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Un disyuntor de vacío de 12 kV llegó a una fábrica de cemento en los Andes, instalado a 2.800 metros de altitud. Seis meses después, falló durante una conmutación rutinaria, pero no por un defecto de fabricación, sino por una descarga eléctrica en las superficies aislantes que funcionaban perfectamente durante las pruebas de fábrica a nivel del mar.
La causa fundamental: un Nivel de Impulso Básico inadecuado para la tensión combinada de gran altitud y polvo de cemento. El BIL estándar de 75 kV, suficiente a 1.000 metros en aire limpio, no podía soportar las sobretensiones transitorias cuando la densidad del aire descendía 30% y la contaminación cubría todas las superficies expuestas.
La coordinación del aislamiento evita exactamente este modo de fallo. Adapta la rigidez dieléctrica del equipo a las tensiones de tensión reales, teniendo en cuenta dónde funciona el equipo y no sólo la tensión que transporta. El BIL cuantifica la capacidad de resistencia a sobretensiones transitorias, expresada en kilovoltios pico para una forma de onda de impulso de rayo normalizada.
Tres factores dominan la selección de BIL de media tensión: la altitud (reducción de la densidad del aire), la gravedad de la contaminación (contaminación superficial) y las características del sistema de cables (adaptación de la impedancia de sobretensión). Esta guía ofrece métodos prácticos de selección para cada uno de ellos, con cálculos basados en la CEI y tablas de decisión que los ingenieros pueden aplicar directamente a las especificaciones de adquisición.
Para una comprensión básica de principios de funcionamiento de los disyuntores de vacío, el recurso enlazado cubre los mecanismos de extinción del arco y el diseño de los contactos que influyen en los requisitos de aislamiento.
El Nivel de Impulso Básico define la magnitud de la tensión de pico que los equipos eléctricos deben soportar durante los eventos de sobretensión transitoria, en particular los rayos y las sobretensiones de conmutación. Para los sistemas de media tensión de entre 3,6 kV y 36 kV, los niveles BIL suelen oscilar entre 40 kV y 170 kV, lo que representa una relación de 5:1 a 6:1 entre la tensión soportada por impulso y la tensión nominal de funcionamiento.
La física se centra en la relación tensión-tiempo durante los impulsos. Un impulso de rayo estándar alcanza su pico en 1,2 microsegundos y desciende a 50% en 50 microsegundos (la forma de onda 1,2/50 μs definida por la norma IEC 60060-1). Este rápido pico de tensión estresa el aislamiento de forma diferente a la tensión continua de frecuencia de alimentación.
Tres categorías de tensión requieren coordinación:
| Tipo de estrés | Duración | Magnitud típica | Fuente |
|---|---|---|---|
| Frecuencia de alimentación | Continuo | 1,0 × tensión nominal | Funcionamiento normal |
| Sobretensión temporal | De segundos a minutos | 1,2-1,5 × tensión nominal | Eliminación de averías, rechazo de cargas |
| Sobretensión transitoria | Microsegundos | 3-12 × tensión nominal | Rayos, conmutación |
Según la norma IEC 60071-1 (Coordinación del aislamiento-Parte 1: Definiciones, principios y reglas), los valores BIL estándar siguen una serie preferente. Para los sistemas Um = 36 kV, el BIL estándar es de 170 kV, mientras que los sistemas Um = 12 kV suelen requerir valores BIL de 75 kV o 95 kV en función de la configuración de puesta a tierra del neutro y de la gravedad de la sobretensión prevista.
La capacidad de resistencia dieléctrica depende de tres factores interconectados: la resistencia a la rotura del material aislante (normalmente 20-40 kV/mm para cables XLPE), la configuración geométrica que determina la distribución del campo eléctrico y las condiciones ambientales, incluida la presión atmosférica.
