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El aislamiento de las barras conductoras actúa como barrera dieléctrica crítica entre los conductores energizados y tierra o las fases adyacentes. El rendimiento térmico determina directamente la vida útil del aislamiento y, cuando éste se degrada, la firma térmica se convierte en la primera advertencia. Esta guía conecta la selección de materiales para fundas y barreras con umbrales de termografía de infrarrojos procesables, lo que proporciona a los equipos de mantenimiento el marco necesario para detectar problemas antes de que se agraven.
La física que rige el comportamiento térmico de las barras colectoras se centra en tres mecanismos de transferencia de calor: la conducción a través de la sección transversal del conductor, la convección desde las superficies expuestas y el intercambio de radiación con las paredes del recinto. Las barras colectoras de cobre generan calor a través de pérdidas I²R, con un aumento de la resistencia de aproximadamente 0,4% por grado Celsius de aumento. Este coeficiente de temperatura positivo crea un bucle de retroalimentación térmica: las temperaturas más elevadas aumentan la resistencia, lo que incrementa las pérdidas, aumentando aún más la temperatura.
La pérdida de potencia es P = I²R, donde una barra colectora de 2000 A con una resistencia de 15 μΩ/m genera aproximadamente 60 W/m de calor en condiciones de plena carga. Esta energía térmica debe disiparse eficazmente; de lo contrario, las temperaturas de los conductores pueden superar los 90 °C, el límite nominal continuo típico para la mayoría de los materiales aislantes según la norma IEC 61439-1 (conjuntos de aparamenta de baja tensión).
Los materiales de aislamiento deben soportar temperaturas de funcionamiento continuas manteniendo la rigidez dieléctrica. Según la norma IEC 62271-200 para aparamenta metálica de CA, los sistemas de aislamiento se clasifican en función de su resistencia térmica: Materiales de Clase B para una temperatura máxima de punto caliente de 130°C, Clase F para 155°C y Clase H para 180°C. Superar estos límites en tan sólo 10 °C puede reducir la vida útil del aislamiento en 50% debido a la degradación acelerada de la cadena de polímeros.
La capacidad de disipación del calor depende en gran medida de la configuración de la instalación. Las barras colectoras montadas verticalmente demuestran 15-25% una mejor refrigeración por convección natural en comparación con el montaje horizontal debido a un mayor flujo de aire de efecto chimenea.
En evaluaciones de campo realizadas en más de 80 subestaciones industriales, aproximadamente 65% de los fallos de aislamiento de las barras colectoras tienen su origen en zonas de tensión térmica pasadas por alto en lugar de en fallos eléctricos directos. Comprender estos mecanismos permite establecer protocolos de inspección específicos.
La exposición prolongada a temperaturas superiores a 90°C acelera la rotura de la cadena polimérica. Los materiales de poliolefina reticulada presentan una reducción de la vida útil de aproximadamente 50% por cada 10°C de aumento por encima de su temperatura nominal de funcionamiento continuo.
Cuando las fundas de las barras colectoras presentan microvacíos o delaminación, a menudo debido a una contracción incorrecta de la instalación, se produce una descarga parcial a concentraciones de campo eléctrico superiores a 3 kV/mm. Según la norma IEC 60270 [VERIFY STANDARD: cláusula específica para los niveles umbral de descarga parcial], la actividad de descarga parcial sostenida por encima de 10 pC acelera la erosión del aislamiento y crea trayectorias de rastreo carbonizadas.
Este mecanismo se inicia cuando el calentamiento localizado en los puntos de conexión aumenta la resistencia de contacto. La resistencia elevada genera calor adicional, que aumenta aún más la resistencia en un ciclo de autorrefuerzo. Las uniones que presentan aumentos de temperatura superiores a 35 K por encima de la temperatura ambiente suelen indicar valores de resistencia 2-3 veces superiores a los especificados.
Los niveles de humedad superiores a 85% HR combinados con la contaminación por polvo conductor crean corrientes de fuga superficiales que salvan las barreras de aislamiento. Las instalaciones mineras y de procesamiento de cemento presentan condiciones especialmente agresivas, en las que las partículas suspendidas en el aire reducen la resistividad de la superficie por debajo del 10⁹ Ω, el umbral en el que el rastreo se vuelve probable.
