La corrosión en el sector eléctrico cubano: estudio de caso

Dr. Miguel Castro Fernández*
*Centro de Investigaciones y Pruebas Electroenergéticas (CIPEL),
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Resumen
La alta agresividad de la atmósfera en Cuba se refleja en diversas esferas del sector productivo, y una de las más afectadas es el sector eléctrico. Desde 1989 se han realizado varios esfuerzos en el país con el objetivo de caracterizar el problema de la corrosión en este sector, siendo una de las temáticas de mayor interés la relacionada con la corrosión en las líneas de transmisión y distribución de energía eléctrica, dada la importancia que poseen desde el punto de vista de la confiabilidad para el servicio que se oferta a los diferentes sectores productivos y a la población en general. En el presente trabajo se exponen las características fundamentales de los procesos corrosivos que ocurren en las líneas de alta tensión en las condiciones cubanas, a partir del análisis de la estadística de falla reportada por la Unión Nacional Eléctrica (UNE).
Palabras clave: Corrosión, aisladores, herrajes.

Introducción
Las expectativas de vida útil de cables, herrajes y en general de soportes de equipos expuestos a la acción del medio ambiente se ven disminuidas debido al ataque corrosivo que soportan durante su explotación.

La corrosión de los metales o recubrimientos metálicos que forman parte de las construcciones de equipos, así como las consecuentes fallas que ocurren por su acción son un fenómeno universal que generalmente tiene un mecanismo preestablecido y existen, en ocasiones, alguna dificultad para determinar el punto de origen y los factores que inician el proceso. La posibilidad de disminuir los efectos de la corrosión está muy unida al conocimiento que sobre el fenómeno tengan los especialistas, y en particular de los fundamentos de la corrosión.

Según [Colter] se aceptan, de forma general, tres mecanismos diferentes de corrosión: físico, químico y electroquímico, difiriendo entre sí por la naturaleza del ataque corrosivo
y sobre quién actúa. Por otro lado, se expone que la corrosión de los metales puede presentarse de muchas formas si se considera la apariencia externa o alteración de alguna de las propiedades físicas del material o según el mecanismo de ocurrencia; de acuerdo con estas consideraciones la corrosión puede ser uniforme o localizada.

Una clasificación más amplia de los tipos fundamentales de corrosión de los metales se expone en [Anastasiev, et al], entre los que se especifica la corrosión atmosférica.
Dado que éste es de naturaleza electroquímica y para que ocurra es necesaria la formación de una película finita de humedad sobre la superficie del metal, estudios realizados en el antiguo Colectivo Internacional de Científicos (CIC) del Centro Nacional
de Investigaciones Científicas (CNIC) permitieron evaluar, en las condiciones del clima de Cuba, el complejo temperatura-humedad y su influencia sobre el proceso de corrosión [Corvo, 1989].

Hay factores que coadyuvan a la captación y retención del electrolito sobre la superficie metálica, entre los cuales pueden señalarse la rugosidad superficial, el polvo sedimentado y los productos hidroscópicos, siendo la rugosidad y el polvo sedimentado factores particularmente influyentes en las primeras etapas del proceso, aunque pierdan significación a medida que progresa la corrosión [Rosenfeld, 1972; Barton, 1982, y Feliz
y Morcillo, 1982]. Otros estudios [Zacks, y Bardeen y Sheadel, 1956] han demostrado también la alta influencia de los compuestos de SO2 y de los cloruros, donde los vientos predominantes, su intensidad y dirección, así como la orientación de la superficie metálica pueden determinar la gravedad del ataque corrosivo en un alto nivel.

En Cuba se ha demostrado la alta relación existente entre los estudios de contaminación del aislamiento eléctrico [Castro, et al., 1993] y la regionalización de la agresividad de la atmósfera [Corvo, et al., 1989]. En estos estudios se han elaborado mapas donde se observa una alta coincidencia en las zonas de alta agresividad, así como el factor tiempo de humectación como fundamental para ambos procesos. Asimismo, un análisis de la estadística de falla en el Sistema Electroenergético Nacional (SEN) permite asegurar que en Cuba la corrosión atmosférica es una de las causas que más incide en el servicio confiable y estable de la energía eléctrica, dado fundamentalmente por el tiempo de duración de las fallas, lo cual se refleja en afectaciones a otras industrias.

