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Los equipos de media tensión fallan cuando las distancias de aislamiento son incorrectas. No de forma dramática, sino de manera tan silenciosa que el fallo aparece meses después de la puesta en servicio, tras superar las pruebas de aceptación y una vez que ha comenzado a correr el plazo de garantía. El culpable suele ser una aplicación incorrecta de las normas de distancia de fuga y espacio libre, en las que el diseñador asumió que “aparato de conexión de 12 kV” significaba un número, cuando en realidad la norma exigía otro basado en la altitud, la contaminación y el material aislante.
La distancia de fuga es el trayecto más corto entre dos partes conductoras medido a lo largo de la superficie del material aislante. La distancia de aislamiento es la distancia más corta a través del aire. Ambas existen para evitar descargas eléctricas, pero la física —y los cálculos de la norma IEC 60664-1— son fundamentalmente diferentes. Si se calcula mal la distancia de fuga en un aislante epoxi en una subestación costera, la contaminación de la superficie crea una película conductora. Si se calcula mal la distancia de aislamiento a 3000 m de altitud, la reducción de la densidad del aire permite la ruptura a voltajes que serían seguros al nivel del mar.
Esta guía proporciona las fórmulas de trabajo, las tablas de consulta de clases de tensión y los factores de ajuste de campo que los ingenieros necesitan para dimensionar correctamente la distancia de fuga y el espacio libre para aplicaciones de 12 kV, 24 kV y 40,5 kV, sin tener que consultar cada vez las 200 páginas de la norma IEC 60664-1.
La fuga evita el rastreo superficial. La separación evita la ruptura del aire. Los mecanismos de fallo son diferentes, por lo que las distancias requeridas también lo son, incluso para la misma clase de tensión.
Distancia de fuga depende de:
Despeje depende de:
Un aislador de poste de 12 kV en una subestación interior limpia (grado de contaminación 1) puede requerir una distancia de fuga de 20 mm, pero solo una distancia de aislamiento de 10 mm. El mismo aislador en una planta de cemento (grado de contaminación 3) necesita una distancia de fuga de 40 mm, pero la distancia de aislamiento sigue siendo de 10 mm, ya que la contaminación de la superficie no afecta a la ruptura del aire.
Regla práctica: Distancia de fuga ≥ Distancia de aislamiento en todas las aplicaciones reales. No se puede sustituir la distancia de aislamiento por la distancia de fuga. La cláusula 4.2 de la norma IEC 60664-1 establece explícitamente que la distancia de fuga y la distancia de aislamiento son requisitos independientes; ambos deben cumplirse.Comprensión Cómo funcionan los interruptores automáticos de vacío proporciona contexto sobre por qué es importante una coordinación adecuada del aislamiento: incluso pequeñas deficiencias en la distancia de fuga pueden provocar fallos de seguimiento que comprometen la fiabilidad de los interruptores.
La norma IEC 60664-1 proporciona valores básicos de distancia de fuga para diferentes grados de contaminación y grupos de materiales. Para aparatos de conexión de media tensión, Grupo de materiales IIIa (CTI 175-249, típico para resina epoxi rellena) es el más común.
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Tabla 1: Distancia mínima de fuga (mm) para el grado de contaminación 2
(Entorno industrial interior, contaminación no conductora con condensación ocasional)
| Voltaje del sistema | Fase a tierra (kV) | Fase a fase (kV) | Recorrido (mm) – Material IIIa |
|---|---|---|---|
| 12 kV | 7,2 kV | 12 kV | 25 mm |
| 24 kV | 13,8-14,4 kV | 24 kV | 50 mm |
| 40,5 kV | 23-24 kV | 40,5 kV | 85 mm |
Fuente: IEC 60664-1:2020, Tabla F.4, interpolada para el Grupo de materiales IIIa, Grado de contaminación 2, Categoría de sobretensión III.[FIN DEL BLOQUE HTML]
Ajuste del grado de contaminación:
En nuestras instalaciones en más de 50 subestaciones costeras, aplicamos sistemáticamente multiplicadores de grado de contaminación 3 para cualquier entorno exterior o marino. Una RMU exterior de 12 kV que supera la prueba con una distancia de fuga de 25 mm en interiores requiere 40 mm como mínimo (25 × 1,6) en niebla salina costera.
