Tensión nominal de resistencia al impulso (Uimp): Guía técnica completa

Un panel de distribución típico de 400 V opera realmente a tan solo 400 voltios. Sin embargo, cada interruptor automático instalado en dicho panel especifica valores de tensión soportada que parecen absurdamente altos: Uimp 8 kV. Ocho mil voltios, multiplicados por veinte, equivalen a un impulso de tensión de 1.2 microsegundos. No, no es un error tipográfico. Se trata, de hecho, de una construcción práctica y tangible de nuestros sistemas eléctricos: las tasas explícitas de cambio generadas por rayos y contingencias de conmutación son tan rápidas y severas que la protección eléctrica general debe ser superior a la de los niveles de operación normales, para garantizar la seguridad de las tensiones de operación de las líneas eléctricas, las redes de cables y los equipos de distribución.

La tensión nominal de resistencia al impulso (Uimp) se refiere a la resistencia eléctrica máxima que un equipo eléctrico debe soportar sin sufrir una rotura de aislamiento y, al mismo tiempo, cumplir con sus especificaciones. Permite seleccionar el equipo adecuado para cada aplicación, desde un interruptor automático de media tensión residencial de 230 V hasta un transformador submarino XLPE de 400 kV, lo que posibilita que el usuario cumpla con la definición de la norma correspondiente. En todas las categorías de pruebas dieléctricas IEC, desde los cuadros de distribución MDF hasta los puntos de empalme de cables XLPE/HV de 765 kV, los equipos deben operar con un perfil de tensión de resistencia al impulso definido. Si se especifica en el diseño eléctrico y se realizan pruebas con el nivel preciso de dicha definición, es probable que se produzcan fallos en los aparatos y equipos inmediatamente después de que la sobretensión se propague por la instalación.

Este artículo se centra en una visión técnica general: cómo las normas IEC 60060-1 e IEC 60664-1 definen las tensiones de resistencia a impulsos para las pruebas de aislamiento, cómo la IEC especifica las categorías de sobretensión y la forma de onda de prueba correlacionada, qué diferencia las pruebas de impulso de rayo de las pruebas de impulso de conmutación y cómo un circuito Marx genera una forma de onda de impulso. Destacamos las causas recientes de fallos en productos eléctricos y los procedimientos modernos de un laboratorio que cumpla con la edición 2025 de la norma IEC 60060-1.

¿Qué es la tensión nominal de resistencia al impulso (Uimp)?

Según la norma IEC 60664-1 y ciertos protocolos de aparamenta eléctrica, la tensión nominal de resistencia al impulso (Uimp) equivale al valor pico de un impulso de tensión no deseado, de forma y polaridad prescritas, que un equipo debería haber soportado sin que se produjera una falla en el aislamiento al ser probado según los métodos especificados. Cuatro palabras en esa formulación transmiten la mayor parte de las implicaciones: pico y forma prescrita.

El valor pico de Uimp se expresa en kilovoltios pico (kVp, no RMS), no en voltajes RMS. Un impulso de 8 kV significa que el objeto eléctrico debe soportar un pico instantáneo individual de 8000 voltios, abreviado y descrito de esta manera, y no en términos de voltaje RMS promedio. La diferencia es esclarecedora al citar un voltaje de resistencia a impulsos en comparación con el voltaje de operación (Ue) o el voltaje de aislamiento (Ui), ambos especificados en RMS.

La forma prescrita se refiere a la forma de onda del impulso de rayo (IEC 60060-2) especificada en 1.2 microsegundos/subida a 1.2 kV microsegundos/descenso, como la forma de onda para la prueba por. Mientras que cincuenta microsegundos/descenso a la mitad de la forma de onda de impulso completa es la forma estándar de impulso eléctrico a la que se refiere la IEC.

Por qué Uimp se sitúa muy por encima del voltaje de funcionamiento.

Uimp no es la tensión a la que normalmente opera el equipo. Las sobretensiones transitorias causadas por rayos y conmutación se producen en el pico del sistema, desde 1 μs hasta unos pocos milisegundos por debajo. Alcanzan picos muy superiores a la tensión nominal del sistema. Un circuito de 230 V sometido a una descarga eléctrica cercana puede experimentar un pico transitorio de 4 kV o más en los terminales del cuadro de distribución, casi 18 veces la tensión nominal. El aislamiento de funcionamiento normal, dimensionado para 230 V más un margen de seguridad, no está diseñado para absorber esa tensión instantánea.