La corrosión en los herrajes de aisladores en Cuba
Es conocido que la porcelana y el vidrio utilizados en el diseño de los aisladores de alta tensión tienen una alta resistencia a la corrosión atmosférica; no obstante, existen partes metálicas que pueden sufrir graves ataques de corrosión y limitar la vida del aislador durante su explotación.

Puede plantearse que, por lo general, sólo un pequeño porcentaje de los aisladores en servicio sufre serios ataques de corrosión debido a que las técnicas de recubrimientos garantizan una protección adecuada de las partes metálicas. Por otro lado, se plantea
que el ataque corrosivo sobre los herrajes de los aisladores no depende sólo de las condiciones atmosféricas y del tipo de material, sino también de los esfuerzos eléctricos o reforzamientos de campo que pueden ocurrir en puntos críticos [Bardeen y Sheadel, 1956].

El desarrollo industrial ha llevado, además, a que grandes áreas se encuentren bajo la influencia de las emanaciones contaminantes y, por tanto, un extenso número de aisladores estén sometidos a la acción directa de esos contaminantes.

La exposición de los aisladores a la intemperie implica que sobre ellos actúen todas aquellas condiciones que influyen en el proceso de corrosión. Si bien el polvo sedimentado y la humedad son factores que inciden en el desarrollo del proceso corrosivo, no puede dejarse de tener en cuenta que otro de los factores de más importancia en este proceso es el oxígeno, presente en el proceso de descargas parciales o totales en el aislamiento debido a la contaminación con la producción de ozono, elemento que acelera la corrosión.

En investigaciones realizadas [Larrabee, 1944] se ha observado la influencia de la ubicación de la parte metálica en las pérdidas de corrosión; se reportó, en muestras inclinadas, que 60% de las pérdidas totales se producían por el lado que daba hacia la tierra. La inclinación del ángulo de ubicación de las muestras también se ha reportado como influyente en el proceso de corrosión [Muleshkova, et al., 1990]. Un efecto similar fue observado en las cadenas de aisladores de suspensión donde la parte superior de los aisladores aparece corroída en una razón menor en relación con las partes de los herrajes más protegidos, como por ejemplo la espiga [Bardeen y Sheadel, 1956]. Esto se debe posiblemente a que las lluvias fuertes tienden a limpiar las partes superiores, pero el aerosol que salpica puede humedecer las partes intermedias y acelerar el proceso. Otro factor al que pudiera atribuirse un efecto secundario, en este caso positivo, es la protección o efecto pantalla externo, como pueden ser las propias estructuras de soporte e incluso los edificios en las zonas urbanas, los cuales pueden proteger a los aisladores o herrajes de los aerosoles y de la contaminación en general.

En Cuba, a partir del examen de partes metálicas corroídas pertenecientes a aisladores, se han detectado diferentes tipos de corrosión, que teniendo en cuenta la propuesta realizada en Bardeen y Sheadel [1956] pueden clasificarse como:

• Tipo A. Pérdida de sección del metal expuesto.
• Tipo B. Corrosión de la espiga del aislador, ubicada dentro del ensamblaje de los aisladores.
• Tipo C. Corrosión de la espiga sin ensamblaje.

La corrosión del tipo A ha sido encontrada con mayor frecuencia y ocurren generalmente en atmósferas contaminadas, con un alto grado de acidez. Este es un ataque corrosivo típico de zonas industrializadas, siendo vulnerables al mismo tiempo todos los herrajes; durante este ataque se detectó una aceleración en el proceso corrosivo donde hay un reforzamiento del campo, así como que las uniones de los aisladores (unión espiga-caperuza) llegan a soldarse. La reducción de la sección de la espiga lleva a una reducción de la fortaleza mecánica del aislador a valores críticos, muy grave para las cadenas de aisladores que prestan servicio en zonas donde los requerimientos mecánicos son mayores, como son las cercanías de las fábricas de cemento.