Las barreras de fase a fase experimentan una tensión de expansión térmica diferencial. Las barras colectoras de aluminio (coeficiente ~23 μm/m-K) combinadas con barreras epoxídicas rígidas pueden separar las interfaces tras repetidos ciclos de carga, lo que compromete las propiedades dieléctricas y de transferencia térmica.
[Visión experta: Observaciones de campo sobre patrones de fallo]
- Los puntos de esquina y terminación son los primeros en fallar en aproximadamente 70% de los incidentes de rotura del aislamiento de las barras colectoras.
- Las bolsas de aire atrapadas durante la instalación termorretráctil crean puntos de descarga que erosionan el aislamiento en un plazo de 6 a 18 meses.
- El desbordamiento térmico suele pasar de la detección inicial del punto caliente al fallo crítico en 15-45 minutos bajo carga.
- La inspección posterior a la avería debe tener en cuenta los daños por choque térmico aunque no haya carbonización visible.
Para seleccionar el método de aislamiento adecuado es necesario adaptar las propiedades del material a la clase de tensión, los requisitos térmicos y las limitaciones de la instalación.
La poliolefina estándar funciona hasta 105°C continuos con una rigidez dieléctrica de 20-25 kV/mm. Adecuado para aplicaciones de baja tensión por debajo de 1 kV, este material ofrece una excelente capacidad de retroadaptación.
Su mayor estabilidad térmica hasta 125°C convierte al XLPE en la opción preferida para media tensión componentes de aislamiento de aparamenta. Las relaciones de contracción de 2:1 o 3:1 se adaptan a diversas geometrías de barras colectoras.
La tolerancia a altas temperaturas, que alcanza los 180°C continuos, es adecuada para entornos con frecuentes ciclos térmicos. Estas barreras ofrecen una flexibilidad y una resistencia superiores al choque térmico.
El revestimiento electrostático aplicado en fábrica alcanza una rigidez dieléctrica de 15-20 kV/mm en espesores de 0,3-0,5 mm. Las limitaciones de la reparación in situ hacen que este método no sea adecuado para aplicaciones de reequipamiento.
| Método | Clase de tensión | Rigidez dieléctrica | Temperatura | Facilidad de adaptación | Coste |
|---|---|---|---|---|---|
| Poliolefina termorretráctil | Hasta 1 kV | 20-25 kV/mm | 105°C | Excelente | Bajo |
| Poliolefina reticulada | Hasta 36 kV | 20-30 kV/mm | 125°C | Excelente | Bajo-Medio |
| Barreras de caucho de silicona | Hasta 36 kV | 18-22 kV/mm | 180°C | Bien | Medio-alto |
| Pintura en polvo epoxi | Hasta 15 kV | 15-20 kV/mm | 130°C | Pobre | Medio |
La conductividad térmica del aislamiento afecta directamente a la disipación del calor. Los materiales de poliolefina estándar presentan una conductividad térmica de 0,25-0,35 W/(m-K), lo que crea una resistencia térmica que impide la transferencia de calor. Este efecto, aunque necesario para el aislamiento eléctrico, requiere una cuidadosa consideración durante el diseño térmico.
Para los sistemas de media tensión, la selección del material debe tener en cuenta simultáneamente los requisitos dieléctricos, la compatibilidad térmica y la exposición ambiental.
De acuerdo con la norma IEC 62271-1 [VERIFY STANDARD: Table for rated insulation levels], los sistemas de barras colectoras de 12 kV requieren unas distancias al aire mínimas de 125 mm fase a fase y demostrar una capacidad de resistencia dieléctrica de 28 kV a frecuencia de potencia. Los materiales de aislamiento deben mantener estos márgenes en condiciones de contaminación.
La relación entre el aumento de temperatura y la vida útil del aislamiento sigue el modelo de Arrhenius: por cada 10°C de aumento por encima de la temperatura nominal, la vida útil del aislamiento disminuye aproximadamente 50%. Un sistema de barras con una vida útil nominal de 40 años a 75 °C puede degradarse a una vida equivalente de 10 años si se mantiene a 95 °C. Esta relación de envejecimiento térmico informa directamente sobre los límites de actuación de la termografía infrarroja utilizada en los programas de mantenimiento predictivo.
