Diseños cerrados frente a diseños al aire libre: Comparación de la fiabilidad de los PEB de exterior

Introducción

La elección entre un diseño de interruptor-seccionador exterior cerrado o al aire libre es una de las decisiones de fiabilidad más importantes en la planificación de redes de distribución de energía; sin embargo, se suele hacer basándose únicamente en el coste de capital, sin una evaluación estructurada de las condiciones ambientales, los requisitos de rendimiento del aislamiento y los aspectos económicos del mantenimiento del ciclo de vida que determinan qué diseño ofrece menores costes de mantenimiento. coste total de propiedad¹ en un horizonte de servicio de 20-25 años. Los diseños de LBS exteriores al aire libre han dominado las instalaciones de líneas de distribución durante décadas por su menor coste unitario, montaje en poste más sencillo e inspección visual directa, ventajas que son reales y significativas en entornos benignos con baja contaminación, baja humedad y exposición moderada a los rayos. Los diseños cerrados, ya sean aislados en SF6, dieléctricos sólidos o aislados por aire con carcasas selladas, conllevan una prima de coste de capital de 40-120% sobre las unidades equivalentes al aire libre, una prima que se justifica económicamente en condiciones ambientales específicas y es injustificable desde el punto de vista operativo en otras. La comparación de la fiabilidad entre los diseños de LBS cerrados y al aire libre no es un veredicto universal a favor de ninguna de las dos tecnologías, sino un análisis específico del entorno que identifica el punto de intersección en el que el mayor rendimiento de aislamiento y los menores requisitos de mantenimiento del diseño cerrado generan ahorros en el ciclo de vida que superan su sobrecoste, y las condiciones en las que la simplicidad y el menor coste del diseño al aire libre proporcionan una fiabilidad equivalente con una inversión total inferior. Para los ingenieros de distribución de energía, los gestores de activos de red y los equipos de planificación del ciclo de vida responsables de las decisiones sobre la población de LBS exteriores, esta comparación ofrece el marco técnico, los datos de rendimiento del aislamiento y el modelo de coste del ciclo de vida que convierte los datos de evaluación medioambiental en una selección de diseño defendible.

Índice

• ¿Cuáles son las diferencias fundamentales de diseño entre los PEB cerrados y al aire libre y cómo afectan al rendimiento del aislamiento?
• ¿Cómo determinan las condiciones ambientales la fiabilidad relativa de los diseños de PEB cerrados o al aire libre?
• ¿Cómo se comparan los diseños de PEB cerrados y al aire libre con las métricas críticas de fiabilidad?
• ¿Qué modelo de coste del ciclo de vida determina el punto de inflexión económico entre los PEB cerrados y al aire libre?

¿Cuáles son las diferencias fundamentales de diseño entre los PEB cerrados y al aire libre y cómo afectan al rendimiento del aislamiento?

La diferencia de fiabilidad entre los diseños de LBS cerrados y al aire libre se origina en una única decisión arquitectónica: si las partes activas -contactos, conductores y aislamiento- están separadas del entorno exterior por una carcasa sellada o expuestas a él. Todas las demás diferencias de rendimiento entre las dos familias de diseños se derivan de esta distinción fundamental.

LBS al aire libre: arquitectura y mecanismo de aislamiento

El LBS exterior al aire libre utiliza el aire atmosférico como medio de aislamiento primario entre las partes activas y entre las fases. El rendimiento de aislamiento de este diseño depende de:

• Geometría del entrehierro: La separación física entre las partes activas - fase-fase y fase-tierra - dimensionada para proporcionar la resistencia dieléctrica requerida en condiciones limpias y secas según IEC 62271-103.
• Aislador distancia de fuga²: La longitud del recorrido superficial a lo largo de los cuerpos aislantes entre las partes bajo tensión y las partes puestas a tierra - dimensionada por IEC 60815-1³ para el nivel de contaminación del entorno de la instalación
• Material aislante: Porcelana, vidrio o polímero (caucho de silicona), cada uno con diferentes características de acumulación de contaminación y propiedades de hidrofobicidad.

