La distribución de campo eléctrico en equipo de alta tensión es un aspecto importante para el diseño eléctrico. El análisis de la distribución de campo eléctrico normalmente se realiza mediante paquetes de cómputo especializados. De esta manera es posible simular los problemas registrados en equipos eléctricos, mediante la generación de modelos precisos de una manera efectiva y eficiente.

En apartarrayos de óxidos metálicos, la distribución de campo eléctrico puede exceder los valores críticos de inicio de actividad eléctrica. Esta actividad eléctrica puede degradar el material o elevar la temperatura del equipo, provocando degradación prematura de su envolvente, con su respectivo costo de mantenimiento, el reemplazo frecuente o en su defecto la falla con sus respectivos costos inherentes provocados en el sistema. La solución a estos problemas es la instalación externa de anillos equipotenciales que ayuden a uniformizar la distribución del campo eléctrico, lo cual reduce los gradientes eléctricos y, por consecuencia, se reduce la actividad eléctrica significativamente (ionización del aire y generación de ozono).

Para el cálculo de la distribución y gradientes de campo eléctrico se utilizó el paquete “CALIIE_2D”, desarrollado por el Instituto de Investigaciones Eléctricas “IIE” (Actualmente, Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias “INEEL”), que calcula el campo electromagnético en 2 dimensiones. El paquete determina los valores de potencial sobre alguna región cerrada (malla bidimensional) formada por elementos triangulares. La solución se obtiene al resolver las ecuaciones de Maxwell mediante el método de elemento finito.

El paquete permite analizar problemas o modelos con simetría axial o traslacional, permitiendo así incorporar un comportamiento bidimesional de los campos electromagnéticos. Una vez determinado el potencial en el área cerrada, es decir, en todos los nodos de los triángulos que forman la malla cerrada que representa el problema o el modelo bajo análisis, los parámetros eléctricos de interés, cómo es en este caso los gradientes eléctricos o el negativo de la intensidad de campo eléctrico, son calculados con un algoritmo que permite realizar operaciones básicas del cálculo vectorial.

La validación del paquete CALIIE_2D para el cálculo de la distribución del campo eléctrico en apartarrayos de alta tensión. La demostración de la validez se realizó con base en el modelo de la norma IEC-60099-4 del Anexo F, con porcentajes de diferencia entre 4.6% y 8.6 %, con respecto a los indicados en la norma antes mencionada, lo cual es aceptable para la simulación de modelos.

Procedimiento para el diseño óptimo del anillo equipotencial

El diseño de los anillos equipotenciales para un apartarrayos clase 230 kV considerado en este estudio, se realiza con base en la optimización de los tres parámetros claves del anillo equipotencial que influyen directamente en la distribución del campo eléctrico alrededor del apartarrayos. Estos parámetros clave son la posición, el radio externo y el diámetro de tubo del anillo.

La optimización se lleva a cabo mediante el análisis del comportamiento de la distribución de campo eléctrico simulada mediante el paquete CALLIE_2D para cada parámetro del anillo de manera independiente. Es decir, el efecto de la variación de un parámetro en la distribución de campo eléctrico, se simula manteniendo los otros 2 parámetros constantes. Se considera caso óptimo si la intensidad de campo eléctrico (magnitud negativa de gradiente eléctrico) no es más de 25 kV/cm en la superficie del anillo equipotencial y el menor valor no más de 4.5 kV/cm en la superficie de la envolvente del apartarrayos.

El procedimiento para determinar los parámetros óptimos del anillo equipotencial consiste en realizar diferentes simulaciones de la distribución del campo eléctrico para cada uno de los parámetros claves del anillo en el siguiente orden:

a) Sin considerar anillo equipotencial. Punto de referencia para conocer los máximos gradientes eléctricos sobre la superficie del aislamiento del equipo.

b) Efecto de la posición del anillo equipotencial. La posición, en cada simulación, se modifica sobre el eje vertical del apartarrayos, manteniendo constante el radio externo y diámetro del anillo. Se considera como posición óptima la que genera el menor valor de intensidad de campo eléctrico en la superficie de la envolvente del apartarrayos y el valor de intensidad de campo eléctrico en la superficie del anillo es menor al valor definido como límite (25 kV/mm).

c) Efecto del radio externo del anillo equipotencial. El radio externo, en cada simulación, se modifica sobre el eje horizontal, manteniendo constante la posición y diámetro del anillo. En este caso para la posición se considera el valor determinado en el inciso anterior (b). Se toma como radio externo óptimo el que genera el menor valor de intensidad de campo eléctrico en la superficie de la envolvente del apartarrayos y el valor de intensidad de campo eléctrico en la superficie del anillo es menor al valor definido como límite (25 kV/cm).

d) Efecto del diámetro del tubo del anillo equipotencial. El del diámetro del tubo, en cada simulación, se modifica para diferentes valores, manteniendo constante la posición y diámetro del anillo. En este caso los valores de posición y del radio externo del anillo que se consideran son los determinados como óptimos en los dos incisos anteriores (c y d). El diámetro del tubo óptimo es el que genera el menor valor de intensidad de campo eléctrico en la superficie de la envolvente del apartarrayos y el valor de intensidad de campo eléctrico en la superficie del anillo es menor al valor definido como límite (25 kV/cm).

Participe en el CONGRESO MUNDIAL INMR 2025 en Panamá. El investigador experto, Ramiro Hernández Corona del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias presenta una propuesta de procedimiento para el diseño óptimo de anillos equipotenciales para apartarrayos poliméricos tipo subestación con base en simulaciones de distribución de campo eléctrico en un apartarrayos clase 230 kV. El procedimiento consiste en determinar, primeramente, el valor óptimo de posición del anillo equipotencial, posteriormente; el del radio externo y; finalmente, optimizando el diámetro del tubo del anillo; todo, en función de los valores de intensidad de campo eléctrico aceptables para minimizar la actividad eléctrica que provoque degradación de la envolvente aislante del apartarrayos, además de disminuir el riesgo de ionización del aire y la consecuente generación de ozono.