Las bornas condensadoras de alta tensión (AT) son componentes esenciales de todas las redes eléctricas. Dado que están sometidas a elevados niveles de esfuerzo eléctrico, su fallo suele resultar catastrófico
Por Lars Jonsson y Roger Hedlund / Fotografías cortesía de ABB
Las bornas condensadoras son componentes muy conocidos entre los que trabajan en el ámbito de la alta tensión. A pesar de su apariencia de simplicidad, estos componentes esenciales de la red eléctrica parten de un proceso de diseño y fabricación muy sofisticado.
La mitigación de las consecuencias de los fallos constituye una gran ventaja, y probablemente sea este el motivo por el que cada vez más compañías suministradoras exigen tecnología de aislamiento seco y con un aislamiento externo hecho de materiales no quebradizos.
La producción de bornas para usar a 800 kV o más requiere un gran cuidado en el diseño y fabricación, y no basta sólo con mejorar la tecnología de baja tensión existente, ya que las medidas técnicas necesarias para garantizar un funcionamiento sin problemas son, con frecuencia, no lineales.
Constan de tres componentes principales: un aislamiento externo para minimizar las corrientes de fuga y prevenir descargas externas; un “condensador” interno con aislamiento capacitivo para distribuir y estabilizar el campo eléctrico, y un sistema conductor para transportar la corriente. A su vez, el aislamiento interno se compone de una serie de capas coaxiales de material conductor, dispuestas de manera muy precisa en una bobina de papel.
Este aislamiento se impregna de aceite para transformadores o una resina epoxídica para incrementar su resistencia dieléctrica. Estos elementos se denominan Papel Impregnado en Aceite (OIP, por sus siglas en inglés) y Papel Impregnado en Resina (RIP, por sus siglas en inglés), respectivamente. El uso de aisladores OIP comenzó en los años cincuenta y sigue siendo el concepto dominante para niveles de alta tensión, a partir de 735 kV.
Los aisladores RIP se han desarrollado gradualmente también para tensiones más altas y su uso se está generalizando, pero el paso a los niveles de tensión más altos ha requerido su tiempo debido a los desafíos técnicos que implica y al conservadurismo que caracteriza al sector energético. En cuanto al aislamiento externo, la cerámica es el material que más se utiliza.
Con el paso de los años se han probado diversas formas de materiales poliméricos, pero los efectos de la luz solar han limitado la vida útil. Sin embargo, desde los años ochenta la goma de silicona se ha ido consolidando como una alternativa perfectamente válida al material cerámico, que obtiene la máxima absorción de energía a longitudes de onda más bajas de las presentes en la luz solar y, en consecuencia, proporciona una vida útil notablemente más prolongada que otros materiales poliméricos.
Ventajas del RIP
Para las compañías suministradoras, la principal ventaja de este concepto es la importante mitigación de las consecuencias en caso de fallo de la borna. Aunque la descarga de fase a tierra puede tener muchas causas, como el error o esfuerzos eléctricos, mecánicos o térmicos de la red, la descarga en una borna OIP casi siempre produce una explosión que la hace saltar en pedazos y provoca derrames de aceite.