La jerarquía de clasificación de tensión de la IEC lo deja claro:

• Ue- (tensión operativa nominal): la tensión normal del sistema, por ejemplo, 400 V. Esa es la tensión a la que el equipo realiza su función de conmutación nominal.
• Ui (tensión de aislamiento nominal): la referencia dieléctrica sostenida de CA, por ejemplo, 690 V. Esta es la tensión máxima que el equipo está diseñado para soportar (una tensión de referencia para pruebas de resistencia). La tensión de prueba aplicada para la prueba dieléctrica de frecuencia industrial de 60 segundos.
• Uimp (tensión nominal de resistencia al impulso): el pico transitorio que el equipo debe soportar, por ejemplo, 8 kV. Esto se valida mediante la prueba de resistencia al impulso de 1.2/50 μs.

La relación de magnitud entre Ui y Uimp no es casual. La resistencia al impulso se refiere a la capacidad de soportar el espacio libre (el entrehierro), en lugar de la capacidad de soportar el espesor del aislamiento. 3 mm de aire, que pueden soportar 690 V CA indefinidamente, podrían sufrir una descarga disruptiva a 4,000 V de pico si la geometría del entrehierro no se diseñó para soportar impulsos. Uimp describe la tensión transitoria que debe soportar la geometría. Ui describe la tensión sostenida que debe soportar el aislamiento sólido. Ninguno reemplaza al otro.

Coordinación del aislamiento: se utiliza el Uimp que coincide con la exposición transitoria del sitio de construcción, según la norma IEC 60664-1 para equipos de baja tensión y la norma IEC 60071-1 para sistemas de transmisión. Ambas normas hacen coincidir el nivel de exposición de la instalación con el Uimp necesario y luego lo verifican mediante la prueba clásica de tensión de resistencia al impulso de la norma IEC 60060-1.

IEC vs. IEEE: Uimp, BIL y las normas que rigen las pruebas de impulso

En proyectos internacionales se utilizan dos términos para describir el mismo fenómeno: U imp en las normas IEC y BIL (Nivel Básico de Impulso) en las normas IEEE/Norteamericanas. Ambos miden la capacidad de un dispositivo para soportar un impulso de rayo definido de 1.2/50 μs, disparo tras disparo. Los principios físicos fundamentales son los mismos; las diferencias radican en los procedimientos de prueba y la corrección atmosférica.

La diferencia en la temperatura de referencia del aire (20 °C para IEC frente a 30 °C para IEEE) tiene consecuencias prácticas reales. Los factores de corrección atmosférica ajustan la tensión de prueba aplicada a las condiciones estándar cuando la temperatura, la presión o la humedad del laboratorio difieren de la referencia. Los equipos validados a 20 °C pueden presentar factores de corrección ligeramente diferentes a 30 °C. Esto genera discrepancias aparentes al adquirir componentes en distintas regiones con normas diferentes. En proyectos internacionales, confirme qué norma se aplica y verifique que los informes de ensayo generados utilicen la referencia correcta.

Jerarquía de normas IEC para la tensión de resistencia al impulso

El panorama de U imp se describe mediante tres normas IEC, cada una de las cuales abarca una capa diferente del sistema:

• IEC 60664-1 (2020, Ed. 3): Coordinación de aislamiento para equipos en sistemas de baja tensión de hasta 1.000 V CA / 1500 V CC. Contiene las tablas de categorías de sobretensión que vinculan la tensión del sistema y la posición de instalación con el valor U imp requerido. Esta es la norma a la que recurre el diseñador del equipo al seleccionar U imp para un interruptor automático de caja moldeada (MCCB), un bloque de terminales o un contactor.
• IEC 60060-1 (2025, 4.ª ed.) – Técnicas de ensayo de alta tensión, Parte 1. Documenta la forma de onda de 1.2/50 μs, las tolerancias y los factores de corrección atmosférica. Establece los criterios de aprobación/rechazo para las pruebas de resistencia a impulsos en laboratorio. La cuarta edición de 2025 amplía su alcance a equipos de ultra alta tensión e incorpora explícitamente técnicas de evaluación de formas de onda digitales. Este es el documento al que recurriría un laboratorio de ensayos para establecer el procedimiento de prueba.
• IEC 62271-100 (2021) – Interruptores automáticos de CA. Define las tensiones nominales de resistencia al impulso de rayo requeridas y recomendadas. Para equipos superiores a aproximadamente 72.5 kV, se requieren ensayos de impulso de conmutación homologados junto con los ensayos de impulso de rayo.

Para consultar una sección detallada sobre la resistencia al impulso de rayo en relación con los equipos de alta tensión de DEMIKS, consulte: Introducción a la tensión de resistencia al impulso de rayo.

Categorías de sobretensión y valores Uimp según la tensión del sistema.

La norma IEC 60664-1 clasifica las instalaciones de baja tensión en cuatro categorías de sobretensión (OVC I-IV) según la ubicación del equipo con respecto al punto de entrada de la alimentación. Los equipos más cercanos a la fuente de alimentación reciben mayor energía transitoria por rayos y maniobras de conmutación, por lo que se especifica una Uimp más alta. En el interior de una instalación segura, la tensión aparece tras etapas de atenuación como la impedancia del cable y los dispositivos de protección contra sobretensiones.