Valores BIL estándar para equipos de media tensión:
| Tensión nominal (kV) | Opciones BIL estándar (kV pico) |
|---|---|
| 3.6 | 20, 40 |
| 7.2 | 40, 60 |
| 12 | 60, 75, 95 |
| 17.5 | 75, 95 |
| 24 | 95, 125, 145 |
| 36 | 145, 170 |
La elección de una u otra opción depende del método de puesta a tierra del sistema, de la frecuencia de exposición a los rayos y, sobre todo, de los factores ambientales del emplazamiento que reducen la rigidez dieléctrica efectiva.
La densidad del aire disminuye con la elevación, reduciendo proporcionalmente la rigidez dieléctrica. A nivel del mar (1.013 hPa), el aire estándar proporciona una capacidad de aislamiento de referencia. A medida que aumenta la altitud, las moléculas se separan más y la tensión de ruptura disminuye. Los equipos con una tensión nominal de 75 kV BIL a nivel del mar pueden proporcionar sólo 60 kV BIL a 3.000 metros sin corrección.
La corrección pasa a ser obligatoria por encima de los 1.000 metros según la norma IEC 60071-2. La fórmula:
K_a = e^(H/8150)
Donde K_a es igual al factor de corrección de altitud y H representa la altitud en metros.
Factores de corrección de altitud precalculados:
| Altitud (m) | Factor de corrección K_a | Reducción efectiva del BIL |
|---|---|---|
| 1,000 | 1,00 (referencia) | 0% |
| 1,500 | 1.06 | 6% |
| 2,000 | 1.13 | 13% |
| 2,500 | 1.20 | 20% |
| 3,000 | 1.28 | 28% |
| 3,500 | 1.36 | 36% |
| 4,000 | 1.45 | 45% |
Aplicación práctica: Un VCB de 12 kV destinado a un emplazamiento de 2.500 m requiere un BIL de al menos 75 × 1,20 = 90 kV. Seleccione la siguiente clasificación estándar: 95 kV BIL.
Existen dos opciones de implementación para la compensación de altitud. En primer lugar, especificar equipos de clase BIL superior: 95 kV en lugar de 75 kV para la misma tensión nominal. En segundo lugar, solicitar distancias de fuga y separación ampliadas proporcionalmente mayores. La mayoría de los sitios Fabricantes de interruptores automáticos de vacío Ofrezca variantes adaptadas a la altitud. Especifique la altitud de instalación en los pliegos de condiciones: el reequipamiento cuesta mucho más que una especificación inicial correcta.
[Visión experta: Selección de altitud]
- Los emplazamientos por encima de 2.000 m deben pasar por defecto a la clase BIL inmediatamente superior, independientemente de los resultados de los cálculos.
- Los entornos secos, de baja humedad y gran altitud experimentan una recuperación más rápida de la tensión tras descargas parciales
- Los efectos combinados de la altitud y la contaminación se agravan: aplique ambas correcciones secuencialmente.
- Solicitar certificados de pruebas de altitud del fabricante para instalaciones por encima de 3.000 m
La contaminación superficial (salpicaduras de sal, polvo de cemento, partículas industriales, productos químicos agrícolas) crea vías conductoras cuando se combina con la humedad. La norma IEC 60815 define cuatro niveles de gravedad de la contaminación en función de la exposición ambiental:
| Nivel de contaminación | Descripción | Entornos típicos |
|---|---|---|
| I - Luz | Contaminación industrial mínima, sin sal | Zonas rurales, baja densidad de tráfico |
| II - Medio | Exposición moderada a la industria o al tráfico | Zonas suburbanas, industria ligera |
| III - Pesado | Actividad industrial densa, litoral 1-10 km | Industria pesada, cerca de la costa |
| IV - Muy pesado | Polvo conductor, niebla salina directa, productos químicos | Cementeras, instalaciones costeras, procesamiento químico |
La distancia de fuga -la longitud de la trayectoria superficial entre las partes activas y el suelo- debe aumentar con la gravedad de la contaminación:
| Nivel de contaminación | Distancia mínima (mm/kV) |
|---|---|
| I - Luz | 16 |
| II - Medio | 20 |
| III - Pesado | 25 |
| IV - Muy pesado | 31 |
Ejemplo de cálculo: Un equipo de 12 kV en un entorno de Nivel III requiere una línea de fuga mínima de (12 ÷ √3) × 25 = 173 mm.