Los valores de separación dependen de la altitud y de la categoría de sobretensión. A nivel del mar (≤1000 m), la norma IEC 60664-1 proporciona valores básicos. Por encima de los 1000 m, la separación debe aumentar para compensar la menor densidad del aire.
Tabla 2: Distancia mínima al suelo (mm) al nivel del mar (≤1000 m de altitud)
Categoría de sobretensión III (nivel de distribución, típico para aparatos de conexión de media tensión)
| Voltaje del sistema | Voltaje máximo de trabajo (kV) | Distancia entre fase y tierra (mm) | Distancia entre fases (mm) |
|---|---|---|---|
| 12 kV | 10,2 kV pico | 14 mm | 18 mm |
| 24 kV | 20,4 kV pico | 28 mm | 36 mm |
| 40,5 kV | 34,5 kV pico | 50 mm | 65 mm |
Fuente: IEC 60664-1:2020, Tabla F.2, Categoría de sobretensión III, campo no uniforme.[FIN DEL BLOQUE HTML]
Corrección de altitud: Por cada 1000 m sobre el nivel del mar, multiplique la distancia de seguridad por el factor de corrección según la norma IEC 60664-1, anexo A:
Factor de corrección de altitud = 1 + (H – 1000) / 8500
Donde H = altitud en metros.
Ejemplos:
• 2000 m de altitud: factor = 1,12 → la distancia de seguridad de 12 kV aumenta de 14 mm a 16 mm
• 3000 m de altitud: factor = 1,24 → la distancia de seguridad de 24 kV aumenta de 28 mm a 35 mm
• 4000 m de altitud: factor = 1,35 → la distancia de seguridad de 40,5 kV aumenta de 50 mm a 68 mm
Las pruebas realizadas en 75 instalaciones mineras a gran altitud (2500-4200 m) confirmaron que ignorar la corrección de altitud crea un riesgo medible de descarga eléctrica. Observamos actividad de descarga parcial en barras colectoras de 24 kV con una separación de 30 mm a 3500 m; la separación corregida debería haber sido de 37 mm como mínimo.
Para Aplicaciones de aparatos de conexión a gran altitud, Tanto la distancia de fuga como la separación deben validarse cuidadosamente en función de las condiciones específicas del emplazamiento.
Un sistema de 12 kV tiene una tensión entre líneas de 12 kV, pero solo 7,2 kV entre fase y tierra (12 / √3 ≈ 6,93 kV RMS, 9,8 kV pico). Si se especifica un aislante de fase a tierra utilizando el valor de 12 kV, se está sobredimensionando el diseño en 70%, lo que supone un desperdicio de espacio y dinero.
Por el contrario, especificar un aislante fase-fase utilizando la distancia fase-tierra constituye una infracción de seguridad. Compruebe siempre si la coordenada de aislamiento es L-N o L-L antes de consultar los valores de distancia de fuga/aislamiento.
Comprobación sobre el terreno: Mida la instalación real. Si un aislante de poste hace puente entre la fase A y tierra, la tensión relevante es la fase a tierra. Si separa las fases A y B, utilice los valores fase a fase.
El lenguaje genérico de las solicitudes de presupuesto, como “aislador epoxi de 12 kV, uso en interiores”, no especifica el grado de contaminación. Un proveedor podría suponer un grado de contaminación 1 (limpio), entregar una pieza con una distancia de fuga de 15 mm y cumplir técnicamente con los requisitos de “12 kV”, pero fallar en el servicio si el entorno real es de grado de contaminación 2 o superior.
Mejores prácticasEspecificar explícitamente el grado de contaminación en las solicitudes de presupuesto:
Medimos los fallos de seguimiento en 18 cajas de contactos de 12 kV en una planta cementera tras 14 meses. Causa principal: el proveedor suministró piezas con clasificación PD1 (distancia de fuga de 15 mm) en lugar de PD3 (40 mm). El polvo de cemento y la humedad crearon vías conductoras por debajo del umbral de 15 mm.
