Causas de la falla de un cable de guarda de una empresa eléctrica

Gil, Linda¹ Jiménez, Lorena²

Centro de Estudios de Corrosión y Nuevos Materiales, Dpto. Ingeniería Metalúrgica UNEXPO, Puerto Ordaz.

1) lindagil@cantv.net. 2)lljimenez77@hotmail.com.

Resumen

Un cable de Guarda es utilizado para proteger las torres contra las descargas eléctricas y consta de siete hilos. Cada uno posee una matriz o núcleo de acero y están recubiertos con aluminio. El presente análisis de falla tiene como objetivo determinar la causa de rotura del cable de guarda de una línea de transmisión eléctrica. Para esto se tomaron muestras representativas tanto del cable de guarda fallado como también de los contaminantes atrapados en el punto de contacto entre el cable y su mecanismo de sujeción a la esfera de balizaje, donde se presento la falla. A tal fin se aplicó la metodología característica de un análisis de falla. Los resultados obtenidos señalan que el cable de guarda falló por un mecanismo combinado Corrosión-Fricción-Abrasión, acelerado por la presencia de partículas de SiO2 y cloruros en el punto de contacto con la esfera de balizaje.

Palabras clave: Corrosión / Cable de guarda / Fractura

I. INTRODUCCIÓN.

Las líneas de transmisión eléctrica se encuentran energizadas continuamente, por lo cual es importante evitar descargas eléctricas directas que interrumpan la continuidad del servicio. Esto ha generado la búsqueda de formas de aislar esas estructuras eléctricamente creando a su alrededor una "jaula". Uno de los métodos más frecuentemente utilizados es el uso de Cables de Guarda, que son colocados sobre la línea eléctrica actuando como una especie de pararrayos. Estos cables son fabricados de formas y materiales diferentes, uno de los diseños más comunes es el que consta de siete hilos entrelazados entre sí que posee una matriz o núcleo de acero y están recubiertos con aluminio. El cable de guarda también se utiliza para la colocación de señalizaciones, como por ejemplo las esferas de balizaje. Todos los elementos constructivos de una línea aérea deben ser elegidos, conformados y construidos de manera que tengan un comportamiento seguro en condiciones de servicio, bajo las condiciones climáticas, bajo tensiones de régimen y bajo corriente. El Cable de Guarda objeto de la presente investigación fracturó en el punto de unión con la esfera de balizaje, lo cual trajo como consecuencia su desprendimiento y la desconexión de la línea. El objetivo de este trabajo fue determinar la causa de falla del Cable de Guarda y proporcionar una solución adecuada para minimizar su deterioro.

II. DESARROLLO

1.- Métodos y Materiales.

El estudio de la causa de la falla del cable de guarda se realizó siguiendo la metodología característica para el análisis de la falla de un material metálico [1,2]:

1. Inspección visual y ubicación de la zona de falla.

2. Análisis Químico del cable y metalografía óptica en las zonas lejos y cerca de la falla.

3. Estudio fractográfico por microscopía electrónica de barrido y microanálisis por energía dispersiva en las zonas lejos y cerca de la falla.

4. Ensayo de microdureza. Se utilizó un penetrador Vickers y una carga de 200g, acorde a norma ASTM E- 45.

5. Difracción de Rayos X de los Contaminantes a fin de determinar compuestos presentes en los polvos formados en el punto de unión de la goma de neopreno y el cable de guarda.

2. Resultados y Discusión

2.1.- Ubicación de la falla. En la Figura 1A se observa la zona donde falló el cable de guarda, que se ubica justamente en el punto de contacto de éste con la esfera de balizaje y goma de neopreno. En la Figura 1B se observa el cable de guarda ya fallado el cual posee dos zonas que muestran diferencias: la zona clara donde está todavía el recubrimiento y la zona oscura con fuerte ataque corrosivo.

Fig.1 A) Ubicación de la falla del cable de guarda y B) Detalle del cable de guarda fallado.

2.2.- Análisis químico y Microscopía Óptica

El cable de guarda posee siete hilos, cada uno con una matriz de acero cuya composición pertenece a un SAE 1060 alto en silicio y manganeso (Tabla I), lo cual hace presumir que al acero se le hizo un ajuste de silicio en metalurgia secundaria.