En el caso de la corrosión del tipo B, ésta se detectó fundamentalmente en las cavidades de la espiga de los aisladores debido a que el ensamblaje protege las otras regiones de la espiga. Este tipo de ataque se desarrolla en forma de postes radiales de óxido de hierro, se extiende por la espiga a la cavidad y ejerce una presión sobre la porcelana o vidrio que lleva al estallido de la misma.

El tipo C de corrosión se ha detectado a través de la fractura radial de los aisladores de suspensión, con pequeñas evidencias de corrosión externa. El mecanismo de ataque es muy similar al tipo B, y se caracteriza en lo fundamental por la formación de picaduras y la necesidad de la presencia del campo eléctrico para su desarrollo; esta última condición se ha demostrado en estudios de campo, donde aisladores energizados y sin energizar han estado en una misma estructura, siendo observado el ataque en aquellos bajo tensión, mientras que en los otros no ha sido observado. Su consecuencia final es igual a la del tipo B.

Las clasificaciones del tipo D, E y F que exponen Bardeen y Sheadel [1956] no han sido detectadas de forma significativa en Cuba. En la tabla 1 se presentan algunas zonas donde se tipifican estos tipos de corrosión.

Caracterización de los recubrimientos de los aisladores de más amplio
uso en el SEN
La necesidad de estudiar la influencia de los procesos corrosivos en las líneas de transmisión de energía eléctrica ha estado continuamente en el interés de los especialistas que se dedican a la explotación del SEN. El antiguo Centro de Investigaciones Energéticas del Ministerio de la Industria Eléctrica inició los contactos
con el CIC del CNIC en 1988 con el objetivo de realizar un estudio preliminar que permitiera caracterizar los recubrimientos y bases de los herrajes que formaban parte
de los aisladores que más se utilizaban en el SEN. Los resultados de este estudio se expusieron en Castro y Corvo [1998], cuyas conclusiones principales fueron las siguientes:

• Durante el análisis de la microestructura correspondiente a la sección transversal de las capas de recubrimiento, no se pudieron detectar diferencias significativas en las diferentes muestras; no obstante, se pudo apreciar una diferencia sustancial en la homogeneidad entre capas y una mayor uniformidad de la capa superior en el caso de los aisladores procedentes de Japón y producidos por la firma NGK. Es de señalar que los aisladores de esta firma han sido históricamente los que mejor comportamiento han tenido ante la corrosión en Cuba.
  
• Durante la determinación del comportamiento de los diversos recubrimientos mediante ensayos acelerados en cámaras salina y de calor-humedad, se pudo observar que después del primer ciclo de ensayo aparecieron puntos blancos de los productos de corrosión del recubrimiento de zinc en todas las muestras, aunque aquellas que eran de procedencia japonesa presentaban una menor cantidad de puntos por área de análisis; posteriormente, una vez concluidos diez ciclos de ensayo se detuvo la experimentación al no encontrarse diferencias significativas en el comportamiento entre las distintas muestras, ni presencia de productos de corrosión del metal base ni corrosión localizada en ningún caso, lo que permitió concluir que era necesario realizar estudios de campo o de laboratorio, pero con aplicación de tensión eléctrica sobre las muestras.

A partir de estos resultados, obtenidos en octubre de 1990, se procedió a elaborar un proyecto de investigación con el objetivo de estudiar en campo, en la zona de playa Viriato, la zona de mayor nivel de corrosión atmosférica de Cuba y donde el proceso de corrosión se caracterizaba por su rapidez y fortaleza, el comportamiento de los aisladores estudiados con tensión eléctrica aplicada e incorporándole una muestra de herrajes y conductores utilizados en el SEN. El proyecto fue aprobado y se dieron los primeros pasos en la construcción del polígono de ensayos, el cual se alimentaría a través de una fuente de corriente alterna de 13,8 kV que permitiría realizar el estudio. Este proyecto, independientemente de su importancia, reconocida por la Unión Eléctrica, no pudo ser ejecutado por los problemas financieros que han caracterizado la presencia del llamado Período Especial en Cuba, lo que ha retrasado la ganancia de conocimientos al respecto.