Los equipos de interior situados en salas de conmutación debidamente selladas y climatizadas suelen cumplir los requisitos para el nivel de contaminación I o II. Sin embargo, la experiencia sobre el terreno revela que los espacios interiores mal ventilados -especialmente en explotaciones mineras y cementeras- acumulan contaminación a lo largo de 5-10 años que crea rutas de rastreo en la superficie. Evalúe la calidad real del aire en lugar de asumir automáticamente que el interior está limpio.
Para selección del VCB de exterior frente al de interior, La determinación del nivel de contaminación afecta significativamente tanto al coste inicial del equipo como a la fiabilidad a largo plazo.
Los emplazamientos de gran altitud suelen coincidir con zonas muy contaminadas: explotaciones mineras a 3.500 m, fábricas de cemento en valles montañosos, instalaciones industriales remotas alejadas de la infraestructura de red. Ambos factores se combinan.
Método de aplicación secuencial:
Ejemplo trabajado: VCB exterior de 24 kV a 3.500 m de altitud en una fábrica de cemento (nivel de contaminación IV):
Matriz de decisión de selección combinada:
| Estado del emplazamiento | Acción recomendada |
|---|---|
| ≤1.000 m, Contaminación I-II | BIL estándar, línea de fuga estándar |
| 1.000-2.000 m, Contaminación I-II | Siguiente clase superior BIL |
| >2.000 m, cualquier contaminación | Calcular el K_a exacto, especificar el equipo de altitud. |
| Contaminación III-IV, cualquier altitud | Aisladores de fuga prolongada, considerar carcasa de silicona |
| Combinación de gran altitud + alta contaminación | Aplicadas ambas correcciones, se requiere consulta al fabricante |
Las carcasas aislantes de caucho de silicona superan a las de porcelana en entornos de nivel III y IV gracias a las propiedades hidrófobas de su superficie, que hacen que el agua se acumule en lugar de formar películas conductoras.
[Visión experta: Despliegue en entornos hostiles]
- Los datos de fallos de campo muestran que los efectos combinados de la altitud y la contaminación son responsables de 60%+ de los fallos de aislamiento por encima de los 2.000 m.
- Las carcasas de silicona mantienen su hidrofobicidad entre 15 y 20 años; la porcelana requiere una limpieza periódica
- Especificar el nivel de contaminación en los pliegos de condiciones: los fabricantes no pueden adivinar las condiciones del lugar.
- Las pruebas periódicas de resistencia del aislamiento (como mínimo una vez al año) detectan la degradación antes del fallo
Los cables eléctricos presentan retos de coordinación del aislamiento diferentes a los de los equipos aislados por aire. Los cables XLPE y EPR tienen mayor constante dieléctrica (ε_r ≈ 2,3-3,5), menor impedancia de sobretensión (20-50 Ω frente a los 300-400 Ω de las líneas aéreas) y un margen BIL mínimo por encima de los valores nominales.
Clasificación BIL del cable estándar:
| Tensión nominal del cable U₀/U (kV) | BIL (kV pico) |
|---|---|
| 3.6/6 | 60 |
| 6/10 | 75 |
| 8.7/15 | 95 |
| 12/20 | 125 |
| 18/30 | 170 |
Cuando las ondas viajeras encuentran una discontinuidad de impedancia -unión de cable a línea aérea, terminación de cable abierta- se produce una reflexión de tensión. En un extremo abierto, la tensión puede teóricamente duplicarse. Las terminaciones de los cables y los equipos de conmutación conectados a los cables experimentan mayores tensiones transitorias que los equipos de los sistemas de líneas aéreas.
Estrategias de protección:
Los tramos de cable cortos (200 m) requieren un análisis de parámetros distribuidos para la coordinación de sobretensiones. En las redes de distribución subterráneas con tramos mixtos de cable y aéreos, coloque descargadores de sobretensiones en todos los cruces de cables.
