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Poryoyo shiLa coordinación del aislamiento es el proceso de selección de los niveles de resistencia dieléctrica de los transformadores y los accesorios de los cables, de modo que se ajusten a las tensiones que el sistema puede imponer de forma realista, incluyendo tanto la tensión de funcionamiento continua como las sobretensiones transitorias provocadas por descargas atmosféricas o operaciones de conmutación. En lugar de dimensionar cada accesorio de forma aislada, este proceso considera el transformador, sus pasamuros, fusibles, interruptores y terminaciones de cable conectadas como una única cadena dieléctrica: el eslabón más débil determina la capacidad de resistencia real del sistema, independientemente de las prestaciones nominales del componente más resistente.
Esto es importante en lo que respecta a los accesorios, ya que la tensión indicada en la placa de características de un transformador de distribución no especifica, por sí sola, qué resistencia deben soportar un pasamuros, un cambiador de tomas o un remate de cable. Un sistema de clase de 25 kV no requiere simplemente accesorios clasificados para “25 kV”, sino accesorios cuyo nivel de impulso básico (BIL) y distancia de fuga se ajusten al estudio de coordinación del sistema o, a falta de un estudio específico del proyecto, a las tablas estándar de clases de tensión. Dos accesorios pueden compartir una tensión nominal idéntica y, aun así, diferir significativamente en su capacidad de resistencia a transitorios si sus valores de BIL divergen —una distinción que a menudo se pasa por alto en una comparación superficial de catálogos—.
Los accesorios no establecen sus propios requisitos de aislamiento; estos les vienen determinados por el sistema. Por ejemplo, se espera que un inserto de pozo de pasamuros clasificado para un servicio de 15 kV resista niveles de impulso de aproximadamente entre 95 kV y 125 kV BIL, dependiendo de la norma aplicable y la categoría de instalación, no porque el inserto en sí genere esa tensión, sino porque se encuentra en un circuito en el que pueden aparecer transitorios. Los ingenieros de campo que realizan especificaciones basándose únicamente en la tensión de servicio, sin comprobar el requisito de BIL asociado, son una causa habitual de fallos de coordinación en las fases posteriores que solo salen a la luz durante los ensayos de impulsos o, lo que es peor, tras un evento transitorio durante el servicio.
El nivel básico de impulso (BIL) es el valor de referencia estandarizado que indica la cantidad de tensión de impulso —ya sea un rayo o un transitorio de conmutación— que un accesorio debe soportar sin que se produzca una descarga o una perforación. Se expresa como un valor de tensión de pico (kVp) en lugar de un valor eficaz (RMS) de funcionamiento, ya que los eventos de impulso son transitorios de corta duración, no tensiones en estado estacionario. Un pasacables clasificado para un servicio continuo a 24 kV puede tener un BIL de 125 kVp, lo que refleja que las tensiones transitorias pueden alcanzar varias veces la tensión nominal en una fracción de milisegundo.
Um, la tensión máxima del sistema, es distinta de la tensión nominal del sistema y representa la tensión máxima que los equipos deben soportar en condiciones normales de funcionamiento, incluyendo los picos de tensión que se producen durante los periodos de carga ligera. Los sistemas basados en la norma IEC suelen definir Um ligeramente por encima de la tensión nominal —un sistema con una tensión nominal de 24 kV suele tener un Um de entre 24 kV y 25,8 kV— y, a la hora de confirmar la resistencia a la tensión continua, la selección de los accesorios se basa en Um, no en la cifra nominal.
La relación de coordinación general puede expresarse de la siguiente manera: BIL ≥ k × Um × √2, donde k es un factor de coordinación que tiene en cuenta el comportamiento ante las sobretensiones de conmutación y el tipo de aislamiento. Se trata de una relación conceptual simplificada: en la mayoría de los proyectos comerciales, la selección real del BIL se basa en tablas normalizadas por clases de tensión, en lugar de en un cálculo directo.
En un sistema de clase de 15 kV con Um cercana a 17,5 kV, la norma IEC 60071-1 (Tabla 2, Rango I) asigna una tensión nominal estándar de resistencia al impulso de rayo (BIL) de 75 kVp o 95 kVp a los pasamuros y aparatos de conmutación asociados, seleccionándose normalmente el valor más alto para instalaciones al aire libre o con contaminación moderada. Un ingeniero de campo que confirme la compatibilidad en un proyecto de modernización debería contrastar el valor de la BIL directamente con la ficha de datos de coordinación, en lugar de deducirlo a partir de la clase de tensión; se han detectado discrepancias entre un pasamuros antiguo de 95 kVp y uno de sustitución con una tensión nominal de solo 75 kVp durante las pruebas de impulso de puesta en servicio en más de una modernización, mucho después de que se hubiera completado la adquisición.