Debido a la razón anteriormente expuesta se decidió buscar criterios que permitieran, ya que no podían tenerse los resultados del mencionado estudio, al menos tratar de mejorar el problema de las fallas a causa de la corrosión; para ello se estableció la siguiente dirección de trabajo:

• Analizar la situación real de las fallas por corrosión atmosférica en el país y caracterizarlas en cuanto a la elaboración de un patrón estacional y territorial.
• Estudiar las experiencias internacionales relativas a los diferentes modelos y tipos de aisladores y su uso en los diferentes tipos de ambientes corrosivos, y aplicar paulatinamente estos criterios de forma que permitiera una evaluación en campo, de su uso.
• Aplicar, de acuerdo con las posibilidades, nuevas tecnologías en las actividades de mantenimiento en las instalaciones eléctricas de alta tensión.

Evaluación de la corrosión en el SEN
Dentro del proceso estadístico utilizado por la Unión Nacional Eléctrica en Cuba existe un grupo de cuatro causas que de una forma u otra pueden estar relacionadas con la corrosión atmosférica y su influencia sobre las instalaciones eléctricas.

En la tabla 2 se presenta la estadística de fallas analizadas durante dos períodos
1985-1989 y 1990-1999. La división no es casual y está determinada por la variación experimentada en el trabajo estadístico de la UNE en esta última etapa. Haciendo una evaluación de la información para el período 1985-1989 se observan diferencias muy significativas entre las fallas que ocurren en la zona oriental con respecto a las que ocurren en las zonas occidental y central, y se evidenció que las condiciones de explotación de las instalaciones son realmente diferentes. Si se considera que las condiciones en cuanto a características del aislamiento, niveles de tensión, configuración de las líneas y subestaciones (incluyendo en ello los materiales utilizados) son similares en todas las regiones, debe buscarse la respuesta en otra dirección, y principalmente hacia las condiciones ambientales de explotación.

De estudios realizados en Cuba y presentados como resumen de resultados en Mérida, México [Corvo, et al., 1992] puede extraerse como información que la zona oriental de Cuba se diferencia, en cuanto a la influencia del complejo temperatura-humedad, de la zona occidental, con un promedio de 3 613 horas/año con respecto a la humedad
relativa del aire (por 2 547 horas/año en la zona occidental, 1 066 horas de diferencia) y
1 147 horas/año con respecto a la temperatura del aire (por 967 horas/año en la zona occidental, 180 horas de diferencia). En estas diferencias es muy posible que esté parte de la explicación del porqué se dan los comportamientos analizados, debido a que los herrajes de la zona oriental están sometidos, con una mayor probabilidad, a un mayor tiempo de humectación y, por tanto, con condiciones favorables para la aceleración del proceso de corrosión.

La diferencia observada es posible que no sea aún mayor debido a un fenómeno que se produce en Cuba, y es que la agresividad contaminante sobre las instalaciones eléctricas, presentes en las diferentes regiones de Cuba, no es igual [Castro, et al., 1993]. Si se parte de que el contaminante predominante en Cuba es el procedente del aerosol marino con un segundo papel protagónico de los compuestos SOx, que en la zona occidental existe un alto nivel de contaminación por aerosoles de este tipo y que el mayor desarrollo industrial del país se presenta en dicha zona, acentuado esto en la costa norte desde La Habana hasta Matanzas, y que precisamente en esa región se encuentran algunas de las instalaciones que presentan un índice mayor de fallas del SEN a causa de la corrosión, existen sobradas razones para tomar este fenómeno como un factor que puede tenerse en cuenta a la hora de dar alguna consideración. Una estadística a tener en consideración se muestra en que 98% de las fallas en la zona occidental se producen en instalaciones eléctricas atendidas por las Organizaciones Básicas Eléctricas (OBEs) de las provincias de La Habana, ciudad de La Habana y Matanzas, donde mayor influencia existe de los aerosoles marinos.