El Lista de verificación de solicitud de presupuesto de VCB incluye requisitos de coordinación de cables que los especialistas en adquisiciones deben verificar antes de finalizar las especificaciones.
Paso 1: Determinar la clase de tensión del sistema
Identificar la tensión máxima del sistema (U_m) según las normas de la red local y la ubicación de los equipos dentro de la red.
Paso 2: Seleccionar el BIL Base
Elija el BIL estándar de las tablas IEC 60071-1 para la clase de tensión. Los sistemas con conexión a tierra efectiva permiten BIL más bajos; los sistemas sin conexión a tierra o con conexión a tierra por resistencia requieren valores nominales más altos.
Paso 3: Calcular la corrección de altitud
Aplique K_a = e^(H/8150) para instalaciones por encima de 1.000 m. Redondee al siguiente valor BIL estándar.
Paso 4: Determinar la gravedad de la contaminación
Evalúe el entorno del emplazamiento utilizando los criterios de la norma IEC 60815. En caso de duda, seleccione un nivel superior al de la evaluación inicial.
Paso 5: Cálculo de las distancias mínimas
Multiplique la tensión de fase a tierra por el factor de fuga para el nivel de contaminación.
Paso 6: Trazar la cadena de coordinación del equipo
Verificar los valores BIL a través de: Transformador (más alto) → Aparamenta (intermedio) → Cables (protegidos por descargadores) → Descargadores de sobretensiones (nivel de protección por debajo del BIL de todos los equipos).
Paso 7: Especificación de los niveles de protección del descargador de sobretensiones
La tensión residual del pararrayos debe permanecer 15-20% por debajo del BIL del equipo protegido bajo la máxima corriente de descarga.
Paso 8: Documentar las especificaciones completas
Incluir la altitud, el nivel de contaminación, el BIL requerido, la distancia de fuga y la coordinación del descargador en los documentos de contratación.
El cálculo del margen de protección es el siguiente Margen (%) = [(BILequipo - Vnivel de protección) ÷ Vnivel de protección] × 100. Para la protección contra impulsos de rayo, la norma IEC 60071-2 recomienda márgenes mínimos de 15-25% en función de la criticidad de la instalación y de los factores de corrección de altitud.
Patrón de fallo 1: subestimación de la altitud
Los equipos especificados para funcionar a nivel del mar fallan en minas o instalaciones de montaña a gran altitud. La reducción del BIL del 28% a 3.000 m supera los márgenes de diseño estándar. El flameo de conmutación se produce durante el funcionamiento normal, no sólo en condiciones de fallo.
Prevención: Documente siempre la altitud de la instalación en las especificaciones de compra. Solicite equipos con clasificación de altitud o la clase BIL inmediatamente superior.
Patrón de fallo 2: fluencia por contaminación
Los supuestos de salas limpias para conmutadores de interior ignoran la realidad de la ventilación. La infiltración de polvo a lo largo de 5-10 años crea trayectorias de rastreo en la superficie que aparecen repentinamente tras eventos prolongados de lluvia o humedad.
Prevención: Realizar pruebas anuales de resistencia del aislamiento. Establecer programas de limpieza para entornos polvorientos. Considerar diseños de aparamenta sellada para ubicaciones de Nivel III+.
Patrón de fallo 3: descuido en la terminación del cable
Se instalan descargadores de sobretensiones en los terminales del transformador, pero faltan en los empalmes entre cables y conmutadores. La terminación del cable -el aislamiento más débil- falla durante los transitorios de conmutación y no durante los rayos.
Prevención: Instale descargadores de sobretensión en cada terminación de cable. Verifique que la energía nominal del descargador coincida con la carga de sobretensión prevista.
Lista de verificación de la puesta en servicio:
Una coordinación adecuada del aislamiento traduce la realidad medioambiental en especificaciones de los equipos. La selección del BIL sin corrección de altitud garantiza un posible fallo en altura. Ignorar la gravedad de la contaminación invita al rastreo de la superficie y al flameo. Ignorar las características de la impedancia de sobretensión de los cables hace que las terminaciones sean vulnerables.
