En qué se equivocan los ingenieros con la tecnología de blindaje de superficies

Introducción

La tecnología de apantallamiento superficial en aparamenta de aislamiento sólido es uno de los elementos de diseño más importantes y menos comprendidos en la ingeniería de subestaciones de media tensión: una pantalla semiconductora o metálica conectada a tierra aplicada a la superficie exterior de la subestación. resina epoxídica¹ barra colectora encapsulada y módulo de conmutación que controla la distribución del campo eléctrico² en el límite del aislamiento sólido y proporciona la superficie exterior a prueba de contacto y de tensión cero que hace que la aparamenta SIS sea fundamentalmente diferente de cualquier otra tecnología de aparamenta de media tensión en términos de seguridad del personal. Sin embargo, en las especificaciones de proyectos, guías de selección y evaluaciones de adquisición revisadas en cientos de proyectos de actualización de subestaciones, aparece repetidamente el mismo grupo de conceptos erróneos de ingeniería sobre el apantallamiento superficial - conceptos erróneos que producen especificaciones de aparamenta SIS incorrectas, evaluaciones de seguridad inadecuadas e instalaciones de campo en las que el sistema de apantallamiento superficial se ha visto comprometido por errores de instalación que eliminan los beneficios de seguridad y rendimiento de aislamiento para los que se diseñó la tecnología. Lo que los ingenieros se equivocan más a menudo sobre el apantallamiento superficial de los conmutadores SIS es tratar la pantalla exterior conectada a tierra como un revestimiento mecánico pasivo en lugar de como un sistema activo de control del campo eléctrico cuya integridad, continuidad y correcta conexión a tierra son tan críticas para el rendimiento dieléctrico del conmutador y la seguridad del personal como el propio aislamiento primario. Para ingenieros de diseño de subestaciones, responsables de seguridad eléctrica y directores de compras encargados de la selección e instalación de aparamenta SIS en aplicaciones de subestaciones de alta tensión, esta guía corrige los cinco conceptos erróneos más importantes sobre la tecnología de apantallamiento superficial con la precisión técnica que rara vez proporciona la bibliografía de guías de selección.

Índice

• ¿Qué es la tecnología de apantallamiento superficial SIS y cómo controla la distribución del campo eléctrico?
• ¿Cuáles son los cinco errores de ingeniería más importantes sobre el rendimiento del apantallamiento superficial?
• ¿Cómo especificar correctamente los requisitos de apantallamiento superficial en aparamenta SIS para proyectos de subestaciones de alta tensión?
• ¿Qué errores de instalación y mantenimiento comprometen la integridad del apantallamiento superficial en servicio?

¿Qué es la tecnología de apantallamiento superficial SIS y cómo controla la distribución del campo eléctrico?

El apantallamiento superficial en los conmutadores SIS es el sistema de capas conductoras o semiconductoras aplicadas a la superficie exterior de los módulos encapsulados en resina epoxi que realiza dos funciones simultáneas e interdependientes: controla la distribución del campo eléctrico dentro del aislamiento sólido para evitar la concentración de tensiones en el límite epoxi-aire, y presenta una superficie exterior continuamente puesta a tierra que elimina la tensión acoplada capacitivamente que, de lo contrario, aparecería en la superficie exterior de un módulo de aislamiento sólido sin apantallar a alta tensión.

El problema del campo eléctrico que resuelve el apantallamiento superficial

Sin apantallamiento superficial, la superficie exterior de un módulo de aislamiento sólido de resina epoxi a 24 kV transportaría una tensión superficial acoplada capacitivamente determinada por el divisor de tensión capacitivo formado entre el conductor de alta tensión y la envolvente de la aparamenta puesta a tierra:

$U_{superficie} = U_{fase} \veces \frac{C_{superficie_del_conductor}}{C_{superficie_del_conductor}} + C_{superficie-tierra}}$

Para un módulo epoxídico de tensión de fase de 24 kV (13,9 kV) con geometría típica, esta tensión superficial acoplada capacitivamente alcanza los 2-6 kV, suficiente para producir una descarga eléctrica peligrosa al personal que toque la superficie exterior y suficiente para iniciar una descarga parcial en las irregularidades de la superficie donde el campo eléctrico local supere la tensión de inicio de descarga parcial del aire en la superficie epoxídica.