La norma IEC 60071-1 regula los principios generales de la coordinación del aislamiento, incluidos los valores normalizados para el BIL y la tensión de resistencia nominal a los que se hace referencia a lo largo de este marco. Norma IEC 60071-1 sobre coordinación del aislamiento
[Perspectiva del experto]
- El BIL es un valor de impulso máximo (kVp); nunca lo confundas con la tensión de funcionamiento eficaz (RMS) que figura en la ficha técnica.
- Comprueba siempre el BIL comparándolo con el estudio de coordinación, no solo con la clase de tensión indicada en la placa de características.
- Los proyectos de modernización conllevan el mayor riesgo de discrepancia, ya que las clasificaciones BIL heredadas no siempre están documentadas in situ.
La distancia de aislamiento y la distancia de fuga son dos parámetros en los que se basa la coordinación del aislamiento para determinar cómo un accesorio evita la descarga eléctrica, pero se refieren a distintas vías de fallo físico y no pueden sustituirse entre sí. Considerar que un perfil de carcasa más largo mejora automáticamente ambos parámetros es un error común en las especificaciones que se manifiesta en fallos por contaminación en el campo en equipos que, por lo demás, cuentan con una clasificación adecuada.
La distancia de aislamiento es la distancia más corta a través del aire entre dos partes conductoras de polaridad opuesta o entre una parte bajo tensión y tierra. Determina la resistencia a la ruptura a través del espacio de aire y es el parámetro más directamente relacionado con el BIL. En los pasacables de media tensión de la clase de 15 kV a 35 kV, las distancias de separación suelen situarse entre 150 mm y 320 mm, dependiendo del valor nominal del BIL y de la configuración de montaje.
La distancia de fuga es el trayecto más corto a lo largo de la superficie del material aislante entre dos puntos conductores cualesquiera. Determina la resistencia a la formación de trazas superficiales —un mecanismo más lento, provocado por la contaminación, en el que la humedad y los contaminantes presentes en la superficie del aislante crean una película conductora que se carboniza gradualmente hasta convertirse en una vía de fuga permanente—. Los requisitos de distancia de fuga se expresan como una relación, normalmente de 16 mm/kV a 31 mm/kV de Um, que se incrementa para las clases de contaminación más elevadas, en lugar de fijarse únicamente en función de la clase de tensión.
Una distinción práctica: los fallos por distancia de aislamiento suelen ser repentinos (un único episodio de sobretensión puentea el espacio de aire), mientras que los fallos por distancia de fuga son progresivos: una superficie que, durante una inspección realizada en la temporada de lluvias, presente una capacidad de 60%, puede fallar por completo en el transcurso de una sola temporada de tormentas posterior si no se soluciona el problema de la contaminación.
Los equipos de inspección sobre el terreno han observado que, en algunos casos, los pasacables con holgura y un BIL adecuados siguen presentando descargas eléctricas por efecto de rastreo, debido a que la distancia de fuga se especificó basándose en una hipótesis de contaminación estándar en lugar de en la contaminación real del emplazamiento, lo que refuerza la idea de que ambos parámetros deben verificarse de forma independiente.
La clase de contaminación es la variable medioambiental que determina los requisitos de coordinación del aislamiento más allá de la mera clase de tensión, ya que establece la distancia de fuga adicional que debe tener un accesorio respecto al valor de referencia fijado por la clase de tensión. Se trata de uno de los parámetros menos especificados en las solicitudes de presupuesto de accesorios. Los sistemas estándar suelen definir cuatro niveles —contaminación ligera, media, intensa y muy intensa—, cada uno de los cuales asigna un coeficiente de distancia de fuga diferente a una misma clase de tensión.
Las ubicaciones del interior, con baja humedad y actividad industrial mínima, suelen clasificarse en las categorías de baja a moderada, donde normalmente son adecuadas relaciones de entre 16 mm/kV y 20 mm/kV de Um. En este caso, un pasamuros Um de 24 kV podría requerir una distancia de fuga total de entre 384 mm y 480 mm, aproximadamente.
Las instalaciones costeras, las fábricas de cemento o de productos químicos y los entornos con mucho polvo se clasifican en las categorías de «elevada» a «muy elevada», donde las relaciones aumentan hasta alcanzar valores de entre 25 mm/kV y 31 mm/kV, o incluso superiores. En el mismo pasamuros Um de 24 kV, esto puede aumentar la distancia de fuga requerida de 600 mm a 744 mm, una diferencia suficiente como para que un pasamuros de catálogo estándar, seleccionado sin una evaluación in situ, presente un rendimiento inferior al esperado en el plazo de una o dos estaciones lluviosas.
