución del alcance de sus prestaciones.

3.1 Ataque por erosión
La intemperización de los metales, se refiere principalmente a su exposición permanente a las Radiaciones Cósmicas y a aquellas que se derivan de la Luz Solar, especialmente en la gama de Ultravioleta, fenómenos a los cuales se asocian los variados gradientes térmicos diarios y la acción de las corrientes de aire. Ante esta incidencia de factores de deterioro, los metales en general presentan una alta resistencia superficial por medio de la capa de Pátina, óxido protector que desarrollan espontáneamente en forma inmediata, la cual amortigua el ataque haciendo muy lentas e insignificantes sus consecuencias a largo plazo.

3.2 Ataque por Abrasión
El proceso natural de abrasión que sufren los conductores y los accesorios, presupone la existencia de un elemento motriz que es el viento, y un elemento proyectil constituido por las partículas sólidas tanto ligeras como pesadas que son levantadas, transportadas y proyectadas sobre la superficie metálica. Estos ocasionan ya sea el lento desgaste de la capa de óxido protector (con vientos moderados), que simultáneamente se va reconstituyendo en la interfase interior, o bien la rotura de la misma (con ráfagas de viento), que puede ocasionar procesos localizados de deterioro penetrante. En éste caso, el desempeño de los metales, aparte sus cualidades físicas propias, y de la capa de óxido protector, estará supeditado a la presencia de vientos predominantes y suelos deleznables o desérticos y otras condiciones electroquímicas creadas por el medio ambiente. Salvo casos excepcionales; la sola abrasión natural ocasiona pequeños desgastes, pero puede ser un acelerador para otros tipos de deterioro.

3.3 Ataque Electroquímico.
La corrosión atmosférica es básicamente una reacción electroquímica al Potencial de Electrodo entre un metal o una aleación metálica con el medio circundante, resultando el deterioro localizado. Químicamente, los átomos metálicos de las zonas afectadas o ANODICAS (donde ocurre la oxidación o acidación), se transforman en Iones (Mn+ ), cediendo sus Electrones (ne-)- a un no metal que puede ser (H+) o bien (O2), a través de las partes sanas o CATODICAS (donde ocurre la reducción o alcalinazación). El circuito se cierra a través de la resistencia ohmíca del Electrolito (en la superficie metálica).
- Proceso ANODICO: Disolución del metal y producción de electrones.
  M -----> Mn+ + ne-
- Proceso CATODICO: Preservación del metal y consumo de electrones
  Mn+ + ne- -----> n M
- Hidrólisis: Reacción complementaria de los iones metálicos inestables en el agua
  M2+ + H2O -----> M (OH)+ H+

  4. QUE MECANISMOS DE CORROSION OCASINAN EL DETERIOR DE LOS CONDUCTORES AEREOS


El proceso de corrosión se establece en presencia de los potenciales intrínsecos de los metales (Potencial de Electrodo), que pueden ser medidos en relación al Hidrógeno (Patrón) dando para el Cobre (+ 0.340 voltios), y para el Aluminio (-1.700 voltios), valores correspondientes a la escala de Reacción de Reducción, según la cual el Aluminio aparece como más propenso a la disolución o corrosión.

a. Formación de los electrolitos y de la barrera Protectora.
La superficie de los conductores cubierta en forma irregular por la contaminación sufre cotidianamente el fenómeno de humedecimiento natural del medio ambiente que participa con gran eficacia en pequeños espesores (a 80% de Hr, de 30 um a 150 um), o bien de la condensación con mayores espesores que pueden dar lugar al rocío y al escurrimiento que limitan el proceso de ataque. Bajo estas condiciones se forman electrolitos de diferentes concentraciones y diluciones. A través de su cobertura ingresa el oxígeno del aire y sale el hidrógeno molecular de las reacciones y también se transportan los productos de corrosión, la barrera protectora se inicia en forma idéntica para todos los metales, mediante la formación de una película fina de óxido con características propias que en cada caso determina la cinética del deterioro bajo la influencia de otros factores como son la temperatura, las solicitaciones mecánicas y fundamentalmente el tipo de contaminación.

b. Participación de la presencia de Corriente Eléctrica.
Cuando los conductores están energizados, en el ciclo anódico se añade al proceso de corrosión, el énfasis en la formación de un medio alcalino en el electrolito, como producto de la concentración de (OH)- en la falla; o bien, en la alternancia negativa o ciclo catódico, la acidificación por mayor concentración de hidrógeno en forma de iones [H]+. Ambos fenómenos inciden en la disolución de la barrera protectora y desprotección del metal.