La vulnerabilidad fundamental: El rendimiento del aislamiento al aire libre depende de las condiciones atmosféricas en el punto de instalación: temperatura, humedad, contaminación y precipitaciones. La resistencia dieléctrica del diseño al aire libre en condiciones húmedas y contaminadas puede ser 30-70% inferior a su valor nominal limpio y seco, una reducción predecible, medible y permanente durante la vida útil del aislante a menos que se elimine físicamente la contaminación.

LBS exterior cerrado: arquitectura y mecanismo de aislamiento

El LBS exterior cerrado aísla las piezas activas del entorno exterior dentro de una carcasa sellada, utilizando uno de los tres medios de aislamiento:

Diseño cerrado con aislamiento de SF6:

• Medio aislante: Hexafluoruro de azufre gaseoso a 0,3-0,5 bar de presión manométrica
• Rigidez dieléctrica: Aproximadamente 2,5 veces la del aire a presión atmosférica - permite reducir significativamente las distancias fase-fase y fase-tierra.
• Independencia medioambiental: La rigidez dieléctrica del SF6 no se ve afectada por la humedad externa, la contaminación o las precipitaciones: el rendimiento del aislamiento es constante independientemente de las condiciones exteriores.
• Control de la presión: Requiere un sistema de supervisión de la presión del gas: la alarma de baja presión activa el mantenimiento antes de que se vea comprometido el rendimiento del aislamiento.

Diseño cerrado dieléctrico sólido:

• Medio de aislamiento: Resina epoxi fundida o polietileno reticulado (XLPE) que encapsula todas las partes activas.
• Rigidez dieléctrica: Determinada por la formulación de la resina - típicamente 15-25 kV/mm para resina epoxi.
• Independencia medioambiental: Completa - el aislamiento sólido no se ve afectado por las condiciones externas
• Limitación: El aislamiento sólido no se puede reparar - cualquier fallo dieléctrico interno requiere la sustitución completa de la unidad.

Diseño de carcasa sellada y aislada del aire:

• Medio de aislamiento: Aire seco o nitrógeno a ligera presión positiva dentro de una carcasa sellada IP65 o IP67
• Rigidez dieléctrica: Equivalente a la del aire normal, pero mantenida al rendimiento nominal mediante la exclusión de la contaminación y la humedad.
• Independencia medioambiental: Alta - la carcasa sellada impide la entrada de contaminación; la presión positiva evita la condensación de humedad
• Limitación: Debe mantenerse la integridad de la junta - la degradación de la junta de la carcasa permite la entrada de humedad que puede causar condensación en las superficies aislantes internas.

Comparación de los requisitos de rendimiento de las normas CEI

Parámetro de rendimiento	Referencia estándar	Diseño al aire libre	Diseño cerrado
Tensión soportada al impulso del rayo	IEC 62271-103 Cl. 6.2	Clasificación LIWV en condiciones limpias y secas	LIWV nominal mantenido en todas las condiciones
Frecuencia de potencia Tensión soportada	IEC 62271-103 Cl. 6.2	Derivada en condiciones de contaminación húmeda	Se mantiene en todas las condiciones
Resistir a la contaminación	IEC 60815-1	Depende de la distancia de fuga - específico del entorno	No aplicable - aislamiento no expuesto
Clase de protección IP	IEC 60529	No aplicable - diseño abierto	IP65 mínimo para diseños de carcasas estancas
Control del medio aislante	—	No es necesario	Control de la presión del SF6 necesario para el aislamiento con gas
Temperatura	IEC 62271-103 Cl. 2.1	-40°C a +40°C estándar	-40°C a +40°C; riesgo de licuefacción del SF6 por debajo de -30°C

Protección del conjunto de contactos: La diferencia del diseño secundario

Más allá del medio aislante, el diseño cerrado proporciona una segunda ventaja de fiabilidad: la protección completa del conjunto de contactos frente a la exposición ambiental. Los conjuntos de contacto LBS al aire libre están expuestos a:

• Oxidación: El recubrimiento de plata se oxida en atmósferas húmedas y contaminadas, aumentando la resistencia de contacto con el tiempo a un ritmo proporcional a la gravedad de la contaminación atmosférica.
• Corrosión: La niebla salina costera y los vapores químicos industriales atacan los materiales de los muelles de contacto y los herrajes de los terminales, acelerando su degradación mecánica.
• Crecimiento biológico: Los insectos, los pájaros y la vegetación se establecen en conjuntos de contacto al aire libre en entornos tropicales, lo que provoca contaminación del aislamiento e interferencias mecánicas.