Las consecuencias son especialmente graves cuando los transformadores se incendian. Puesto que los bornas RIP no contienen aceite altamente inflamable y rico en energía, el riesgo de incendio se elimina en gran medida. Existen muchos otros factores que avalan los beneficios de la tecnología RIP, por lo que se refiere a la mitigación de las consecuencias de los fallos. Además de que no saltan en pedazos en caso de error, los aisladores de goma de silicona extruida en un tubo bobinado tienen otras muchas propiedades positivas como aisladores externos:
- Gracias a la estructura química de la silicona, la superficie del aislador es hidrofóbica, por lo que el agua forma gotas, en lugar de un reguero, en la superficie. Esto reduce las corrientes de fuga (en consecuencia, la erosión) y los riesgos de descargas en condiciones climáticas extremas
- La naturaleza sigue con el proceso de fabricación mediante la unión química entre el tubo y el aislante. Puesto que, tanto la goma de silicona como el tubo bobinado carecen por completo de uniones, la distribución del campo eléctrico es homogénea y continua, y el riesgo de penetración de la humedad es mínimo. Tampoco hay líneas divisorias en las que podrían recogerse la sal y los contaminantes
- La extrusión también permite optimizar el perfil de las aletas del aislamiento para distintas aplicaciones. Esto genera un campo eléctrico aún más reducido, que a su vez reduce el riesgo de surcos y erosión
- El material polimérico de aislamiento elegido es un caucho vulcanizado a alta temperatura (VAT), con una mezcla cuidadosamente equilibrada de silicona pura y una carga de trihidrato de aluminio (THA) como material básico. Además de su extraordinaria resistencia mecánica, la carga de THA también es resistente a la temperatura y el fuego, y recupera rápidamente sus propiedades hidrofóbicas después de una lluvia intensa, por ejemplo, si se emplea la cantidad de THA correcta. La experiencia sobre el terreno también ha demostrado que la goma THA es muy resistente a la erosión y conserva su hidrofobicidad durante mucho tiempo
- Este tipo de aislamiento es más ligero y mecánicamente más fuerte que los aislantes cerámicos correspondientes. Este detalle es importante para soportar los efectos de terremotos y cortocircuitos y para limitar los daños durante la manipulación
Consideraciones importantes para desarrollar bornas con aislamiento seco para 800 kV
- Una importante fuente de costos es la resistencia al impulso de maniobra en mojado, ya que esto determina, en gran medida, la longitud de la borna. Esto es de especial importancia para bornas RIP, puesto que la longitud está relacionada con el complejo proceso de fundición y endurecimiento, las dimensiones del recipiente del proceso, las especificaciones de los equipos de mecanizado, entre otros factores
- En algunas partes del mundo se aplican requisitos sísmicos. Durante el proceso de ingeniería, se requiere diálogo entre los fabricantes del transformador y las compañías suministradoras para evaluar, por ejemplo, los ángulos de instalación y los factores de refuerzo estructural en los puntos en los que se va a instalar la borna
- Atención a las condiciones locales, como temperatura ambiente
- Un diseño más flexible que permite la adaptación dimensional en equipos instalados previamente, con independencia del fabricante
Aspectos de ingeniería mecánica
Debido a la dificultad general de las bornas secas para disipar el calor, en ocasiones se ha vueto necesario utilizar combinaciones de nuevos materiales de baja resistividad para reducir las pérdidas. Esto ha generado problemas relacionados con la protección contra la corrosión en entornos costeros e industriales severos. Los nuevos materiales también han dado lugar a la introducción de sistemas de sellado de nuevo desarrollo. Todas las soluciones de diseño, incluidas las relacionadas con la corrosión, se han verificado a través de ensayos.
Aspectos de ingeniería térmica
El calentamiento dieléctrico del aislamiento interno puede tener una importancia crucial. Las bornas aisladas en aceite cuentan con refrigeración convectiva, la cual es efectiva para la manipulación de pérdidas dieléctricas y resistivas; pero las bornas RIP no. Esto requiere un detallado análisis teórico de diseños para garantizar la estabilidad térmica en todas las condiciones de prueba y operativas, así como el cumplimiento de los requisitos de sobrecarga.
Durante los ensayos de ciclos, la temperatura ambiente varió entre –50 y 40 °C, con tiempos de rampa ascendente y descendente cuidadosamente especificados. El principal problema es el fuerte gradiente de temperatura y el esfuerzo mecánico, impuestos por la masa fría del núcleo del condensador y la elevada temperatura ambiental.
Fabricación
Puesto que las bornas de alta tensión por lo general requieren niveles muy bajos de descarga parcial, uno de los mayores problemas en la fabricación de bornas RIP es la impregnación y el endurecimiento del aislamiento interno. La capacidad de gestionar procesos de fabricación sofisticados con una desviación mínima es, por lo tanto, determinante.
Con procesos de fabricación tan complicados, también ha resultado difícil aplicar la experiencia de productos existentes para tensiones más bajas, puesto que muchos parámetros críticos no son linealmente escalables, sino que tienen un carácter cuadrático o incluso cúbico. Esto puede dar lugar a requisitos en los equipos de producción varias veces mayores de lo que puede percibirse inicialmente: el peso de una borna seca de 800 kV es, por ejemplo, más del doble que el de una de 500 kV, y la longitud del lado del aire es 40 por ciento mayor.
Lars Jonsson
Roger Hedlund
ABB Insulation and Components, Bushings
Este texto fue publicado en el ABB REVIEW 1/2017