4.1 La Corrosión en los conductores de Cobre
Los derivados del cloro y del azufre que son contenidos en la contaminación costera, originan la oxidación del Cobre formando una película negruzca denominada "Patina". Esta presenta alta densidad, baja solubilidad, alta resistencia eléctrica y elevada resistencia al ataque químico y a la erosión. Gracias a estas características protege al metal subyacente limitando gradualmente la tasa de penetración de la corrosión a las proximidades de 4.0 um/año en la zona del litoral y de 1.0 um/año en las zonas de atmósfera limpia.

a. Los compuestos que forman la Barrera Protectora.
La conformación de los compuestos estables de la Patina es variable en función de los contaminantes (Cl Na, SO2 , etc) y catalizadores (ClH) que la originan. En la interfase con el metal se hallan el (CuO) y el (Cu2O) a los que se les superponen los Hidroxidos insolubles (Cu(OH)) de diferentes orígenes que según el caso pueden predominar.
- En zonas contaminadas tipo litoral
  Brochantitas : CuSO4 3Cu(OH)2 Pátinas antiguas
  Antleritas : CuSO4 2Cu(OH)2 Pátinas recientes
- En zonas Limpias de contaminación
  Malaquitas : CuCO3.Cu(OH)2 principalmente
  Azuritas : 2CuCO3.Cu(OH)2 ocasionalmente
- En zonas contaminadas y lluviosas
  Languitas : CuSO4.3Cu(OH)2 .2H2O
- En zonas de contaminación Agrícola
  Nitratos Básicos de Cu: Cu(NO3)2 .Cu(OH)2

b. El desempeño de los conductores de Cobre
Las características enunciadas le otorgan al Cobre una alta resistencia a la corrosión, excepto en presencia de NH3 ó NH4 contenido principalmente en la contaminación agrícola. Pese a esto las vibraciones mecánicas, la abrasión, la erosión y los gradientes térmicos pueden ocasionar fisuras y fallas en la Pátina. Esto ocurre descubriendo el metal y propiciando la corrosión por picadura con el ingreso de electrolitos con bajos contenidos de (Cl) que dislocan la pasivación; o de otro modo, a partir del déficit de oxígeno que da a dichos puntos el carácter de zona Anódica, lo cual puede ocurrir en casos considerados excepcionales en ciertas localizaciones borde de mar zona de splash que usualmente son raras, y aún asi el deterioro previsible es de largo plazo.

4.2 La corrosión en los Conductores de Aluminio.
Principalmente el (Cl.H) resultante de la contaminación costera, origina la oxidación del Aluminio formando una película gris transparente de Alúmina, de espesor variable, compuesta por un estrato delgado, compacto, duro, de baja solubilidad y alta resistencia eléctrica que actúa como principal barrera protectora del metal, y formado también por otro estrato más grueso pero permeable que sirve de interfase con el medio ambiente brindando protección adicional limitando en conjunto la penetración amortiguada de la corrosión costera a una tasa promedio de alrededor de 16 um/año en la Costa, y 3um/año en la Sierra.

a. Los Compuestos que forman la Barrera Protectora.
La capa de óxido protector esta formada adicionalmente por compuestos solubles que se forman, en función del tiempo de envejecimiento. En la interfase del metal se halla la Alúmina estable (Al2 O3 ), a la que se le superponen las Hidracillas (Al2 O3 . H2O), y finalmente la cobertura de Hidróxidos (Al(OH)3 .3H2 O) que ante la presencia de los Cloruros de la contaminación costera, se disuelven en soluciones ácidas o alcalinas. Dichos depósitos se forman indistintamente de la naturaleza de la zona de exposición, en este caso el grado de contaminación sólo constituye un catalizador. Estos reciben sucesivamente las siguientes denominaciones.
- Bahomita : Al2 O3 . H2O Romboidal
- Bayerita : Al2 O3 .3H2O Monoclínico
- Hidrarcillita : Al2 O3 .3H2O Monoclínico
- Hidróxidos : Al(OH3 ).3H2O

b. El Desempeño de los Conductores de Aluminio y Aleaciones.
Según las características descritas, el Aluminio por ser un metal muy Alcalino y de carácter anfótero, es sumamente vulnerable ante la agresividad del medio ambiente salino, especialmente en zonas costeras borde de mar que reciben directamente la contaminación marina. No obstante, la corrosión superficial generalizada no constituye el mayor problema, sino la corrosión localizada que puede ser particularmente virulenta en las microfisuras y fallas de la capa de óxido protector que ocurren mayormente por causas mecánicas asociadas a gradientes térmicos, abrasión o vibración, descubriendo el metal y permitiendo el ingreso de los electrolitos que ya sea por concentración de (OH-) o de (H+ ) aceleran la corrosión y extienden ininterrumpidamente las zonas anódicas. Esto puede, según el caso, ocasionar el colapso en intervalos de corto a mediano plazo.
 