Los diseños cerrados eliminan los tres mecanismos de exposición: la degradación de la resistencia de contacto en las unidades cerradas se debe al desgaste operativo (ciclos de conmutación) más que a la exposición ambiental, lo que produce una trayectoria de degradación más predecible y lenta.

¿Cómo determinan las condiciones ambientales la fiabilidad relativa de los diseños de PEB cerrados o al aire libre?

La ventaja relativa de fiabilidad del diseño cerrado sobre el diseño al aire libre no es constante, sino que varía en función de la gravedad del entorno. En entornos benignos, la diferencia de fiabilidad es pequeña y el sobrecoste del diseño cerrado es difícil de justificar. En entornos severos, la diferencia de fiabilidad es grande y la economía del ciclo de vida del diseño cerrado se vuelve convincente.

Factor medioambiental 1: Gravedad de la contaminación

La contaminación es el factor ambiental que más influye en la fiabilidad de los SBL al aire libre y el que más diferencia a las dos familias de diseño.

Impacto de la contaminación en el rendimiento del aislamiento LBS al aire libre:

La tensión de inflamación por contaminación húmeda de un aislante al aire libre disminuye con el aumento de ESDD (densidad de depósito de sal equivalente)⁴ de acuerdo con:

$U_{flashover_wet} = U_{flashover_dry} \times \left(\frac{ESDD_{reference}}{ESDD_{actual}}\right)^{0.22}$

Para un aislante con una tensión de arco seco de 150 kV y una ESDD de referencia de 0,01 mg/cm²:

ESDD (mg/cm²)	Tensión de Flashover húmedo (kV)	Reducción de seco
0,01 (muy leve)	150 kV	0%
0,05 (luz)	122 kV	19%
0,20 (medio)	99 kV	34%
0,50 (pesado)	85 kV	43%
1,00 (muy pesado)	73 kV	51%

El diseño cerrado es completamente inmune a este mecanismo de degradación - La contaminación de la superficie externa de la carcasa no afecta al rendimiento del aislamiento interno.

Factor medioambiental 2: Humedad y clima tropical

Una humedad ambiental elevada -definida como una humedad relativa constantemente superior a 85%- acelera tres mecanismos de degradación en los diseños de PEB al aire libre:

• Condensación en superficies aislantes: La condensación matinal en las superficies frías de los aislantes crea una película de agua conductora que reduce la tensión de flashover al nivel de contaminación húmeda incluso sin precipitaciones.
• Oxidación acelerada de la plata: La humedad elevada acelera la formación de óxido de plata en las superficies de contacto, lo que aumenta la resistencia de los contactos a un ritmo entre 3 y 5 veces mayor que en entornos de baja humedad.
• Corrosión de los materiales de los muelles: La vida a fatiga de los muelles de acero inoxidable se reduce 20-40% en entornos continuamente húmedos debido a los mecanismos de agrietamiento por corrosión bajo tensión.

Diseño cerrado inmunidad a la humedad: Los diseños cerrados con aislamiento de SF6 y dieléctricos sólidos son completamente inmunes a los efectos de la humedad sobre el rendimiento del aislamiento. Los diseños de carcasa sellada con aislamiento de aire mantienen la inmunidad a la humedad siempre que se conserve la integridad de la junta de la carcasa; la inspección de la junta es una actividad de mantenimiento crítica para esta variante de diseño en entornos tropicales.

Factor medioambiental 3: Incidencia de los rayos

Los entornos con alta densidad de relámpagos a tierra (GFD) someten a las unidades LBS exteriores a eventos de sobretensión de rayos más frecuentes, lo que aumenta la energía de sobretensión acumulada absorbida por los descargadores de sobretensión y la frecuencia de los eventos de despeje de fallas posteriores a los rayos que depositan energía de arco en el conjunto de contactos LBS.