Tabla I. Composición química de una zona lejana del sitio de falla.

Las Figuras 2A y 2B muestran la condición lejos de la falla. En la primera se representa la deformación de los granos en sentido longitudinal a causa del proceso de conformado aplicado al alambre y en la segunda el nivel de inclusiones presente en la muestra, según la norma ASTM E-45: Silicatos muy finos _ y Óxidos de Hierro _. Estos resultados coinciden con los obtenidos para la muestra del cable guarda en la zona fallada.

Fig.2. Condición lejos de la falla del Cable Guarda) Granos deformados en la dirección longitudinal producto del proceso de laminación (Trefilado), Atacada con Nital. B) Nivel de Inclusiones, Sin Ataque.

La Figura 3A muestra las fases presentes de la matriz de acero (sustrato) del cable de guarda, donde se evidencia las fases ferrita acicular, bainita superior y perlita, y en la Figura 3B se detalla una zona con deformación de las fases presentes, posiblemente por los esfuerzos torsión presentes en el cable.

Fig.3. A) Condición alejada de la falla a 1100X y B) Fases presentes en la Matriz del cable.

En la Figura 4 se indica la sección transversal del cable guarda en la zona fallada. Es importante destacar que en esta zona, el recubrimiento de aluminio (Fig. 4A) ya no está presente y, lo que se evidencia es la presencia de una capa de óxido. En la Figura 4B se observa una gran cantidad de segregaciones de carbono posiblemente a causa de la fricción interna producida por una tensión aplicada en esta zona de la muestra (Efecto Snoek) [ 2].

Fig.4.Condición cerca de la falla del Cable de Guarda en sentido Transversal a 110X sin ataque. A) Cerca del Borde B) En el centro.

2.3.-Microscopía Electrónica y Microanálisis por Energía Dispersiva: Lejos y Cerca de la Falla.

La Figura 5A obtenidas por MEB, se evidencia el sustrato de acero y el recubrimiento de aluminio en una zona alejada de la falla. El estudio por microanálisis EDS de el sustrato de acero (Fig. 5B), reveló la presencia de Fe (98.76%) y Mn (1.24%) como elementos mayoritarios.

Fig.5A) Sección Transversal, condición Alejada de la falla. B) EDS de la matriz (Acero). C) EDS del Recubrimiento de aluminio

La Figura 6A presenta imágenes obtenidas por microscopía electrónica de barrido en modo de electrones retrodispersados de la sección transversal de las muestras en la zona de la falla, donde se evidencia la pérdida del recubrimiento de aluminio en el cable y la formación de una película de óxido de hierro y de manganeso cuyas cantidades por elemento se presentan en la Figura 6B.

Fig.6A) Fotomicrografía de la sección transversal de la condición cerca de la falla indicando la superficie cerca del borde. B) EDS de la capa de Óxido.

Algunas hebras de este cable de guarda rompen con una fractura del tipo dúctil (Fig. 7A) por coalescencia de poros y picaduras (Fig.7B). Estos poros son formados a consecuencia de la descohesión de las inclusiones de silicato y la matriz. Las picaduras que se observan en la sección longitudinal de los hilos del cable son producidas por la presencia de los contaminantes corrosivos, siendo el principal el cloro y la presencia de humedad retenida o confinada entre en la goma de neopreno y el cable, lo cual ocasionó una corrosión localizada.

Es importante destacar que las otras hebras del cable de guarda fallan mas violentamente, ya que al perderse las primeras hebras disminuye el área expuesta para soportar la carga y por ende aumentan los esfuerzos sobre la sección efectiva de los hilos restantes, cediendo más fácil y violentamente los otros hilos.

Fig.7A) Fotomicrografía de la Sección Transversal en zona de fractura. B) Detalle de las picaduras presentes en la zona de fractura.

2.4.- Ensayo de Microdureza

La microdureza de la matriz tiene un valor de 108.1HNV (Alejada de la falla), lo cual significa que este acero presenta una resistencia a la tracción de aproximadamente de 36kgf/mm2. El valor de dureza en las zonas cercanas a la falla es de 104.3HNV, lo cual permite predecir un valor de resistencia a la tracción de 35kgf/mm2. En consecuencia, el material se deforma durante la falla sin endurecimiento por deformación, propio de una matriz muy dúctil y por lo tanto el alambre fue sometido a un proceso de recocido.