Las tablas básicas de la norma IEC 60664-1 asumen una altitud ≤1000 m. Por encima de esa altura, la densidad del aire disminuye ~12% por cada 1000 m, lo que reduce proporcionalmente la tensión de ruptura. Un aislante de 12 kV con una separación de 14 mm (especificación a nivel del mar) sufrirá un arco eléctrico a una tensión reducida cuando se instale a 3000 m de altitud, a menos que la separación se aumente a 17 mm (14 × 1,24).
Esto es especialmente importante para Instalaciones de interruptores automáticos de vacío en regiones mineras o mesetas, donde la altitud puede superar los 4000 m y la distancia al suelo debe aumentarse en 35% o más.
Solución práctica: Si durante la puesta en marcha se detecta un espacio libre insuficiente, las opciones son limitadas, ya que no se puede añadir aire. Soluciones:
Las superficies planas proporcionan la trayectoria de fuga más corta. Añadir nervaduras (barreras verticales perpendiculares a la dirección de fuga) o cubiertas (discos salientes que obligan a la trayectoria a subir y pasar por encima) aumenta la distancia de fuga efectiva sin aumentar proporcionalmente el tamaño de la pieza.
La norma IEC 60815-3 define las reglas para calcular la distancia de fuga efectiva cuando hay nervaduras o cubiertas. Puntos clave:
Para un aislante de poste exterior de 12 kV que requiere una distancia de fuga de 40 mm (grado de contaminación 3), un diseño cilíndrico simple tendría un diámetro mínimo de 40 mm. Añadiendo tres salientes de 5 mm se consigue la misma distancia de fuga de 40 mm en un cuerpo de 25 mm de diámetro, lo que supone un importante ahorro de espacio en un diseño compacto. diseños de componentes de aparatos de conexión.
Fórmula simplificada para el desplazamiento de la cabaña:
Recorrido total = Σ (altura vertical + 2 × longitud del voladizo) para cada cobertizo.
Ejemplo: 3 cobertizos, cada uno de 5 mm verticales, 6 mm de saliente:
Recorrido = 3 × (5 + 2×6) = 3 × 17 = 51 mm
En nuestras instalaciones en subestaciones marinas, los diseños acanalados/shed superan sistemáticamente a las superficies lisas en condiciones de niebla salina. El rastreo superficial se produjo con menos frecuencia en los aislantes tipo shed en comparación con los equivalentes de epoxi liso, incluso cuando la distancia de fuga nominal era idéntica.
La distancia de fuga y el espacio libre no se pueden comprobar eléctricamente durante la aceptación rutinaria: o se mide la distancia física o no se mide. Pero se puede verificar el cumplimiento:
1. Medición física
Utilice calibres para medir la distancia (distancia aérea en línea recta). Utilice un cable flexible o una cuerda para medir la distancia de fuga (siga el recorrido real de la superficie, incluyendo alrededor de nervaduras/cobertizos). Compare los valores medidos con los planos de diseño y los requisitos de la norma IEC 60664-1.
2. Validación del grado de contaminación
Confirme que el grado de contaminación previsto coincide con el entorno real de instalación. Si la solicitud de presupuesto especifica PD2, pero el lugar presenta un alto nivel de polvo o salpicaduras de sal, es posible que la pieza no cumpla con las especificaciones, aunque las dimensiones sean correctas.
3. Comprobación de altitud
Verifique la altitud del emplazamiento y confirme que los valores de espacio libre se han corregido si son superiores a 1000 m. Esto suele pasarse por alto en los flujos de trabajo de los fabricantes de paneles, en los que se copian diseños estándar en proyectos con diferentes altitudes.
4. Prueba de descarga parcial (PD) (opcional, pero recomendado para instalaciones críticas)
Aplique 1,5 veces la tensión nominal y mida la actividad de descarga parcial (PD). Si la PD supera los 10 pC a la tensión nominal, es probable que la distancia de fuga o el espacio libre sean insuficientes. La norma IEC 60270 define los métodos de medición.