Elementos críticos de las especificaciones de los pliegos de condiciones:
Normas de referencia: IEC 60071-1/2 (coordinación del aislamiento), IEC 60815 (clasificación de la contaminación), IEC 62271-1 (aparamenta de alta tensión), IEEE C62.82.1 (aplicaciones norteamericanas).
El asesoramiento del fabricante es importante para los lugares difíciles. Los valores nominales de altitud personalizados, las opciones de líneas de fuga ampliadas y las mejoras de las carcasas de silicona requieren un soporte de ingeniería de aplicaciones que va más allá de las ofertas estándar del catálogo.
XBRELE ofrece disyuntores de vacío con clasificación de altitud probados hasta 4.000 m de altitud, diseños resistentes a la contaminación con carcasas de silicona para entornos de Nivel IV y asistencia en especificaciones técnicas para requisitos complejos de coordinación de aislamiento. Póngase en contacto con nuestro equipo de ingeniería para la revisión de la coordinación del aislamiento en su próximo proyecto de media tensión.
Referencia externa: Norma de coordinación de aislamiento IEC 60071-1 - Documentación técnica oficial de la Comisión Electrotécnica Internacional.
P: ¿Cuál es la diferencia entre el BIL y la tensión soportada de frecuencia de potencia?
R: El BIL mide la resistencia a las sobretensiones transitorias rápidas que duran microsegundos, mientras que la resistencia a la frecuencia de alimentación prueba la tensión sostenida a 50/60 Hz durante un minuto; los equipos deben superar ambas pruebas, ya que cada una evalúa mecanismos de fallo del aislamiento diferentes.
P: ¿A partir de qué altitud es obligatorio reducir el aislamiento?
R: Las normas IEC exigen una corrección por altitud por encima de los 1.000 metros; a 2.000 m, el factor de corrección alcanza 1,13, lo que significa que los equipos necesitan aproximadamente 13% más de BIL que los valores nominales a nivel del mar para mantener una protección equivalente.
P: ¿Pueden los equipos de conmutación de interior ignorar los requisitos de nivel de contaminación?
R: No de forma fiable: los espacios interiores mal ventilados, especialmente en instalaciones industriales que manipulan polvos o situadas cerca de zonas costeras, pueden acumular contaminación a lo largo de los años que crea rutas de rastreo en condiciones de alta humedad.
P: ¿Cómo puedo determinar el nivel de contaminación adecuado para mi lugar de instalación?
A: Evaluar la proximidad a las fuentes de contaminación (distancia a la costa, emisiones industriales, actividad agrícola), los patrones climáticos locales (humedad, frecuencia de las precipitaciones) y los datos históricos de contaminación de las instalaciones cercanas; cuando la evaluación sea incierta, seleccionar un nivel superior a la estimación inicial.
P: ¿Por qué fallan las terminaciones de los cables con más frecuencia que otros puntos de aislamiento?
R: Las terminaciones de los cables experimentan una duplicación de la tensión debido a la reflexión de las sobretensiones en los desajustes de impedancia entre el cable (20-50 Ω) y el equipo conectado (300+ Ω), lo que los convierte en el enlace coordinado más débil a menos que estén protegidos por descargadores de sobretensiones con la capacidad adecuada.
P: ¿Debo especificar equipos con clasificación de altitud o utilizar líneas de fuga ampliadas para emplazamientos a gran altitud?
R: Por encima de los 2.000 m se suelen preferir los equipos con clasificación de altitud y clase BIL superior, ya que abordan simultáneamente el aislamiento interno y externo; la línea de fuga ampliada por sí sola sólo mejora el rendimiento de la superficie externa, dejando inalterados los márgenes de aislamiento interno.
P: ¿Con qué frecuencia debe probarse la resistencia del aislamiento en entornos difíciles?
R: Las pruebas anuales representan la práctica mínima para los entornos de nivel de contaminación III y IV, y se recomiendan pruebas trimestrales para plantas cementeras, instalaciones costeras y otros lugares donde la contaminación se acumula rápidamente entre ciclos de limpieza.