Arquitectura del sistema de blindaje de superficie

El apantallamiento superficial de aparamenta SIS se aplica en dos configuraciones principales:

• Revestimiento semiconductor³ escudo: Un revestimiento epoxi o de silicona cargado de carbono aplicado a la superficie exterior del módulo encapsulado - resistividad superficial 10³-10⁶ Ω/cuadrado; proporciona un acoplamiento capacitivo continuo a tierra a través de la capa semiconductora; rentable para aplicaciones de 12-24 kV.
• Pantalla metálica: Una lámina o malla continua de cobre o aluminio incrustada o aplicada a la superficie exterior del módulo epoxi y conectada a la barra de puesta a tierra del cuadro - proporciona una puesta a tierra de impedancia cero de la superficie exterior; necesaria para 40,5 kV y superiores cuando la tensión superficial acoplada capacitivamente en un revestimiento semiconductor supera los límites de tensión de contacto segura.

Parámetros técnicos clave de los sistemas de apantallamiento superficial

Parámetro	Revestimiento semiconductor	Pantalla metálica
Resistividad superficial	10³-10⁶ Ω/cuadrado	< 0,1 Ω/cuadrado
Conexión a tierra	Capacitivo (distribuido)	Directo (adherido)
Tensión de contacto a tensión nominal	< 50 V AC (IEC 61140)	< 1 V CA
Adecuación a la clase de tensión	12-24 kV	12-40,5 kV
Sensibilidad a los daños	Abrasión - eliminación del revestimiento	Mecánica - discontinuidad de la pantalla
Conformidad con la norma IEC 62271-200	Tipo probado con revestimiento intacto	Tipo probado con pantalla adherida

Normativa de seguridad vigente

CEI 61140⁴ - Protección contra descargas eléctricas: define el límite de tensión de contacto de 50 V CA que el sistema de apantallamiento superficial debe mantener en la superficie exterior de los módulos de aparamenta SIS en todas las condiciones normales de funcionamiento. El sistema de apantallamiento superficial es el control de ingeniería que garantiza el cumplimiento de la norma IEC 61140 para aparamenta de aislamiento sólido; sin él, las superficies exteriores de la aparamenta SIS no son seguras al tacto con valores nominales de tensión media.

¿Cuáles son los cinco errores de ingeniería más importantes sobre el rendimiento del apantallamiento superficial?

Estos cinco conceptos erróneos aparecen en las especificaciones de los proyectos, en los procedimientos de instalación y en los registros de mantenimiento de los proyectos de subestaciones de todos los países, y cada uno de ellos produce un modo de fallo específico y predecible que se habría evitado si se hubiera comprendido correctamente la tecnología de apantallamiento superficial.

Idea errónea 1 - “El protector de superficie es sólo una capa de pintura”

El concepto erróneo más generalizado considera el apantallamiento superficial semiconductor o metálico como un revestimiento protector cosmético o mecánico -equivalente a la pintura de la caja de un cuadro eléctrico- en lugar de como un componente eléctrico funcional cuya integridad es tan crítica como la del aislamiento primario.

La consecuencia: El personal de mantenimiento lija, desbasta o aplica pintura de retoque no conductora en las zonas dañadas del revestimiento semiconductor durante el mantenimiento rutinario - creando parches sin apantallar en la superficie epoxi donde el campo eléctrico vuelve a la distribución incontrolada, la tensión de campo local supera el descarga parcial⁵ y la actividad de descarga parcial se inicia en el límite del parche. Un parche sin apantallar de 50 mm² en la superficie de un módulo SIS de 24 kV produce una tensión de campo eléctrico local de 4-8 kV/mm en el borde del parche, muy por encima del umbral de inicio de DP de 1-2 kV/mm para el aire en la superficie de epoxi.

Concepto erróneo 2 - “La puesta a tierra de apantallamiento superficial es opcional para las clases de baja tensión”

Algunos ingenieros especifican aparamenta SIS a 12 kV sin requerir que la conexión a tierra de apantallamiento de superficie se realice a la barra de tierra de la aparamenta, razonando que la clase de tensión más baja produce una tensión de superficie acoplada capacitivamente más baja que es “probablemente lo suficientemente segura”.”

La consecuencia: La norma IEC 61140 no contempla una exención por clase de tensión para los límites de tensión táctil: el límite es de 50 V CA, independientemente de la tensión del sistema. Un módulo SIS de 12 kV con un apantallamiento de revestimiento semiconductor no conectado soporta una tensión superficial de 0,8-2,5 kV en condiciones normales de funcionamiento, lo que equivale a 16-50 veces el límite de tensión de contacto de la norma IEC 61140. La evaluación de “probablemente suficientemente seguro” no es un cálculo de ingeniería; es una suposición que elimina la función principal de seguridad del personal del sistema de blindaje de superficie.