Los pararrayos y los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) de la Parte 2 suelen requerir hasta 8 kV Uimp para incorporar un margen de seguridad adecuado y tener en cuenta las variaciones entre proveedores. Este margen se aplica con mayor énfasis a los paneles de distribución, donde la seguridad de los equipos se activa mediante un dispositivo de distribución, y un único panel de distribución suele alimentar cargas descendentes mucho más dispersas que su configuración equivalente OVC IV.

Requisitos de Uimp de media tensión (IEC 62271-100)

Para los interruptores de distribución principal y los alimentadores principales a los transformadores, se pueden especificar interruptores automáticos de caja moldeada (MCCB) y aparamenta de media tensión con una Uimp de 10-12 kV. Generalmente se acepta especificar un MCCB de grado industrial para el rango de alta tensión; tradicionalmente, una Uimp de 8 kV o más supera el mínimo de 4 kV para equipos OVC III.

Para interruptores y disyuntores de 1 kV en adelante, la norma IEC 62271-100 especifica la tensión de resistencia al impulso de rayo (LIWV) requerida en función de la tensión nominal Ur. Los valores se basan en muchos años de datos de campo y estadísticas de fallas, y cada categoría de tensión tiene límites inferiores y superiores:

Para los interruptores de 11 kV (la clase de tensión nominal Ur=12 kV común en las redes de distribución del Reino Unido y la Commonwealth), el requisito de LIWV es de 75 kV. Esto significa que los equipos con una tensión nominal de 12 kV deben superar una prueba de impulso pico de 75 kV. Para esta prueba, un interruptor automático debe ser capaz de soportar un único impulso de conmutación o de rayo superior a seis veces su tensión nominal. Las tensiones más altas tienen una relación mayor, ya que las mayores distancias de aislamiento físico permiten soportar mejor las sobretensiones.

Impulso de rayo vs. impulso de conmutación: dos formas de onda, un objetivo.

Además de la prueba de impulso, la presencia de descargo parcial La actividad durante las pruebas de tipo se suele verificar para determinar si las pruebas de impulso han identificado tensiones de aislamiento por debajo del umbral de descarga disruptiva.

En la norma IEC 60060-1 se utilizan dos formas de onda similares. Cada una representa un proceso físico diferente en el sistema eléctrico y se aplica a distintas categorías de aparatos. Seleccionar la forma de onda estándar que no se ajusta a los requisitos de la prueba constituye un error de especificación.

La forma de onda del Impulso de Rayo (LI) modela la forma eléctrica de una sobretensión originada por un rayo: un rápido aumento de voltaje seguido de una larga caída. Esta forma de onda estándar está documentada como 1.2/50 μs. Dado el tiempo de frente T1 = 1.2 μs (30 %), la medición real del frente de onda puede estar entre 0.84 μs y 1.56 μs y aún así superar la prueba. El tiempo T2 = 50 μs (20 %) para alcanzar la mitad del voltaje significa que un tiempo real de 40 a 60 μs aún supera la prueba. Estas pruebas son obligatorias para casi todos los componentes de alta tensión, desde aparamenta de vacío de 400 V hasta aisladores pasantes de transformadores de 765 kV.

El impulso de conmutación (IS) reproduce eventos transitorios de sobretensión resultantes de la conmutación en la red eléctrica: energización de una línea de transmisión eléctrica larga, interrupción de un banco de capacitores o apertura de un interruptor de alta tensión bajo carga. Todos estos eventos producen un pico con un retardo más lento y una duración más prolongada en comparación con el rápido impulso transitorio de rayo. La forma de onda típica para el impulso de conmutación es de 250/2500 μs: tiempo de frente de 250 μs (20 %), tiempo hasta la mitad del valor de 2,500 s (60 %). Dado que los transitorios de conmutación pueden variar considerablemente, se utilizan bandas de tolerancia más amplias para la forma de onda del impulso de conmutación.

Por encima de aproximadamente 72.5 kV de tensión nominal, la norma IEC 62271-100 exige el uso de pruebas de resistencia a impulsos de rayo y de conmutación en general. Esto parece ilógico: la tensión de ruptura supera el impulso de rayo para grandes espacios de aire externos (líneas aéreas, aisladores de postes de superficie exterior, largas trayectorias de fuga en aparatos exteriores) cuando se someten al impulso de conmutación de ascenso más lento. Esto explica por qué los grandes espacios de aire, donde la propagación de la descarga tarda en desarrollarse por completo, tienen una tensión de descarga disruptiva menor bajo un impulso de conmutación más lento que el impulso de rayo. La forma de onda 250/2500 μs funciona para esta prueba porque simula el tiempo necesario para el proceso de transición completo, mientras que la forma de onda 21,2/50 μs no lo hace.