Para entornos industriales clasificados como Grado de Contaminación 3, la norma IEC 60664-1 exige distancias de fuga de 12,5 mm como mínimo para sistemas de 690 V, que aumentan a 25 mm para aplicaciones de 1000 V. Aisladores de postes para sistemas de soporte de barras colectoras deben cumplir estos requisitos de línea de fuga y, al mismo tiempo, ofrecer estabilidad mecánica.
Un control térmico eficaz requiere un equipo adecuado y unas condiciones de estudio normalizadas.
La resolución de 320×240 píxeles proporciona detalles adecuados para inspecciones generales de aparamenta; la resolución de 640×480 permite detectar anomalías más pequeñas. La sensibilidad térmica (NETD) inferior a 50 mK garantiza la visibilidad de las diferencias de temperatura más sutiles.
El cobre y el aluminio desnudos plantean problemas de medición con valores de emisividad de 0,05-0,15. Estas superficies pulidas reflejan la radiación térmica ambiente y producen lecturas erróneas. Estas superficies pulidas reflejan la radiación térmica ambiental, lo que produce lecturas engañosas. Las superficies aisladas con una emisividad de 0,9-0,95 proporcionan mediciones fiables. Para conductores desnudos, aplique objetivos de referencia de emisividad o mida secciones aisladas adyacentes.
Es esencial una carga mínima de la corriente nominal 40%; por debajo de este umbral, las diferencias de temperatura pueden ser demasiado pequeñas para detectar fallos en desarrollo. Documente la temperatura ambiente y las condiciones de carga en cada medición para poder establecer tendencias significativas. La relación distancia-punto determina el tamaño mínimo de anomalía detectable a una distancia determinada.
Los datos de temperatura sólo son procesables cuando se asignan a protocolos de respuesta específicos. La distinción entre mediciones delta-T (diferenciales) y absolutas determina cómo se evalúa la gravedad.
ΔT compara la temperatura del punto sospechoso con la de un punto de referencia en condiciones idénticas, normalmente la misma conexión de fase en otra ubicación o una fase adyacente con una carga similar. Este método diferencial compensa la variación de la carga y las condiciones ambientales, proporcionando una evaluación de la gravedad más fiable que los valores absolutos por sí solos.
| ΔT Referencia anterior | Gravedad | Acción recomendada | Plazos de respuesta |
|---|---|---|---|
| 1-10°C | Menor | Documentación y tendencias | Próxima inspección programada |
| 11-20°C | Intermedio | Investigar la causa | 1-3 meses |
| 21-40°C | En serio | Priorizar la planificación de las reparaciones | 1-4 semanas |
| >40°C | Crítico | Se requiere una intervención inmediata | 24-72 horas |
| Absoluto >90°C en la conexión | Emergencia | Evaluar la desenergización | Inmediato |
Los umbrales se ajustan a las directrices de NETA MTS y NFPA 70B. Los límites reales varían en función de los valores nominales de los equipos y la criticidad de las instalaciones.
Las conexiones de alta resistencia debidas a herrajes sueltos u oxidación producen un calentamiento localizado en las uniones atornilladas. Los conductores sobrecargados muestran una temperatura elevada a lo largo de todo el recorrido. El desequilibrio de fases crea patrones de calentamiento asimétricos en las tres fases. El calentamiento superficial en el aislamiento indica rastreo de contaminación o degradación interna.
Al inspeccionar conexiones primarias del disyuntor de vacío, aplicar estos mismos umbrales a los puntos de interfaz entre barras e interruptores.
[Perspectiva del experto: Recomendaciones prácticas para las encuestas]
- Establecer perfiles térmicos de referencia en condiciones de carga documentadas en los 6 meses siguientes a la puesta en servicio.
- Frecuencia de las encuestas para las instalaciones críticas: trimestral como mínimo; industrial estándar: semestral.
- Encuestas activadas por eventos después de cualquier eliminación de averías, cambio de carga importante o mantenimiento de la conexión.
- Correlacionar los hallazgos térmicos con las pruebas ultrasónicas de descarga parcial para un diagnóstico exhaustivo.
Una técnica de instalación adecuada determina si el aislamiento alcanza su vida útil nominal o falla prematuramente.