Concepto erróneo 3 - “Una pantalla metálica discontinua sigue proporcionando un apantallamiento adecuado”

Los ingenieros que especifican aparamenta SIS de pantalla metálica a 40,5 kV a veces aceptan huecos de continuidad de pantalla - en uniones de módulos, puntos de entrada de cables o lugares con daños mecánicos - basándose en que la pantalla cubre “la mayor parte” de la superficie y proporciona “la mayor parte” del beneficio de apantallamiento.

La consecuencia: El apantallamiento del campo eléctrico no es una función proporcional de la cobertura de la pantalla: un hueco de 10 mm en una pantalla metálica continua concentra todo el campo eléctrico no apantallado en el lugar del hueco. La tensión de campo en un hueco de pantalla en un módulo SIS de 40,5 kV alcanza 15-25 kV/mm, suficiente para iniciar una descarga parcial en el aire en el hueco que erosiona la superficie de epoxi y progresa a un fallo de seguimiento en 500-2.000 horas de funcionamiento.

El caso de un cliente: Un ingeniero de diseño de subestaciones de un contratista EPC de Jiangsu, China, se puso en contacto con Bepto después de que un panel de conmutación SIS de 35 kV presentara una marca de seguimiento visible en la superficie del módulo de barras colectoras encapsuladas a los 8 meses de la puesta en servicio. La inspección posterior al fallo identificó un hueco de continuidad de pantalla de 15 mm en la unión entre dos secciones de barras colectoras encapsuladas; el hueco se había creado durante la instalación cuando el equipo de instalación omitió la cinta de unión de pantalla en la unión del módulo. El canal de seguimiento había avanzado 35 mm desde el borde del hueco hacia la terminación del cable. El equipo técnico de Bepto especificó el procedimiento correcto de unión de la continuidad de la pantalla y suministró cinta de unión de repuesto y adhesivo conductor para la reparación. La instalación reparada ha funcionado sin recurrencia durante 30 meses.

Error 4 - “El apantallamiento superficial elimina la necesidad de pruebas de descarga parcial”

Algunas especificaciones de adquisición de aparamenta SIS omiten la prueba de puesta en servicio de descargas parciales basándose en que el sistema de apantallamiento superficial “evita las descargas parciales”, confundiendo la función de apantallamiento superficial (control de la distribución externa del campo) con la función de aislamiento primario (evitar las descargas parciales internas dentro de la fundición epoxi).

La consecuencia: El apantallamiento superficial controla el campo eléctrico en el límite epoxi-aire, pero no impide la descarga parcial dentro de huecos, delaminaciones o inclusiones en el interior de la fundición epoxi. La descarga parcial interna en la aparamenta SIS no es detectable mediante inspección visual y no se evita mediante la integridad del apantallamiento superficial; para detectarla se requiere una medición de descarga parcial IEC 60270 a 1,5× U0. Si se omiten las pruebas de puesta en servicio de descargas parciales basándose en la presencia de blindaje superficial, no se detectan los defectos internos de la fundición.

Error 5 - “Todos los sistemas de apantallamiento superficial de aparamenta SIS son equivalentes”

Los ingenieros que seleccionan entre productos de conmutación SIS de diferentes fabricantes a veces tratan el apantallamiento superficial como una característica estandarizada, asumiendo que cualquier producto etiquetado como “SIS” con “apantallamiento superficial” proporciona un control de campo eléctrico y un rendimiento de seguridad táctil equivalentes.

La consecuencia: El diseño del sistema de apantallamiento de la superficie, la especificación del material y la verificación de los ensayos de tipo IEC varían significativamente de un fabricante a otro: un revestimiento semiconductor con una resistividad superficial de 10⁷ Ω/cuadrado (límite superior del rango aceptable) proporciona un control del campo sustancialmente menor que un revestimiento a 10³ Ω/cuadrado, y una pantalla metálica con unión discontinua en las juntas de los módulos proporciona una protección sustancialmente menor que una pantalla con unión continua. Sin exigir al fabricante que proporcione el informe de ensayo de tipo IEC 62271-200 que incluya la medición de la tensión superficial con el sistema de apantallamiento instalado, la especificación no puede verificar que el producto ofrezca conformidad con la tensión táctil IEC 61140.

¿Cómo especificar correctamente los requisitos de apantallamiento superficial en aparamenta SIS para proyectos de subestaciones de alta tensión?