2.5.- Difracción de rayos X

En la Tabla II se reportan los resultados obtenidos en el análisis de rayos X.

Tabla. II Resultados de la difracción de rayos X de los polvos blancos atrapados en el punto de contacto entre la goma de neopreno y el cable de guarda.

A través de esta técnica se determinaron en forma cualitativa los compuestos presentes en los polvos ubicados en el punto de unión de la goma de neopreno y el cable de guarda, zona donde se produjo la falla. Se determinó la presencia de los contaminantes corrosivos, siendo el principal el cloro y la humedad retenida o confinada entre en la goma de neopreno y el cable, lo cual ocasionó una corrosión localizada. [3-6]

2.6. Mecanismo de Falla del cable de guarda

Es importante destacar que el conjunto de fuerzas a la que está sometido el cable de guarda a consecuencia del efecto de la catenaria (la curva que describe un cable que está fijo por sus dos extremos y no está sometido a otras fuerzas distintas que su propio peso), generan una fricción entre el cable, la goma de neopreno y las partículas de silicatos presentes como contaminación del ambiente, produciendo un desprendimiento del recubrimiento de aluminio y por tanto, dejando el acero base expuesto simultáneamente a los agentes atmosféricos y ambientales (cloruros, partículas de silicatos etc.) y a la humedad (electrolito) retenidos entre la goma de neopreno y el cable. Lo anterior es causante de una corrosión localizada en el acero de esta zona del cable, que origina su pérdida de espesor. Así, del ambiente se aportan iones cloruros, por otra parte el acero y el ambiente aportan partículas de silicatos (Figs.2 y 7). A medida que el acero va perdiendo espesor, los esfuerzos se incrementan paulatinamente. Debido a que la matriz de acero es muy blanda, los hilos del cable de guarda experimentan elongación. Por la disposición de los hilos del cable de guarda, que siguen una curva helicoidal alrededor de una hebra central, los esfuerzos producen un estiramiento y una rotación, como se puede apreciar en la naturaleza de la fractura (Fig.8). Todo lo anteriormente expuesto indica que se está en presencia de un mecanismo de falla combinado por corrosión-abrasión-fricción.

Fig.8 Fotografía del Cable de Guarda que falló con una fractura del tipo dúctil

III.- CONCLUSIONES

1. El tipo de fractura presente en las hebras del cable de guarda fue del tipo tracción-torsión, con gran cantidad de picaduras y coalescencia de Poros.

2. El cable de guarda falló por un fenómeno denominado Corrosión-Fricción-Abrasion, por la presencia de esfuerzos de fricción ente el cable de guarda y la goma de neopreno, acelerado por la presencia de partículas de SiO2 y cloruros en el punto de contacto.

IV.-REFERENCIAS

1. Metals Handbook, Vol. 12, “FRACTOGRAPHY”, 9th Ed., Materials Park, ASM INTERNATIONAL, 1987, pp 510-530.        [ Links ]

2. Metals Handbook, Vol. 12, “FAILURE ANALYSIS AND PREVENTION”, 9th Ed., Materials Park, ASM INTERNATIONAL. 1987,pp 150-230.        [ Links ]

3. Slunder, G. J. and Boyd, W. K., “Zinc: Its Corrosion resistance”, 2nd ed., New York, Internacional Lead Zin Research Organization, 1983.pp. 530-538.        [ Links ]

4. Schikorr, G., “Corrosion Behaviour of Zinc”, Vol 1, New York, American Zinc Institute and Zinc Development Association, 1965, pp 72-80.        [ Links ]

5. Stansbury, E. and Buchanan, R. A., “Fundamentals of Electrochemical Corrosion”, Materials Park, ASM International, 2000, p. 297-306.        [ Links ]

6. Zhang, X., “Comparison of the Morphology and Corrosion Performance of Cr (VI)- and Cr(III)-Based Conversion Coatings on Zinc”, Surface and Coatings Technology, 199 (2005), pp. 92-104.        [ Links ]

7. Panossian, Z., Mariaca, L. et al., “Steel Cathodic Protection Afforded by Zinc, Aluminium and Zinc/Aluminium Alloy Coatings in the Atmosphere”, Surface and Coatings Technology, 190 (2005), pp. 244-248.        [ Links ]