4.3 Formas de Corrosión que afectan a los Conductores
Están relacionados a diferentes factores bajo los cuales se instalan y operan los Conductores Eléctricos. Sin abordar precisiones de cinética ni morfología, se pueden mencionar los tipos de corrosión que comúnmente ocurren en la Costa Peruana y han sido corroborados por la experiencia de campo, especialmente o en algunos casos exclusivamente en conductores de Aluminio.
a. Corrosión por Cuplas Galvánicas
Se produce debido a la diferencia de Potencial de Electrodo, cuando hay contacto entre metales diferentes. En este caso se muestra el deterioro entre el conductor y la grapa que conduce a la rotura; tambien ocurre en microceldas cuando existen impurezas de fabricación en el conductor.
b. Corrosión por Aireación Diferencial - Picadura
Ocurre al interior del límite, entre hebras y dentro de las fallas de superficie por estricción de los conductores, lugares profundos donde el electrolito tiene menor concentración de oxígeno, formándose zonas Anódicas y Catódicas. La reducción del Oxígeno ocurre en las zonas bajas menos aireadas, produciendo mayor acidez en el electrolito lo cual acelera el ataque corrosivo penetrante.
c. Corrosión bajo Tensión Mecánica - Fatiga
Requiere de una tensión mecánica (EDS de los conductores instalados), que se combina con otras solicitaciones (viento, peso propio, ciclos de contracción y dilatación). Asimismo requiere de un metal aleado y de un medio corrosivo. Si bajo estas condiciones existiesen dislocamientos estructurales dentro de la red cristalina o deslizamientos dentro del grano del metal, o bien cuando existiesen fallas o grietas transversales de trefilado, se originaría un proceso combinado de corrosión mecánico - electroquímico.
d. Corrosión por Celdas de Concentración
Ocurre en las rayaduras del trefilado o en imperfecciones superficiales. Dentro de dichas endiduras, el metal se disuelve por acidificación o alcalinización, pasando a la solución). Mientras que fuera de las endiduras, ocurre lo mismo pero en forma mas acelerada, dando lugar al desequilibrio químico entre el metal y el electrolito, lo cual ocasiona un flujo de corriente de corrosión que establece el proceso.
e. Corrosión Intergranular
Cuando el metal presenta una fase matriz y fases complementarias de precipitados; al fallar el tratamiento térmico de endurecimiento por envejecimiento artificial en demasía, ocurre el sobreenvejecimiento, que se caracteriza por la migración de los precipitados a los límites de grano empujando el proceso corrosivo hacia el exterior y haciendo quebradizas las hebras. Esto se debe a que el fenómeno continua a la temperatura ambiente. Contribuyen a este tipo de corrosión las tensiones residuales del mecanizado de fabricación.
f. Corrosión Biológica
Es un proceso metabólico provocado por algunos tipos de algas u hongos, o liquenes, así como por microorganismos unicelulares tipo bacterias, que ubicándose en la superficie de los conductores, descomponen activamente las materias orgánicas y minerales provenientes de la contaminación atrapada en las fallas, fisuras, ranuras e interfases de las hebras. Estas producen enzimas, amoníaco y compuestos de azufre y dióxido de carbono que modifican el pH local y corroen.  

5. PREVENCION DE LA CORROSION Y MEDIOS PARA CONTRARRESTARLA



a. Prevención de la Corrosión
El objetivo principal del Diseño de Ingeniería es asegurar la calidad del servicio basada en la operación confiable, segura y económica de la infraestructura, avizorando dicho desempeño por un plazo mínimo equivalente al asignado como vida útil (25 a 30 años); según lo cual el examen del medio ambiente y del entorno, conducirá a la elección de los materiales adecuados que muchas veces deberán basarse en un análisis técnico-económico que permita descartar la ilusión de la mínima inversión inicial que a la larga resulta contraproducente.
b. Medios para contrarrestar la Corrosión
Existen medios que permiten extender en algo el plazo del deterioro inexorable de los conductores ocasionado por la Corrosión; tales recursos técnicos tienen eficacia cuando las condiciones del sitio presentan moderada o baja agresividad, lo cual depende de los contenidos de materias solubles de la contaminación atmosférica. No obstante, no es posible asegurar la confiabilidad de las instalaciones. En los casos en que se determina un grado de agresividad corrosiva media severa o alta; los metodos artificiales para contrarrestar la corrosión de la infraestructura ya instalada, pasan a ser simples paliativos dado que las fallas por colapso en los conductores no ocurren por corrosión generalizada sino por corrosión localizada que puede ocurrir en cualquier punto.

6. CONCLUSIONES


a. Las prestaciones más importantes que deben cubrir los conductores eléctricos de las Redes Aéreas se relacionan principalmente con su desempeño frente a la agresividad del medio ambiente y del entorno en cuyo caso la correcta elección del material resulta fundamental.
b. Los mecanismos más comunes del ataque corrosivo a los Conductores Aéreos, conducen todos al deterioro localizado o puntual de las hebras, a partir del cual se incuba la falla por colapso; ante tales situaciones el Cobre por ser un metal catódico (noble), asegura larga duración aún en instalaciones Borde de mar - Zona de Splash.
c. La única forma de asegurar servicio confiable y operación segura y económica a largo plazo de las Redes Eléctricas Aéreas de distribución costera es mediante el uso del material correcto para los conductores. La justificacón de una alternativa de menor costo pero cualitativamente inferior, solo es ilusoria.

Justo YANQUE M., Ing.M-E,M.Sc.App.
Lima, Agosto de 1997.