Paso 1: Definir los requisitos eléctricos y de seguridad

Establecer los parámetros de especificación del apantallamiento superficial a partir de los requisitos eléctricos y de seguridad del proyecto:

• Tensión del sistema: Determina el tipo de apantallamiento mínimo: revestimiento semiconductor aceptable a 12-24 kV; pantalla metálica necesaria a 40,5 kV.
• Límite de tensión táctil: Especifique el cumplimiento de la norma IEC 61140: 50 V CA como máximo en cualquier superficie exterior accesible a la tensión nominal de funcionamiento.
• Frecuencia de acceso del personal: El acceso de personal de alta frecuencia (rutas de inspección diarias adyacentes a módulos SIS bajo tensión) requiere un apantallamiento de pantalla metálica en todas las clases de tensión: la conexión a tierra de menor impedancia proporciona un mayor margen de seguridad que el revestimiento semiconductor.

Paso 2: Considerar las condiciones ambientales de la subestación

• Subestación interior climatizada: Apantallamiento del revestimiento semiconductor aceptable: la temperatura y la humedad estables evitan la degradación del revestimiento
• Subestación al aire libre o en un entorno no controlado: Especificación de blindaje de pantalla metálica: la radiación UV, los ciclos térmicos y la humedad degradan los revestimientos semiconductores más rápidamente que las pantallas metálicas.
• Subestación de alta contaminación (SPS Clase III/IV): Pantalla metálica con juntas de módulo selladas: evita que la contaminación conductiva puentee los huecos de la pantalla en las interfaces de los módulos.

Paso 3: Correspondencia entre normas y certificaciones

Exigir las siguientes verificaciones para cada producto de aparamenta SIS presentado a evaluación:

Requisito de certificación	Cláusula de especificación	Documento de verificación
Ensayo de tipo IEC 62271-200	Ensayo de tipo completo, incluida la medición de la tensión superficial	Informe de ensayo original, no certificado recapitulativo
Conformidad con la tensión de contacto IEC 61140	Tensión superficial ≤ 50 V CA a tensión nominal.	Datos de medición en el informe de ensayo de tipo
Resistividad del revestimiento semiconductor	10³-10⁶ Ω/cuadrado	Certificado de ensayo de materiales del fabricante
Continuidad de la pantalla metálica	Discontinuidad cero en las juntas de los módulos	Registro de inspección en fábrica
Prueba de descarga parcial	< 10 pC a 1,5× U0	Informe de ensayo IEC 60270

Escenarios de sub-aplicación

• Subestación de distribución urbana: SIS de pantalla metálica: alta frecuencia de acceso de personal; tamaño compacto crítico; seguridad táctil innegociable en instalaciones adyacentes al público.
• Subestación de planta industrial: Revestimiento semiconductor SIS a 12-24 kV - acceso controlado; entorno interior estable; coste optimizado para un gran número de paneles
• Subestación colectora de energías renovables: Pantalla metálica SIS a 35 kV - instalación en exteriores o semiexteriores; largos intervalos de mantenimiento; durabilidad de la pantalla más de 25 años de vida útil
• Subestación de gran altitud (> 1.000 m): Pantalla metálica SIS: la densidad de aire reducida aumenta el riesgo de descarga parcial superficial en las discontinuidades del revestimiento; la pantalla metálica elimina la iniciación de descarga parcial por entrehierro en la superficie.

¿Qué errores de instalación y mantenimiento comprometen la integridad del apantallamiento superficial en servicio?

Pasos de instalación y mantenimiento

1. Inspección de la integridad del blindaje previa a la instalación: Inspeccionar todas las superficies de los módulos encapsulados en busca de daños en el revestimiento o discontinuidades en la pantalla antes de la instalación - rechazar cualquier módulo con abrasión visible del revestimiento > 25 mm² o separación de la pantalla > 5 mm; documentar los resultados de la inspección con fotografías.
2. Pegado de pantallas en las juntas de los módulos: Aplique cinta adhesiva conductora especificada por el fabricante en todas las uniones entre módulos: compruebe que el solapamiento de la cinta sea ≥ 50 mm a cada lado de la unión; mida la resistencia de la unión < 1 Ω con un óhmetro calibrado de baja resistencia antes del montaje del panel.
3. Verificación de la conexión a tierra: Confirmar que la conexión a tierra de apantallamiento superficial a la barra de tierra de la aparamenta se realiza con el conductor especificado por el fabricante y se aprieta al valor especificado - medir la resistencia de la conexión a tierra < 0,5 Ω; registrar en el registro de puesta en servicio de la instalación.
4. Medición de la tensión táctil en la puesta en servicio: Medir la tensión superficial en todas las superficies encapsuladas accesibles del módulo con un voltímetro de alta impedancia a la tensión nominal de funcionamiento - confirmar < 50 V CA en todas las superficies; cualquier superficie que supere los 50 V CA requiere una investigación inmediata de la continuidad del apantallamiento y de la conexión a tierra antes de permitir el acceso del personal.