Elimine las capas de óxido de las superficies de cobre y aluminio utilizando abrasivos adecuados. Desengrasar con disolventes compatibles: la contaminación residual debajo de las fundas crea espacios vacíos que inician descargas parciales. Mantenga un radio de borde mínimo de 3 mm en todas las esquinas de las barras colectoras para evitar la perforación del aislamiento durante la retracción.
Coloque la funda con un solapamiento mínimo de 25 mm en las juntas. Aplique calor desde el centro hacia fuera para eliminar las bolsas de aire atrapadas. Controle la temperatura de la pistola de calor entre 120-200°C dependiendo del grado del material-el calor excesivo daña la matriz del polímero mientras que el calor insuficiente produce una contracción incompleta. Inspeccione la recuperación uniforme, la ausencia de burbujas y la adhesión completa.
Cajas de diseño con ventanas transparentes a los infrarrojos alineadas con los puntos de conexión críticos. El fluoruro de calcio y el seleniuro de zinc proporcionan una transmisión excelente; las alternativas de polímero ofrecen un coste inferior con un rendimiento adecuado para las encuestas rutinarias. Etiquete las ubicaciones de las ventanas para garantizar puntos de medición coherentes en varias inspecciones.
XBRELE fabrica componentes de aislamiento diseñados para conjuntos de aparamenta de media tensión, incluidos aisladores de poste, pasamuros y sistemas de barrera de fase que cumplen las normas IEC y GB.
Nuestro equipo técnico ofrece soporte de selección para los requisitos de aislamiento de barras colectoras en clases de tensión de 3,6 kV a 40,5 kV. Tanto si se trata de especificar nuevas construcciones de aparamenta como de buscar componentes de sustitución para programas de mantenimiento, contacte con nuestros especialistas en componentes de aparamenta para hablar de los requisitos de su proyecto.
¿Qué carga mínima se requiere para una termografía IR precisa de las barras colectoras?
La mayoría de las normas recomiendan al menos 40% de corriente de carga nominal para producir diferenciales de temperatura medibles. Las inspecciones con cargas inferiores pueden pasar por alto fallos en desarrollo, ya que el efecto de calentamiento I²R aumenta con la corriente al cuadrado.
¿Con qué frecuencia deben realizarse inspecciones térmicas por infrarrojos en las barras de distribución?
Las instalaciones críticas suelen requerir inspecciones trimestrales, mientras que las instalaciones industriales estándar se benefician de inspecciones semestrales. Las inspecciones adicionales deben realizarse después de cualquier fallo, cambio importante de carga o trabajos de mantenimiento de las conexiones.
¿Por qué las barras colectoras de cobre desnudo dan lecturas de temperatura por infrarrojos inexactas?
El cobre pulido tiene una emisividad de entre 0,05 y 0,15, lo que hace que la cámara lea la radiación ambiental reflejada en lugar de la temperatura real de la superficie. Las superficies oxidadas o aisladas con una emisividad superior a 0,8 proporcionan mediciones fiables.
¿A qué temperatura una conexión de barras debe desencadenar una acción inmediata?
Las conexiones que presenten ΔT superiores a 40 °C por encima de la referencia o temperaturas absolutas superiores a 90 °C suelen justificar una evaluación inmediata. Los umbrales exactos dependen de la clase térmica del aislamiento y de la potencia nominal del equipo.
¿Se pueden aplicar fundas termorretráctiles a barras conductoras bajo tensión?
La no instalación requiere equipos sin tensión con procedimientos adecuados de bloqueo y etiquetado. El proceso de aplicación de calor y la necesidad de una preparación minuciosa de la superficie hacen que el trabajo en vivo sea poco práctico e inseguro.
¿Cuál es la causa del calentamiento desigual en los sistemas de barras trifásicas?
El desequilibrio de fases en las cargas conectadas produce patrones térmicos asimétricos. Una resistencia de conexión desigual entre fases -por par diferencial u oxidación- también crea diferencias de temperatura que las inspecciones por infrarrojos detectan fácilmente.
¿Cómo afecta la clase térmica del aislamiento a los límites de acción de la temperatura?
Los aislamientos de Clase B (130°C) requieren umbrales de actuación más conservadores que los de Clase H (180°C). Aplique los porcentajes de la tabla de severidad en relación con la clasificación de temperatura continua de su aislamiento específico en lugar de utilizar valores absolutos de forma universal.
