Redes de distribución subterráneas: pruebas prototipo y simulación de producto

Los estudios de laboratorio son un elemento indispensable para recrear las condiciones reales de operación de los diversos componentes y equipos que integran una red de distribución subterránea, a fin de mejorar los aislamientos y conectadores empleados. A continuación, se ofrece un análisis detallado de los distintos procesos de evaluación a los que son sometidos durante las etapas de desarrollo y lanzamiento

Por Eduardo Sánchez de Aparicio / Imágenes: cortesía del autor

A nivel mundial, la construcción de instalaciones subterráneas para la distribución de la energía eléctrica es una de las tendencias a seguir, debido a las grandes ventajas que ofrece frente a las redes aéreas como:

• Reducción de pérdidas técnicas de energía
• Menos mantenimiento
• Disminución de fallas por agentes externos medioambientales: viento, lluvia, corrosión, flora, fauna, entre otros
• Mayor eficiencia y estética

Cabe destacar que la mano de obra necesaria para llevar a cabo su emplazamiento es más calificada y requiere de mayor preparación, entrenamiento y conocimientos técnicos por parte de los instaladores. Cuando la tensión de operación supera los 1,000 V, se considera que se encuentra en el rango de la media tensión (y hasta 35 kV), por lo que los sistemas de conectividad y aislamiento también deben ser mucho más especializados. Esto porque a diferencia de las redes aéreas, el aire no es el medio aislante preponderante sino los aislamientos líquidos, poliméricos, gaseosos (como el SF6) o epóxicos.

Los distintos fabricantes, en este sentido,  enfrentan los mismos desafíos al momento de desarrollar los aislamientos y conectadores de media tensión de las redes subterráneas, así como para “simular” sus condiciones normales y extremas de operación.

Lo anterior implica que cuando un fabricante lanza una solución al mercado, ésta ya ha sido evaluada en laboratorios de innovación y desarrollo, para que al final de todo el ciclo de ensayos se garantice un nivel de seguridad y confiabilidad adecuado para su puesta en marcha.

A las pruebas que ayudan a evaluar una solución o producto antes de su lanzamiento se les conoce como prototipo. En las siguientes páginas, se expondrán algunas de las más básicas, utilizadas para examinar equipos enfocados en media tensión. En todas ellas, el objetivo es garantizar, en términos prácticos, que el producto se va a comportar de forma confiable y adecuada, a lo largo de su vida útil.

Las evaluaciones que deberán realizarse durante las etapas de desarrollo y previas al lanzamiento son:

• Prueba de tensión aplicada en corriente directa y corriente alterna
• Prueba de descargas parciales
• Prueba de nivel básico de impulso por rayo (NBI en español o BIL, por sus siglas en inglés: basic impulse level)
• Prueba de ciclos térmicos con tensión aplicada
• Prueba de corto circuito
• Pruebas de cámara salina o corrosión
• Pruebas de operaciones con carga

Es fundamental subrayar que los grandes fabricantes que desarrollan y manufacturan productos para el mercado eléctrico aplican una serie de pasos para su diseño y desarrollo; algunos de ellos conllevan procedimientos más robustos, otros, en cambio, más ligeros. A grandes rasgos, las fases habituales son: idea, conceptualización, factibilidad, desarrollo y lanzamiento. Durante las  dos últimas etapas, es decir, antes de lanzar una nueva solución al mercado se recomienda realizar las pruebas prototipo antes mencionados, a fin de verificar que el producto cumplirá con las condiciones reales de operación y las expectativas de los clientes.

Prueba de tensión aplicada en corriente directa y corriente alterna
Está relacionada con la calidad y desempeño del aislamiento seleccionado para verificar que éste tiene la suficiente rigidez dieléctrica para el fin al que está destinado. Cuando se habla de media tensión, se adiciona un componente más a la ecuación: los esfuerzos eléctricos que aparecen cuando la tensión de operación supera los 2,500 V AC. El objetivo es verificar que dichos esfuerzos están siendo controlados, así como demostrar que éstos no se concentran en un punto o área determinada que ocasione un posible desgaste o falla potencial.