Errores comunes que hay que eliminar

• Error 1 - Reparación del revestimiento semiconductor dañado con pintura no conductora o masilla epoxi: Cualquier material de reparación que se aplique a una zona de revestimiento dañada debe tener una resistividad superficial dentro del intervalo de especificación de 10³-10⁶ Ω/cuadrado - utilice únicamente el compuesto de reparación conductor suministrado por el fabricante; la reparación no conductora crea un parche no apantallado que inicia la EP.
• Error 2 - Omisión de la cinta adhesiva de pantalla en las juntas de los módulos durante la instalación: La cinta adhesiva de unión de módulos no es un accesorio opcional: es el elemento de continuidad que evita el modo de fallo de DP de separación de pantallas; su omisión es el error de instalación más común que produce fallos de seguimiento de superficie de conmutadores SIS en los primeros años de vida.
• Error 3 - Realización de la medición de la tensión de contacto con un multímetro estándar: Los multímetros estándar tienen una impedancia de entrada de 10 MΩ - insuficiente para medir con precisión la tensión superficial acoplada capacitivamente en un blindaje de revestimiento semiconductor; utilice un voltímetro electrostático de alta impedancia (> 1 GΩ de impedancia de entrada) para medir la tensión táctil en módulos blindados de revestimiento semiconductor.

El caso de un segundo cliente: Un responsable de compras de un operador regional de redes eléctricas en Shandong, China, se puso en contacto con Bepto para evaluar dos propuestas competidoras de aparamenta SIS para la mejora de una subestación de distribución urbana de 10 kV - ambos productos estaban etiquetados como “SIS con blindaje superficial” en los materiales de marketing del fabricante. La evaluación de Bepto solicitó los informes de ensayo de tipo IEC 62271-200 para ambos productos y descubrió que el informe de uno de los fabricantes incluía datos de medición de tensión superficial que confirmaban 38 V CA a la tensión nominal - conforme a IEC 61140. El informe del segundo fabricante no contenía datos de medición de la tensión superficial: el ensayo de tipo se había realizado sin la conexión a tierra del apantallamiento superficial, por lo que no se había verificado el rendimiento de la seguridad táctil. Bepto recomendó el producto certificado; el operador de la red adoptó el requisito de medición de la tensión superficial IEC 61140 como cláusula de especificación de adquisición obligatoria para todas las futuras compras de aparamenta SIS.

Conclusión

La tecnología de apantallamiento superficial en aparamenta SIS no es un revestimiento pasivo, sino un sistema activo de control del campo eléctrico cuya integridad, continuidad y correcta conexión a tierra determinan tanto la fiabilidad dieléctrica del aislamiento sólido como la seguridad táctil de la aparamenta para todas las personas que trabajan en la subestación. Los cinco conceptos erróneos que se corrigen en esta guía - tratar el apantallamiento como algo cosmético, omitir la puesta a tierra en las clases de tensión más bajas, aceptar discontinuidades en la pantalla, sustituir el apantallamiento por pruebas de descargas parciales y asumir que todos los sistemas de apantallamiento SIS son equivalentes - producen fallos específicos y evitables que la especificación y la disciplina de instalación correctas eliminan. Exija informes de pruebas de tipo IEC 62271-200 con datos de medición de tensión superficial que confirmen el cumplimiento de la norma IEC 61140, especifique el blindaje de pantalla metálica para aplicaciones de 40,5 kV y alta frecuencia de acceso, exija la instalación de cinta de unión de pantalla en cada unión de módulo, verifique la resistencia de la conexión a tierra en la puesta en servicio y mida la tensión de contacto en cada superficie accesible antes de permitir el acceso del personal, porque el sistema de blindaje de superficie que se especifica correctamente, se instala completamente y se verifica en la puesta en servicio es el sistema que proporciona el rendimiento de seguridad de la subestación de alta tensión para el que se diseñó la aparamenta SIS.

Preguntas frecuentes sobre la tecnología de apantallamiento superficial de aparamenta SIS

1. Comprender las características dieléctricas y mecánicas de la resina moldeada utilizada en los módulos SIS. ↩

2. Descubra cómo los blindajes de puesta a tierra controlan la concentración de tensión eléctrica en el límite del aislamiento. ↩

3. Explore los requisitos de resistencia eléctrica para un control de campo eficaz en aplicaciones de media tensión. ↩

4. Acceda a la norma internacional de seguridad para la protección contra descargas eléctricas en instalaciones eléctricas. ↩

5. Investigue los niveles de tensión a los que comienza la descomposición eléctrica localizada en entornos gaseosos. ↩