Situación similar se presenta en la región norte oriental donde existen condiciones contaminantes similares a las planteadas anteriormente, y donde 40% de las fallas se encuentran acumuladas en dos subregiones: Holguín y Guantánamo, las que ocupan sólo 26% del territorio de la zona oriental; sin embargo, en ella se encuentran las mayores concentraciones de instalaciones eléctricas e industrias de esa zona, así como la mayor región montañosa del país.

Fig. 1. Estadística de fallas (período 1985-1989).

Si se observa la figura 1 puede llegarse a la conclusión de que el proceso de corrosión en el SEN no posee características de ser súbito ni predominante de alguna época del año, pues se aprecia una distribución muy similar a lo largo de los doce meses del año (con períodos picos en noviembre, marzo y julio) y muy poca diferencia entre las épocas de lluvia y seca (o período menos lluvioso).

A partir de los resultados obtenidos en Castro, et al. [1993] se comenzaron a tomar medidas que los especialistas de la UNE consideraron debían incidir, de forma directa o indirectamente, en la disminución de las fallas por corrosión. Entre estas medidas pueden señalarse como principales las siguientes:

• Sustitución del aislamiento de procedencia soviética, tipo porcelana, el cual demostró altos índices de falla no sólo en zonas de alta contaminación, sino por problemas de calidad en la producción.
  
  
• Utilización correcta del procedimiento de mantenimiento conocido como lavado del aislamiento en caliente, el cual ayuda a abatir los niveles de contaminación y a su vez a disminuir la cantidad de aerosoles depositados sobre los elementos aislantes de las líneas y subestaciones eléctricas, sobre todo en las zonas costeras.
  
  
• Utilización de aislamiento de vidrio, con un mejor comportamiento ante las condiciones ambientales que favorecen el proceso de corrosión; este comportamiento se considera que esté fundamentalmente en el hecho de permitir la penetración de los rayos de sol en zonas muy protegidas del aislamiento, ayudando a disipar la humedad de dichas zonas y por tanto a disminuir el tiempo del complejo humectación-tensión eléctrica aplicado sobre sus herrajes.

Otras medidas decididas por la Unión Nacional Eléctrica estuvieron dirigidas al uso de aislamientos con un mayor grosor en la espiga, que si bien tienen un costo mayor, el mismo no es comparable con los costos asociados a una falla del sistema o parte de éste, así como al uso de nuevas tecnologías para el empalme de conductores de diferentes o iguales características, lo que debería permitir la disminución de las fallas por el tipo de corrosión E anteriormente nombrado.

Fig. 2. Estadística de fallas (período 1990-1999).

Si se analizan las estadísticas del período 1990-1999, reflejadas en la figura 2, puede observarse que la práctica en las actividades de mantenimiento, a partir de las medidas tomadas, se observa una tendencia inicial a disminuir las fallas por año, pero posteriormente se aprecia un incremento notable en el total de fallas relacionadas con la corrosión, en casi el doble. Esto lleva al criterio de lo imprescindible de tener un mayor conocimiento de los procesos asociados a la corrosión y sus influencias sobre el sector eléctrico, pues permitirá mejorar los resultados y abatir esos efectos. Por tal razón, es considerado conveniente retomar el proyecto de estudio de la corrosión sobre herrajes, aisladores y conductores bajo condiciones experimentales de campo.

Conclusiones

• La necesidad de estudiar con profundidad el proceso de corrosión que ocurre en los herrajes de aisladores, elementos y conductores de las instalaciones eléctricas se avala no sólo por los índices económicos, sino por la necesidad de una mejora del servicio que se presta al cliente.
  
  
• Es importante dentro de este estudio lograr incluir la incidencia que en el proceso de corrosión tiene el campo eléctrico y la ubicación de los elementos metálicos.
  
  
• El proceso de corrosión en los elementos de las instalaciones eléctricas del SEN se muestra con un carácter monótono y no súbito, así como un carácter atemporal, o sea, es distribuido a lo largo del año.
  
  
• Es evidente que a pesar de los problemas acarreados por el Período Especial, el ingenio y el uso adecuado de los recursos han permitido disminuir las fallas por corrosión en el SEN, aún cuando siguen siendo importantes dentro del espectro de fallas del sistema.

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