Impacto del diseño: Tanto los diseños cerrados como los abiertos requieren descargadores de sobretensiones correctamente coordinados; el diseño cerrado no elimina la necesidad de protección externa contra sobretensiones. Sin embargo, el rendimiento de aislamiento superior del diseño cerrado proporciona un mayor margen entre el nivel de protección del descargador de sobretensiones y la tensión soportada por el impulso del rayo del equipo (LIWV), lo que significa que los errores de coordinación del descargador o la degradación del descargador que causaría el flameo del aislador al aire libre aún pueden estar dentro de la capacidad de resistencia del diseño cerrado.

La diferencia de margen cuantitativa:

Para un sistema de 12 kV con una tensión residual del descargador de sobretensión de 35 kV a una descarga de 10 kA:

• LBS LIWV al aire libre: 75 kV → margen de protección: 75 - 35 = 40 kV (margen 53%).
• SF6 cerrado LBS LIWV: 95 kV (más alto debido al aislamiento SF6) → margen de protección: 95 - 35 = 60 kV (margen 63%).

El mayor margen de protección del diseño cerrado tolera una mayor degradación del descargador antes de que se elimine el margen, lo que proporciona una ventana más larga para la intervención de mantenimiento del descargador antes de que se produzca un fallo.

Factor medioambiental 4: temperaturas extremas

Consideraciones sobre el clima frío:
El gas SF6 se licua a temperaturas inferiores a aproximadamente -30°C a una presión de llenado estándar, una limitación crítica para los diseños cerrados con aislamiento de SF6 en redes de distribución árticas o subárticas. Por debajo de la temperatura de licuefacción, la presión del gas cae y la rigidez dieléctrica de la atmósfera de SF6 disminuye. Las opciones de mitigación incluyen:

• Aumento de la presión de llenado de SF6 (aumenta la temperatura de licuefacción pero incrementa el requisito de presión nominal de la carcasa)
• Utilización de una mezcla de gas SF6/N2 (menor temperatura de licuefacción pero menor rigidez dieléctrica por unidad de presión)
• Especificación de diseño cerrado dieléctrico sólido para aplicaciones árticas: sin riesgo de licuefacción

Consideraciones sobre el clima cálido:
Las temperaturas ambiente superiores a 40 °C requieren una reducción de la corriente normal nominal de los LBS abiertos y cerrados según la norma IEC 62271-1; el factor de reducción es idéntico para ambas familias de diseño. Sin embargo, los diseños cerrados en entornos de alta temperatura ambiente deben evaluarse en función del aumento de la temperatura interna: la carcasa sellada reduce la disipación de calor en comparación con el diseño abierto, y la temperatura interna puede superar la clasificación de clase térmica del conjunto de contactos a la corriente nominal en condiciones de alta temperatura ambiente.

En caso de frío extremo, el riesgo de Licuefacción de SF6⁵ debe tenerse en cuenta en la elección del diseño para garantizar un servicio ininterrumpido.

Matriz de selección medioambiental

Tipo de entorno	Contaminación	Humedad	GFD	Diseño recomendado	Justificación
Interior rural, templado	Muy ligero	Bajo	Bajo	Al aire libre	Condiciones favorables; la ventaja del coste de capital es decisiva
Costero, tropical	Pesado-muy pesado	Alta	Moderado	Encerrado	La combinación de contaminación y humedad elimina la ventaja de la fiabilidad al aire libre
Corredor industrial	Medio-pesado	Variable	Bajo-moderado	Encerrado	La contaminación química acelera la degradación al aire libre
Desierto, árido	Ligero-medio	Muy bajo	Alta	Al aire libre (alta fuga)	La baja humedad elimina el riesgo de contaminación húmeda; la alta fuga controla el polvo
Ártico, subártico	Muy ligero	Bajo	Bajo	Cerrado dieléctrico sólido	Riesgo de licuefacción del SF6; al aire libre aceptable si las fugas son adecuadas
Selva tropical	Ligero-medio	Muy alta	Muy alta	Encerrado	Una humedad elevada continua + un GFD elevado justifican la prima cerrada

¿Cómo se comparan los diseños de PEB cerrados y al aire libre con las métricas críticas de fiabilidad?

Una vez establecida la dependencia medioambiental, la comparación de la fiabilidad en cinco parámetros críticos de rendimiento revela la magnitud cuantitativa de la diferencia de diseño y las condiciones en las que la diferencia es significativa o insignificante desde el punto de vista operativo.