Prueba de descargas parciales
Es uno de los exámenes más importantes y cruciales para demostrar que el producto en desarrollo tiene un comportamiento adecuado dentro del sistema que compone una red de media tensión. Básicamente, consiste en verificar que el campo eléctrico generado al elevar la tensión (para acelerar el proceso es común elevarla más allá de su tensión nominal o de operación) no produce descargas parciales, una de las primeras evidencias que indican un daño potencial.

Las descargas parciales son micro descargas, comúnmente medidas en picocoulombs (pC), las cuales se presentan cuando hay imperfecciones en el aislamiento (como aire atrapado). Esta prueba está relacionada con la calidad de los elementos dieléctricos (aislantes) utilizados para la fabricación del accesorio o cable. Las tecnologías más comunes utilizadas y seleccionadas para el desarrollo de aislamientos son:

• Líquidos (aceites biodegradables, minerales o sintéticos)
• Gaseosos (por ejemplo, el hexafluoruro de azufre o SF6, un gas inerte más pesado que el aire ampliamente utilizado en mecanismos de interrupción y conexión como seccionadores y subestaciones de media y alta tensión)
• Cámaras de vacío (ausencia total de aire o gas)
• Poliméricos (EPR, XLP o hule silicón, por citar algunos ejemplos)
• Epóxicos (aislamientos rígidos altamente dieléctricos, cuyo propósito es evitar la formación de burbujas de aire en el interior)

El resultado de la prueba es que, independientemente de la tecnología utilizada, al elevar la tensión no existe un nivel de descarga parcial superior a un valor determinado por la norma de referencia (generalmente de 3 a 5 pC como máximo), lo que demuestra que la tecnología utilizada es la correcta.

Prueba de nivel básico de impulso por rayo
Consiste en aplicar una elevación súbita de la tensión, para posteriormente verificar que el aislamiento es capaz de soportar dicha sobretensión. Así, en caso de que se genere un arco eléctrico, éste no será capaz de dañar las características físicas, mecánicas y eléctricas del aislamiento.

Las normas relacionadas con accesorios y cables de media tensión establecen que los accesorios clase 15 kV (13.8 KV entre fases) deben tener un nivel básico al impulso por rayo (NBI) de 95 a 115 kV; para 25 kV (23 kV entre fases) el NBI deberá ser de 125-150 kV, mientras que para los accesorios clase 35 kV (34.5 kV entre fases) el rango será de 150-200 kV.

Un ejemplo claro de lo que simula esta prueba en la vida real es una descarga atmosférica, es decir, un rayo que cae cerca de una red de distribución. Este fenómeno genera una sobretensión repentina y, en caso de la creación de un arco eléctrico, el aislamiento de los accesorios que componen la red eléctrica no sufre daño alguno, por lo que son capaces de seguir trabajando y desempeñándose correctamente después de haber desaparecido la sobretensión y, por ende, el arco eléctrico. Se entiende, entonces, que esta prueba combina la tensión (V) y la corriente (A) que surge a consecuencia de la aparición de un arco eléctrico por la sobretensión generada.

Prueba de ciclos térmicos con o sin tensión aplicada
Su objetivo es recrear el ciclo de comportamiento natural de las cargas conectadas. En ocasiones, éstas se encuentran a plena carga  y en otras a mínima (por ejemplo, cuando las luminarias no son utilizadas durante el día). Los ciclos de carga plena, mínima o nula generan un efecto térmico o Joule sobre el conductor y puntos de contacto. La idea es simular que los materiales y tecnologías utilizadas son capaces de soportar estos cambios térmicos sin dañar o disminuir su desempeño eléctrico y/o mecánico.

