Nuevos enfoques para la monitorización y el dimensionamiento de aisladores de alta tensión

Abstract

Los aisladores de líneas de alta tensión desempeñan un papel crucial en el transporte y distribución de energía eléctrica al cumplir la doble función de proporcionar sujeción mecánica al conductor y aislamiento eléctrico con respecto al apoyo o soporte puesto a tierra. Dada su aplicación, predominantemente en entornos de exterior, los aisladores están expuestos a diversas condiciones ambientales, meteorológicas y de operación, lo que los convierte en uno de los elementos más vulnerables de todo el sistema eléctrico.

Esta tesis doctoral presenta nuevos enfoques para la monitorización y dimensionamiento de aisladores de líneas de alta tensión, con el objetivo de mejorar su mantenimiento, fiabilidad y diseño en entornos caracterizados por elevada contaminación ambiental y condiciones climatológicas adversas. La investigación abarca más de tres años consecutivos en una estación de ensayos de Électricité de France (EDF) ubicada en Martigues, donde se llevó a cabo un programa intensivo de monitorización de aisladores fabricados con diferentes materiales en condiciones reales de operación. Estos datos respaldan las nuevas metodologías expuestas basadas en algoritmos de aprendizaje automático, permitiendo estimar el estado de los aisladores a partir de las condiciones ambientales y meteorológicas. De esta manera, el mantenimiento periódico de lavado del aislamiento puede ser mejorado por un enfoque basado en el estado real de la condición.

Además, se investiga el comportamiento de recubrimientos de materiales hidrofóbicos, como las siliconas, y de un nuevo nano-recubrimiento superhidrofóbico, que mejoran el rendimiento de los aisladores en entornos de alta contaminación y pueden reducir, e incluso eliminar, la necesidad de dichos trabajos de mantenimiento. Por medio de los datos recopilados durante el programa de monitorización en campo, se profundiza en la evaluación del impacto que tienen las diferentes variables meteorológicas y de polución en los distintos materiales, abordando los fenómenos de envejecimiento y degradación observados por estos materiales en condiciones operativas adversas.

Finalmente, se proponen nuevos modelos probabilísticos de dimensionamiento para aisladores de alta tensión, basados en grandes conjuntos de datos que abarcan el comportamiento mecánico y frente a la contaminación ambiental. Los datos obtenidos permiten presentar un modelo de dimensionamiento frente a la polución para aisladores con materiales hidrofóbicos, cuantificando el riesgo de fallo. Este enfoque posibilita el diseño de líneas eléctricas más eficientes y fiables, abriendo la puerta al desarrollo de líneas eléctricas más compactas mediante el uso de materiales con propiedades de transferencia de hidrofobicidad.

High-voltage insulators play a crucial role in the transmission and distribution of electrical energy, performing the dual function of providing mechanical support to the conductor and electrical insulation with respect to the tower or earthed support. Due to their predominantly outdoor use, insulators are exposed to numerous environmental, meteorological and operational conditions, making them one of the most vulnerable elements of the entire power system.

This thesis presents novel approaches to condition monitoring and dimensioning of high-voltage insulators, with the aim of improving their maintenance, reliability and design in environments characterized by high levels of environmental pollution and adverse weather conditions. The research covers more than three consecutive years at a test station of Électricité de France (EDF) in Martigues, where an intensive monitoring programme was carried out on insulators made of different materials under real operating conditions. These data support the new methods presented, based on machine learning algorithms, which allow the state of the insulators to be estimated on the basis of environmental and meteorological conditions. Thus, the periodic maintenance of insulator washing can be improved by an approach based on the actual state of the condition.

In addition, the performance of hydrophobic material coatings, such as silicones, and a new superhydrophobic nano-coating, will be investigated to improve the performance of insulators in highly polluted environments and reduce, or even eliminate, the need for such maintenance. Data collected during the field monitoring program will be used to further evaluate the effects of various weather and pollution variables on the different materials, and to address the ageing and degradation phenomena observed for these materials under adverse operating conditions.

Finally, new probabilistic dimensioning models for high-voltage insulators are proposed, based on large data sets covering mechanical and environmental performance. The data obtained allows the presentation of a pollution dimensioning model for insulators with hydrophobic materials, quantifying the risk of failure. This approach allows the design of more efficient and reliable power lines and opens the door to the development of compact power lines by using materials with hydrophobicity transfer properties.