Medida de fiabilidad 1: Índice de fallos imprevistos

Los datos de fiabilidad sobre el terreno de los operadores de redes de distribución en diversos entornos muestran sistemáticamente que la tasa de fallos imprevistos de los diseños LBS abiertos supera a la de los diseños cerrados en entornos severos, pero la magnitud de la diferencia varía drásticamente con la gravedad del entorno:

Medio ambiente	Tasa de fallos al aire libre (por unidad y año)	Tasa de averías cerradas (por unidad y año)	Ratio de fiabilidad
Interior rural, templado	0.008	0.006	1.3×
Costero, contaminación moderada	0.035	0.009	3.9×
Industria pesada, alta contaminación	0.078	0.011	7.1×
Tropical costero, contaminación muy fuerte	0.142	0.013	10.9×

En entornos rurales de interior benignos, la diferencia de fiabilidad entre diseños es modesta: la tasa de fallos 1,3 veces inferior del diseño cerrado no justifica una prima de coste de capital de 40-120% para la mayoría de los operadores de redes. En entornos costeros tropicales con una contaminación muy intensa, la diferencia de fiabilidad de 10,9× representa una diferencia operativa fundamental: el diseño abierto requiere un presupuesto de mantenimiento y sustitución que eclipsa la prima de coste de capital del diseño cerrado en un plazo de 5 a 7 años.

Medida de fiabilidad 2: Índice de degradación del rendimiento del aislamiento

Degradación del aislamiento por diseño al aire libre:
El rendimiento del aislamiento de las unidades LBS al aire libre se degrada continuamente desde la puesta en servicio a medida que la contaminación se acumula en las superficies aislantes. La tasa de degradación depende del entorno, pero sigue una curva de acumulación predecible:

$ESDD(t) = ESDD_{anual} \times t \times (1 - e^{-t/\tau_{saturación}})$

Dónde $ESDD_{annual}$ es la tasa anual de acumulación de contaminación y $\tau_{saturación}$ es la constante temporal de saturación de la contaminación (normalmente 3-5 años). Tras la saturación, la ESDD se estabiliza en un nivel determinado por el equilibrio entre la acumulación y el lavado natural por las precipitaciones.

Rendimiento de aislamiento de diseño cerrado:
El rendimiento del aislamiento en diseños cerrados no se degrada con la acumulación de contaminación: los mecanismos de degradación se limitan a:

• Pérdida de presión del gas SF6 (diseños SF6): detectable mediante la supervisión de la presión antes de que afecte al rendimiento.
• Degradación de la junta de la carcasa (diseños de aire sellado): detectable mediante la supervisión de la humedad interna.
• Envejecimiento del aislamiento sólido (diseños dieléctricos sólidos): extremadamente lento; insignificante a lo largo de 25 años de vida útil.

Medida de fiabilidad 3: Índice de degradación de la resistencia de contacto

La degradación de la resistencia de contacto en los diseños LBS para exteriores sigue trayectorias diferentes para las dos familias de diseños:

Trayectoria de resistencia de contacto de diseño al aire libre:

$R_{contacto}(t) = R_{puesta en servicio} \(1 + k_{env} \times t^{0,5})$

Dónde $k_{env}$ es una constante de degradación específica del entorno:

• Interior rural: $k_{\text{env}} = 0.03\,\text{year}^{0.5}$
• Costa moderada: $k_{\text{env}} = 0.08\,\text{year}^{0.5}$
• Contaminación tropical grave: $k_{\text{env}} = 0.18\,\text{year}^{0.5}$

Para un entorno costero moderado, resistencia de contacto al año 10:
$R_{contacto}(10) = R_{puesta en servicio} \(1 + 0,08 veces el cuadrado de 10) = 1,25 veces R_{puesta en servicio}.$

Trayectoria de resistencia de contacto de diseño cerrado:
La resistencia de contacto en diseños cerrados se degrada principalmente con el número de ciclos de conmutación más que con el tiempo - la tasa de degradación independiente del entorno es aproximadamente:

$R_{contacto}(N) = R_{puesta en servicio} \veces (1 + 0,0001 veces N^{0,7})$

Dónde $N$ es el número acumulado de ciclos de conmutación. Para un alimentador conmutado 50 veces al año durante 10 años (500 ciclos):
$R_{contacto}(500) = R_{puesta en servicio} \veces (1 + 0,0001 veces 500^{0,7}) = 1,04 veces R_{puesta en servicio}$

Implicaciones prácticas: En entornos costeros y tropicales, la resistencia de los contactos al aire libre alcanza el umbral de mantenimiento 150% en 5-8 años; la resistencia de los contactos cerrados alcanza el mismo umbral después de 15.000-20.000 ciclos de conmutación, un umbral al que la mayoría de los alimentadores de distribución no se acercan en una vida útil de 25 años.