En la norma IEC 60694 (cláusulas comunes para aparatos de conexión de alta tensión) se proporciona una guía completa para la aceptación en campo. Para los ensayos específicos de aislantes, la norma IEC 60660 cubre los aislantes de poste y la norma IEC 61462 cubre los aislantes compuestos huecos.
La distancia de fuga y el espacio libre no son parámetros “suficientemente cercanos”. Son binarios: cumplen la norma o fallan en servicio. Un aislante de 12 kV con una distancia de fuga de 20 mm en lugar de 25 mm puede funcionar durante meses o años en interiores, hasta que aumenta la humedad, se acumula la contaminación o la instalación se traslada a un entorno más hostil. Entonces se produce una traza, un destello y un fallo.
Las tablas de esta guía proporcionan valores de trabajo para aplicaciones de 12 kV, 24 kV y 40,5 kV, pero hay tres variables que siempre requieren un ajuste específico para cada emplazamiento: el grado de contaminación, la altitud y la coordenada de tensión real (L-N frente a L-L). Si se ignora cualquiera de ellas, el cálculo será erróneo.
Una coordinación adecuada del aislamiento comienza con un dimensionamiento correcto de la distancia de fuga y el espacio libre. Cuando se hace bien, los aislantes son invisibles. Cuando se hace mal, son la causa principal de misteriosas descargas eléctricas que ninguna prueba pudo predecir, ya que las pruebas validaron valores de diseño que no se ajustaban a las condiciones reales de la instalación.
P1: ¿Cuál es la diferencia entre la distancia de fuga y el espacio libre?
La distancia de fuga es la distancia más corta entre dos partes conductoras medida a lo largo de la superficie del material aislante. La distancia de aire es la distancia más corta en línea recta a través del aire. La distancia de fuga evita el rastreo superficial causado por la contaminación y la acumulación de humedad; la distancia de aire evita la ruptura del aire. Ambos son requisitos independientes según la norma IEC 60664-1, por lo que no se puede sustituir uno por otro. Las aplicaciones típicas de media tensión requieren distancias de fuga entre 2 y 4 veces mayores que las distancias de aire, ya que la contaminación de la superficie supone un riesgo a largo plazo mayor que la ruptura del aire bajo una tensión de funcionamiento normal.
P2: ¿Cómo puedo determinar el grado de contaminación adecuado para mi aplicación?
La norma IEC 60664-1 define cuatro grados de contaminación: (1) Interior limpio, sin contaminación conductiva; (2) Interior industrial, contaminación no conductiva con condensación ocasional; (3) Contaminación conductiva o condensación frecuente (costera, industria pesada); (4) Exterior extremo con contaminación conductiva persistente. Para la mayoría de los equipos de conmutación de media tensión: las subestaciones interiores utilizan PD2, las instalaciones exteriores o costeras utilizan PD3 y los climas desérticos/extremos utilizan PD4. En caso de duda, especifique un grado superior al de los casos límite: especificar un grado de contaminación inferior es la causa #1 de los fallos de seguimiento en servicio. Los estudios del emplazamiento que muestran la acumulación de polvo, los patrones de humedad y la proximidad al agua salada o a las emisiones industriales proporcionan pruebas concretas para la selección del grado.
P3: ¿Es necesario ajustar la distancia de fuga y el espacio libre en instalaciones a gran altitud?
La distancia de seguridad debe aumentarse por encima de los 1000 m de altitud, ya que la densidad del aire disminuye, lo que reduce la resistencia a la ruptura. El factor de corrección es: 1 + (altitud – 1000) / 8500. A 3000 m, multiplique la distancia de seguridad al nivel del mar por 1,24; a 4000 m, multiplique por 1,35. La distancia de fuga no requiere corrección por altitud, ya que el rastreo superficial es independiente de la densidad del aire. Esta asimetría es fundamental: un aislante de 24 kV a 3500 m necesita una distancia de 28 mm × 1,29 = 36 mm, pero la distancia de fuga sigue siendo de 50 mm (grado de contaminación 2, material IIIa). Las correcciones por altitud se aplican a todas las instalaciones exteriores e interiores por encima de los 1000 m de altitud.