Una combinación que podría ser muy drástica consiste en combinar una elevación de temperatura (al grado máximo de operación) con una tensión de trabajo. Esta combinación genera una suma de temperaturas; la primera es creada por el paso de una corriente y la segunda por una concentración de esfuerzos eléctricos, lo que provoca una temperatura resultante crítica en un punto, la cual no debe de causar ningún daño en el material aislante.

También ayuda a estudiar las expansiones y contracciones que sufren los elementos conductivos (Al, Cu, aleaciones, etcétera) al paso de la corriente, además de comprobar que estos cambios físicos en el volumen no ocasionen algún punto caliente por falso contacto con el paso del tiempo.

Prueba de corto circuito
Se trata de un ensayo indispensable para verificar que el producto es capaz de soportar una corriente muy elevada durante un periodo corto de tiempo. Para ello se simula una situación real en la que se presenta una posible falla, ya sea en un equipo o en alguna de las cargas conectadas al sistema, lo que desembocaría en una corriente eléctrica por corto circuito. El aparato o dispositivo deberá soportarlo durante un determinado periodo de tiempo previamente calculado, en lo que la protección entra en acción (fusible, cuchilla, interruptor termomagnético, entre otros).

Pruebas de cámara salina o corrosión
La mayoría de los equipos, por no decir que todos, estarán sometidos a diferentes grados de corrosión industrial, ambiental o química. El objetivo de esta prueba es simular, de forma acelerada, una condición extrema de agentes corrosivos o ambientales, como los rayos ultravioleta (UV) o la cámara de rocío salino, además de verificar que dicha exposición no ha dañado de forma importante el comportamiento del producto. Estas pruebas son de gran valor y utilidad, sobre todo para aquellos dispositivos que estarán sometidos a la intemperie, o bien, que serán instalados en zonas geográficas con altos índices de corrosión industrial y/o ambiental.

Pruebas de operaciones con carga
Como su nombre lo indica, simulan la operación de un equipo cuando está diseñado para ser manipulado (conexión/desconexión) con carga. En media tensión, cuando se abre o cierra un mecanismo para la apertura o cierre del circuito, se tiende a generar un arco eléctrico entre las cuchillas. Si el aparato no fue diseñado desde un inicio para ser operado con carga, esta prueba no tiene ningún sentido; en caso contrario, es necesario simular cuántas operaciones es capaz de soportar antes de presentar una falla.

Un ejemplo de lo anterior son los cuerpos premoldeados (codos o cuerpos en T) conectados a un transformador tipo pedestal o a un equipo de seccionamiento, los cuales pueden ser desconectados a través de una pértiga de tierra a plena carga. De la mano de esta prueba puede venir una de intercambiabilidad, la cual simula la conexión y desconexión de diferentes accesorios que se acoplan a elementos de otro fabricante. La idea es verificar que la interacción de productos de diferentes marcas se haga de forma adecuada.

Gracias a esta clase de simulaciones y pruebas prototipo, se evidencia que la fabricación de un producto dirigido a la red de distribución eléctrica no es una tarea sencilla y pasa por un proceso de lo más minucioso, el cual inicia desde la concepción de una idea hasta su posterior desarrollo y lanzamiento.

Las pruebas de laboratorio, en este sentido, constituyen un componente indispensable para representar las condiciones reales de operación de los productos y brindar información valiosa para la toma de decisiones. Todo ello con el fin de mejorar los aislamientos y conectadores que son utilizados a lo largo de una red de distribución subterránea.
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Eduardo Sánchez de Aparicio
@esanchezdea
Socio-fundador y director de Relaciones Institucionales e Ingeniería en Sigma Solutions Commerce Group S.A. de C.V. También es director de Sigma Solutions Consulting Group y coordinador del Subcomité de Accesorios y Herrajes para Cable, IEE Sección México, y miembro del Centro de Competitividad e Innovación Caname.