Medida de fiabilidad 4: Comparación del intervalo de mantenimiento

Actividad de mantenimiento	Aire libre (benigno)	Aire libre (grave)	Cerrado (todos los entornos)
Limpieza de aislantes	Cada 5 años	Cada 6-12 meses	No es necesario
Medición de la resistencia de contacto	Cada 3 años	Cada 2 años	Cada 5 años
Inspección de la superficie de contacto	Cada 5 años	Cada 2 años	Cada 10 años
Lubricación del mecanismo de funcionamiento	Cada 5 años	Cada 3 años	Cada 10 años
Prueba de resistencia del aislamiento	Cada 5 años	Cada 3 años	Cada 10 años
Comprobación de la presión del SF6	No aplicable	No aplicable	Anual (sólo diseños SF6)
Inspección de la junta de la carcasa	No aplicable	No aplicable	Cada 5 años (diseños de aire sellado)
Sustitución completa de la unidad (prevista)	Año 15-20 (grave)	Year 8-12 (severo)	Años 20-25

Un caso de cliente que demuestra la diferencia de intervalos de mantenimiento: Un gestor de activos de red de una empresa de distribución de Filipinas que gestiona una red de líneas aéreas de 13,8 kV en un corredor industrial costero se puso en contacto con Bepto para evaluar una decisión de sustitución de flota de 340 unidades LBS de exterior al aire libre. Los registros de mantenimiento mostraban que las unidades al aire libre requerían la limpieza del aislador cada 8 meses y la intervención de la resistencia de contacto cada 18 meses, lo que generaba unos costes de mantenimiento anuales por unidad que superaban los 35% del coste de capital de la unidad original. El parque tenía una vida útil media de 11,3 años antes de ser sustituido, frente a un objetivo de diseño de 20 años. El análisis del ciclo de vida de Bepto demostró que la sustitución de la flota descubierta por unidades cerradas dieléctricas sólidas -con un sobrecoste de 75%- reduciría el coste anual de mantenimiento por unidad en 82% y alargaría la vida útil prevista a 22 años. El valor neto actual del diseño cerrado a 20 años era 31% inferior al de la alternativa al aire libre, con una tasa de descuento de 8%, a pesar del mayor coste de capital.

Medida de fiabilidad 5: Tiempo de recuperación tras un fallo

Cuando falla una unidad exterior LBS -ya sea por flameo del aislamiento, daños en el conjunto de contactos o fallo mecánico-, el tiempo de recuperación tras el fallo determina la duración de la interrupción del suministro a los clientes posteriores. Esta métrica favorece diferentes diseños en función del modo de fallo:

• Fogonazo de aislamiento (al aire libre): Si se trata de una descarga superficial sin daños físicos, la unidad puede recuperarse una vez eliminado el fallo y secada la superficie, sin necesidad de sustitución. Tiempo de recuperación: De 30 minutos a 4 horas
• Perforación del aislamiento (al aire libre o cerrado): Los daños físicos en el cuerpo del aislador requieren la sustitución de la unidad - tiempo de recuperación: 4-24 horas dependiendo de la disponibilidad y acceso a la unidad de repuesto
• Daños en el conjunto de contactos (al aire libre): Requiere sustitución de la unidad - tiempo de recuperación: 4-24 horas
• Pérdida de presión del SF6 (SF6 cerrado): Si se detecta mediante monitorización antes de que se produzca el fallo de aislamiento, la recuperación requiere la recarga de gas o la sustitución de la unidad - tiempo de recuperación: 2-8 horas con respuesta del equipo de mantenimiento
• Fallo cerrado dieléctrico sólido: Requiere la sustitución completa de la unidad - tiempo de recuperación: 4-24 horas

La ventaja clave del tiempo de recuperación de los diseños cerrados: La capacidad de monitorización de los diseños cerrados (monitorización de la presión del SF6, monitorización de la humedad interna) permite la detección previa de fallos, lo que permite una intervención de mantenimiento planificada en lugar de una sustitución de emergencia, convirtiendo las interrupciones imprevistas en interrupciones planificadas con una duración de la interrupción del servicio al cliente significativamente menor.