La experiencia en inspecciones de campo de las reformas de subestaciones costeras ha demostrado en repetidas ocasiones que la acumulación de depósitos de sal, combinada con la condensación matutina, acelera la formación de trazas en los pasacables especificados para una clase de contaminación predeterminada para el interior; una deficiencia que, por lo general, solo se detecta durante una inspección de mantenimiento programada en la que se observan marcas de arcos eléctricos superficiales. La selección de la clase de contaminación debe basarse en datos ambientales específicos del emplazamiento, y no en los valores predeterminados del catálogo; el proveedor de accesorios solo puede fabricar según la clase especificada, no deducirla de forma independiente. Para obtener más información, consulte la guía de ZeeyiElec sobre Pasacables para entornos costeros y contaminados.
Una vez que se conocen los parámetros fundamentales de coordinación del aislamiento —BIL, distancia de fuga y clase de contaminación—, la tarea práctica consiste en hacer coincidir cada uno de ellos accesorio transformador los valores nominales de la familia en función de esos tres parámetros, sin basar la selección únicamente en la tensión nominal. Una selección que cumpla con la clase de tensión pero que pase por alto el BIL o el margen de línea de fuga superará la inspección visual, pero acabará fallando más adelante bajo condiciones de tensión transitoria o de contaminación.
Los pasamuros de media tensión son la familia a la que se aplican más directamente estos valores nominales, ya que las cifras de BIL y distancia de fuga suelen ser parámetros independientes en los catálogos. Una gama de pasamuros de media tensión de 12 kV a 52 kV suele abarcar valores de BIL que van desde aproximadamente 75 kVp hasta 250 kVp. Los pasamuros de baja tensión funcionan entre 1,2 kV y 3,0 kV con requisitos de BIL comparativamente bajos, ya que su principal preocupación se centra en la gestión térmica más que en la resistencia a los transitorios.
Tanto los interruptores de corte en carga en el rango de 15/25 kV a 38/40,5 kV como los cambiadores de tomas fuera de circuito en el rango de 15 kV a 35 kV requieren una verificación del BIL en relación con los datos de coordinación del transformador, ya que estos dispositivos se encuentran en interfaces externas accesibles en las que coexisten las sobretensiones de conmutación y la exposición a la contaminación.
Los conjuntos de fusibles Bay-O-Net, normalmente clasificados en las clases de 15/25 kV con un BIL de aproximadamente 150 kVp, y los fusibles limitadores de corriente que abarcan las clases de 15,5 kV a 40,5 kV, deben coordinarse con el BIL del sistema, así como entre sí en cuanto a sus características de desconexión.
Termorretráctiles en frío y en caliente accesorios para cables En el rango de 8,7/15 kV a 26/35 kV, se aplica la misma lógica en la interfaz del cable, donde la distancia de fuga a lo largo de la geometría del cono de tensión se convierte en el parámetro dominante, en lugar de la distancia de aislamiento.
Regla general de selección: el BIL del accesorio debe ser ≥ al BIL requerido por el sistema, y la distancia de fuga del accesorio debe ser ≥ al mínimo de distancia de fuga ajustado para la instalación; ambas condiciones deben cumplirse de forma independiente; el hecho de superar una de ellas no compensa el incumplimiento de la otra.
Para obtener una explicación detallada de todos los parámetros, consulta el artículo de ZeeyiElec guía de selección de accesorios para transformadores.
[Perspectiva del experto]
- Nunca elijas un producto basándote únicamente en la etiqueta de clase de tensión: comprueba por separado el BIL y la distancia de fuga.
- En la selección de casquillos de alta tensión se da prioridad a la capacidad térmica frente a la resistencia a los transitorios.
- La distancia de fuga de la terminación del cable se determina en función de la geometría del cono de tensión, y no de una simple dimensión de la carcasa.
La altitud es la cuarta variable que debe tenerse en cuenta en la coordinación del aislamiento, ya que la densidad del aire disminuye con la altitud y la resistencia de las distancias de aislamiento depende de la rigidez dieléctrica del aire; el rendimiento se ve mermado a mayor altitud, incluso cuando las distancias físicas de aislamiento no varían. Un accesorio que funcione correctamente a nivel del mar puede presentar una BIL efectiva reducida a mayor altitud, a menos que se aplique un factor de corrección.