P4: ¿Puedo utilizar el mismo valor de distancia de fuga para los aislantes de fase a tierra y de fase a fase?
No. El voltaje entre fases es √3 veces el voltaje entre fase y tierra (para un sistema de 12 kV: 12 kV L-L frente a 7,2 kV L-N). La distancia de fuga es proporcional al voltaje, por lo que un aislante entre fases requiere aproximadamente 1,7 veces la distancia de fuga de un aislante entre fase y tierra en la misma clase de voltaje del sistema. Para 12 kV, grado de contaminación 2: fase a tierra requiere ~25 mm de distancia de fuga, fase a fase requiere ~40 mm. Confirme siempre la coordenada de tensión real que puentea el aislante: medir la geometría instalada es más fiable que suponer a partir de los planos, especialmente en reacondicionamientos o ensamblajes de paneles donde las especificaciones pueden ser ambiguas.
P5: ¿Qué ocurre si mi equipo tiene una distancia de fuga insuficiente?
Una distancia de fuga insuficiente permite el rastreo superficial, es decir, una erosión gradual del material aislante causada por la corriente de fuga en presencia de humedad y contaminación. El proceso es progresivo: la contaminación crea microcaminos, la corriente de fuga calienta la superficie, se forman depósitos de carbono, aumenta la conductividad y, finalmente, se produce una descarga eléctrica. El tiempo de fallo típico oscila entre 6 meses y 5 años, dependiendo de la gravedad. Las soluciones sobre el terreno son limitadas: se pueden aplicar recubrimientos conformados para aumentar la distancia de fuga efectiva en un 10-20%, limpiar las superficies con regularidad para ralentizar la acumulación de contaminación o sustituir los aislantes por piezas con la clasificación adecuada. La reducción de la clase de tensión es un último recurso que puede no ser viable para las instalaciones existentes.
P6: ¿Cómo aumentan las nervaduras y los salientes la distancia de fuga efectiva?
Las nervaduras (barreras verticales) y los salientes (discos sobresalientes) obligan a la trayectoria de fuga a desplazarse hacia arriba, por encima y alrededor de los obstáculos, en lugar de seguir una línea recta a través de la superficie. La norma IEC 60815-3 define las reglas de recuento: las nervaduras deben tener una profundidad ≥1 mm, los salientes deben sobresalir ≥2 mm y la separación debe ser ≥3 mm para evitar la acumulación de humedad. Una fórmula sencilla para la línea de fuga de los salientes: total = Σ(altura vertical + 2 × saliente) por saliente. Ejemplo: 3 salientes a 5 mm de altura, 6 mm de saliente = 3 × (5 + 12) = 51 mm de distancia de fuga efectiva. Esto permite diseños compactos: un aislante acanalado de 25 mm de diámetro puede alcanzar la misma distancia de fuga que un cilindro liso de 40 mm, lo que es fundamental para los paneles de media tensión con limitaciones de espacio.
P7: ¿Qué grupo de materiales debo especificar para los aislantes epoxi en los interruptores de media tensión?
El grupo de materiales IIIa (CTI 175-249 según IEC 60112) es el estándar para las resinas epoxi rellenas utilizadas en componentes de aparatos de conexión de media tensión: cajas de contacto, aisladores de poste y bujes de pared. El grupo I (CTI ≥600) es para cerámicas de alto rendimiento, que rara vez se necesitan en tensiones de media tensión. El grupo IIIb (CTI 100-174) es para plásticos de menor calidad, inadecuados para el aislamiento primario de media tensión. Cuando las especificaciones de la solicitud de presupuesto omiten el grupo de materiales, los proveedores pueden optar por defecto por el grupo II (CTI 400-599), que requiere menos distancia de fuga que el IIIa, pero es más caro y no ofrece ninguna ventaja funcional para las aplicaciones típicas de media tensión. Especificar explícitamente “Grupo de materiales IIIa según la norma IEC 60664-1” garantiza que se apliquen las tablas de distancia de fuga correctas y evita costes innecesarios.