¿Qué modelo de coste del ciclo de vida determina el punto de inflexión económico entre los PEB cerrados y al aire libre?

El modelo de coste total de propiedad a 20 años

El punto de cruce económico -el nivel de gravedad medioambiental por encima del cual el diseño cerrado ofrece un menor coste total de propiedad a 20 años a pesar de su mayor coste de capital- viene determinado por cuatro elementos de coste:

$TCO_{20} = C_{capital} + C_{mantenimiento} + C_{reemplazo} + C_{outage}$

Dónde:

• $C_{capital}$ = coste inicial de adquisición e instalación
• $C_{mantenimiento}$ = mano de obra y materiales de mantenimiento acumulados durante 20 años
• $C_{replacement}$ = coste de las sustituciones de unidades por avería o fin de vida útil en 20 años
• $C_{outage}$ = coste de las interrupciones del suministro por averías imprevistas (indemnización a los clientes, sanciones reglamentarias, pérdida de ingresos)

Comparación del coste total de propiedad por tipo de entorno

Elemento de coste	Aire libre (benigno)	Aire libre (grave)	Encerrado (Benigno)	Cerrado (Grave)
Coste de capital (índice)	1.00	1.00	1.70	1.70
Coste de mantenimiento a 20 años	0.45	2.80	0.18	0.22
Coste de sustitución a 20 años	0.30	1.60	0.15	0.20
Coste de interrupción de 20 años	0.12	0.95	0.05	0.08
TCO a 20 años (índice)	1.87	6.35	2.08	2.20

Conclusión cruzada:

• Entorno benigno: Coste total de propiedad al aire libre (1,87) < Coste total de propiedad en recintos cerrados (2,08): el diseño al aire libre reduce el coste del ciclo de vida; no se recupera el sobrecoste del diseño en recintos cerrados.
• Ambiente severo: TCO al aire libre (6,35) >> TCO cerrado (2,20) - el diseño cerrado ofrece un coste del ciclo de vida 65% inferior; la prima del coste de capital se recupera en 4-6 años.

El umbral ambiental de cruce

El punto de inflexión, en el que el coste total de propiedad de las instalaciones cerradas y al aire libre son iguales, se produce a un coste anual de mantenimiento por unidad de aproximadamente 18-22% del coste de capital de la unidad al aire libre. Este umbral corresponde a:

• Frecuencia de limpieza de los aisladores superior a una vez cada 18 meses, o
• Frecuencia de intervención de la resistencia al contacto superior a una vez cada 24 meses, o
• Tasa de fallos no planificados superior a 0,025 fallos por unidad y año

Cualquier sección de línea de distribución en la que los registros de mantenimiento actuales muestren que se ha superado alguno de estos umbrales es un candidato económicamente justificado para la sustitución del diseño cerrado: la prima del coste de capital se recuperará en los primeros 5-7 años de la vida útil del diseño cerrado.

Integración de la mejora de la red: El diseño cerrado como factor de mejora de la red

Los proyectos de actualización de la red que aumentan la carga de la línea o amplían las líneas de distribución a entornos más severos cambian el punto de funcionamiento de cada LBS exterior en el corredor de actualización, lo que puede hacer que las unidades pasen de estar por debajo del umbral de cruce a estar por encima de él. La fiabilidad independiente del entorno del diseño cerrado lo convierte en la especificación preferida para proyectos de actualización de la red en los que:

• La carga posterior a la actualización aumenta el aumento de temperatura de los contactos, lo que reduce el margen térmico de los conjuntos de contactos al aire libre.
• La mejora de la red extiende las líneas a zonas costeras, industriales o tropicales con mayor gravedad de contaminación que la red existente.
• La automatización de la actualización de la red requiere capacidad de conmutación remota: los diseños motorizados cerrados proporcionan integración SCADA con protección de mecanismo sellado que los diseños motorizados al aire libre no pueden igualar en entornos severos.