Por norma general, se aplica una corrección a partir de aproximadamente 1.000 m, y el factor de reducción aumenta progresivamente —por lo general, siguiendo una relación exponencial en lugar de lineal—.
Una relación laboral simplificada: Ka = e(H − 1000)/8150, donde H es la altitud de instalación en metros y Ka es el factor de corrección que se aplica para reducir la tensión de resistencia efectiva. Se trata de una aproximación a la que se suele recurrir; los estudios de coordinación específicos de cada proyecto deben confirmar la fórmula y el umbral aplicables según la norma vigente.
A 2.000 m, el factor de corrección suele reducir la resistencia efectiva entre 10% y 13% aproximadamente en relación con el valor nominal a nivel del mar, lo que significa que un accesorio con un valor nominal de 125 kVp BIL a nivel del mar puede ofrecer solo entre 110 kVp y 112 kVp de resistencia efectiva a esa altitud. En proyectos ubicados en regiones montañosas o de meseta alta —donde no es raro encontrar altitudes de entre 2.500 m y 3.500 m— se han especificado en ocasiones accesorios utilizando los valores BIL de catálogo a nivel del mar sin corrección, un descuido que suele ponerse de manifiesto únicamente durante las pruebas de impulso de puesta en servicio o en la primera temporada de tormentas eléctricas significativa.
Los factores de corrección y las elevaciones umbral varían entre los organismos de normalización e incluso entre las distintas certificaciones de productos, por lo que la elevación del emplazamiento debe confirmarse según la metodología documentada por el fabricante antes de formalizar un pedido.
Antes de emitir una solicitud de presupuesto, deben confirmarse cuatro parámetros, en lugar de dejar que se apliquen los valores predeterminados del catálogo: la tensión máxima del sistema (Um), el BIL requerido, la clase de contaminación del emplazamiento y la altitud de instalación. Cada uno de ellos determina qué variante de pasacables, interruptor, fusible o accesorio de cable es la adecuada; basarse únicamente en la clase de tensión nominal suele provocar incompatibilidades que solo se detectan en el momento de la puesta en servicio o más adelante.
Una lista de comprobación práctica para la preparación de solicitudes de presupuesto:
Por lo general, omitir cualquiera de estos pasos no supone un obstáculo para la fabricación ni el envío, pero el problema sale a la luz más adelante, durante las pruebas de impulso o la puesta en servicio, momento en el que corregirlo cuesta considerablemente más que detectar la deficiencia en la fase de solicitud de presupuesto.
Para acceder a las plantillas de solicitud de presupuesto específicas para accesorios, consulta la página de ZeeyiElec Plantilla de solicitud de presupuesto para accesorios de transformadores.
Se trata del proceso de selección de los niveles de resistencia dieléctrica de todos los componentes del sistema, de modo que se ajusten a la tensión máxima a la que puede verse sometido el sistema; por lo general, se toma como referencia normas como la IEC 60071, aunque los niveles exactos dependen del diseño del sistema y de las condiciones del emplazamiento.
La tensión nominal (o Um) describe la tensión continua máxima del sistema que debe soportar un componente, mientras que el BIL describe el nivel de resistencia a impulsos transitorios, que suele ser varias veces superior, y ambos valores se seleccionan conjuntamente, en lugar de de forma intercambiable.
La distancia de fuga determina las trayectorias de la corriente de fuga superficial, y la contaminación, combinada con la humedad en entornos costeros o industriales, puede crear trayectorias de fuga conductoras mucho antes de que se alcance la tensión de diseño; por ello, las clases de contaminación más elevadas requieren distancias de fuga más largas, independientemente del BIL.
Sí, la menor densidad del aire a mayor altitud reduce la rigidez dieléctrica de las distancias de aislamiento, por lo que las instalaciones situadas por encima de unos 1.000 m suelen requerir la aplicación de un factor de corrección a las distancias de aislamiento y, en ocasiones, a la selección del BIL, según la norma aplicable y las especificaciones del proyecto.
En la mayoría de los casos, se puede sustituir un accesorio con un BIL más alto si se confirma la compatibilidad dimensional y de interfaz; sin embargo, la sustitución debe comprobarse teniendo en cuenta la geometría de montaje y la coordinación con los componentes adyacentes, en lugar de darse por sentada automáticamente.
La clase de contaminación suele evaluarse a partir de datos de estudios medioambientales —como la proximidad a la costa, las emisiones industriales, el polvo y los patrones de humedad— y, por lo general, la especifica el ingeniero del proyecto o la empresa de servicios públicos, en lugar de dejarla a criterio del proveedor de los accesorios.
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