El caso de un segundo cliente demuestra el valor de la integración de la mejora de la red. Un ingeniero de proyectos de mejora de la red de una empresa de distribución de Vietnam estaba especificando unidades LBS de exterior para una mejora de la red de 22 kV que ampliaba una línea rural interior existente 45 km hasta una zona industrial costera. El tramo rural interior (28 km) contaba con unidades LBS de exterior con una fiabilidad satisfactoria, con unos costes de mantenimiento anuales por debajo del umbral de cruce. En el nuevo tramo industrial costero (45 km) se habían medido niveles de ESDD de 0,35-0,65 mg/cm² - clasificación IEC 60815-1 de contaminación pesada. El análisis del ciclo de vida de Bepto recomendó unidades al aire libre con aisladores poliméricos de alta fluencia para el tramo rural interior (por debajo del umbral de cruce) y unidades cerradas dieléctricas sólidas para el tramo industrial costero (por encima del umbral de cruce). La especificación diferenciada añadió 18% a la partida de LBS exterior en comparación con la especificación uniforme de aire libre, y el modelo de ciclo de vida proyectó un ahorro de TCO a 20 años de 44% en la sección costera en comparación con la alternativa de aire libre, recuperando la prima de capital en 5,2 años.

Conclusión

La comparación de la fiabilidad entre los diseños de SBL de exterior cerrados y al aire libre se resuelve en un único principio rector: el sobrecoste del diseño cerrado se justifica económicamente cuando, y sólo cuando, la gravedad ambiental del lugar de instalación genera unos costes de mantenimiento y sustitución al aire libre que superan el sobrecoste en los primeros 5-7 años de servicio. En entornos interiores benignos con baja contaminación, baja humedad y exposición moderada a los rayos, el diseño al aire libre ofrece una fiabilidad equivalente a un coste total del ciclo de vida inferior, y las ventajas del diseño cerrado son reales pero insuficientes para superar su desventaja en cuanto al coste de capital. En entornos costeros, tropicales, industriales y de alta contaminación, el rendimiento del aislamiento del diseño al aire libre se degrada hasta un nivel que genera cargas de mantenimiento, tasas de fallos imprevistos y ciclos de sustitución que hacen que la prima de capital 40-120% del diseño cerrado sea una inversión económica sólida que se recupera en el primer trimestre de la vida útil del diseño. Mida la ESDD en cada lugar de instalación de LBS en exteriores antes de especificar la familia de diseño, aplique el análisis de umbral de cruce del TCO para identificar las secciones en las que el diseño cerrado está económicamente justificado, especifique diseños cerrados dieléctricos sólidos para aplicaciones árticas en las que el riesgo de licuefacción del SF6 elimine la opción con aislamiento de gas, integrar la especificación del diseño cerrado en cada proyecto de mejora de la red que extienda las líneas a zonas de mayor gravedad de contaminación, y utilizar la capacidad de supervisión del diseño cerrado para convertir las interrupciones no planificadas en intervenciones de mantenimiento planificadas: esta es la disciplina completa que adapta la selección del diseño LBS exterior a la realidad medioambiental y ofrece el coste total del ciclo de vida más bajo en todo el horizonte de servicio de distribución de energía de 20-25 años.

Preguntas frecuentes sobre la fiabilidad de los PBL cerrados o al aire libre

1. Descubra cómo los modelos de coste total de propiedad ayudan a las empresas de servicios públicos a equilibrar el gasto de capital inicial con los costes de mantenimiento y fiabilidad a largo plazo. ↩

2. Conozca los principios de ingeniería para calcular la distancia de fuga de los aisladores con el fin de evitar descargas disruptivas en entornos contaminados. ↩

3. Acceda a las directrices de las normas internacionales para seleccionar y dimensionar aisladores de alta tensión utilizados en entornos contaminados. ↩

4. Comprenda cómo los niveles de ESDD determinan la clase de contaminación y los requisitos de aislamiento de los equipos de conmutación para exteriores. ↩

5. Explore los retos técnicos de la licuefacción del gas SF6 en frío extremo y su impacto en la rigidez dieléctrica. ↩