Cómo funciona la prueba de tensión de resistencia al impulso: paso a paso

Según la norma IEC 60060-1, la prueba de tensión de resistencia al impulso, si se realiza correctamente, requiere la combinación de todos los detalles de la prueba de verificación: confirmar que la forma de onda, la corrección atmosférica y la secuencia de disparo sean válidas.

Fase 1: Preparación previa a la prueba

1. Calibre el sistema de medición. El sistema de medición digital y el divisor de voltaje deben verificarse para comprobar su precisión y recalibrarse según los requisitos de la norma IEC 60060-2 antes de cada prueba. Un equipo fuera de tolerancia puede enmascarar fallas o provocar rechazos no deseados.
2. Corrección atmosférica. La norma IEC 60060-1 exige registrar la temperatura, la presión y la humedad absoluta antes de cada sesión de prueba. Según el coeficiente de corrección atmosférica k, la Uimp programada —calculada mediante los métodos de la norma IEC 60060-2 para multiplicarla por k— puede ser superior a la tensión real utilizada para realizar los disparos. Esto puede generar una diferencia de varios puntos porcentuales al realizar pruebas a gran altitud o en condiciones de alta humedad.
3. Examine la muestra. Busque contaminación superficial, humedad y daños mecánicos. Los resultados de muestras contaminadas no reflejan con precisión la capacidad de resistencia al impulso del equipo y pueden ser rechazados.
4. Realice la comprobación de la forma de onda con voltaje reducido. Aplique un impulso del 50-75% del Uimp previsto a la muestra y registre los puntos T1 y T2 de la forma de onda (IEC 60060-1). Confirme que T1 se encuentra dentro del rango (1.2 μs ± 30%) y T2 dentro del rango (50 μs ± 20%) del valor esperado según la norma IEC 60060-1. Una vez confirmada la forma de onda con voltaje reducido, aumente el nivel al máximo para los impulsos subsiguientes.

Fase 2: Secuencia de la prueba de resistencia

El protocolo de prueba básico aplica una serie de disparos de impulso al Uimp designado:

• Número de disparos: El rango típico de resistencia a impulsos es de 15 disparos por polaridad para las pruebas de tipo, según las especificaciones del producto. Generalmente, las pruebas de rutina de menor voltaje aplican menos disparos para garantizar la consistencia del producto sin tener que repetir todo el protocolo de prueba de tipo.
• Secuencia de polaridad: Se aplican impulsos positivos y negativos. Algunas geometrías de aislamiento se ven afectadas de manera diferente por la polaridad: para un sistema de electrodos asimétrico que soporta impulsos positivos de 75 kV, los negativos pueden provocar una descarga disruptiva a menor voltaje.
• Intervalo entre disparos: Un intervalo de al menos 1 segundo entre disparos. Dado que la ionización transitoria en el espacio de aire habrá disminuido por decaimiento para entonces.
• Criterios de evaluación: Descarga disruptiva única, descarga repentina o perforación, que puede ocasionar un chequeo durante la prueba, como resultado de la definición cuando se lanza. Toda degradación del aislamiento debe considerarse como una degradación de la prueba.

Pruebas de impulso de onda recortada

Además de las pruebas de onda completa especificadas, algunas normas de producto (generalmente la IEC 60076-4 para transformadores de potencia y diversos protocolos IEEE BIL) también requieren una prueba de onda recortada. La onda alcanza un nivel de sobretensión predeterminado (normalmente entre 1.1 y 1.15 veces el pico de la onda completa), antes de que un descargador de chispa la interrumpa, reduciendo la tensión repentinamente en un periodo de 2 a 6 μs. La forma de onda recortada impone un patrón de tensión distintivo en el aislamiento del bobinado que, en ocasiones, permite identificar zonas débiles menos evidentes en la forma de onda completa.

Inspección entre espiras del rendimiento de aislamiento en bobinados de motores y transformadores, DEMIKS comprobador de tensión de resistencia al impacto entre espiras Introduce un impulso especial para revelar los daños en el aislamiento entre espiras de forma más temprana durante las pruebas de bobinado. Funciona en conjunto con la prueba de resistencia al impulso general del equipo.

Dentro del generador de voltaje de impulso: del circuito de Marx a la medición.

Es imposible generar una forma de onda de 1.2/50 μs con tensiones de prueba de 40 kV a 7200 kV directamente desde una única fuente de alimentación de alta tensión, independientemente de la topología del circuito. La solución —que se remonta a la invención de Erwin Marx en 1923 de la topología de circuito que aún predomina en el diseño convencional de generadores de tensión de impulso— consiste en cargar varios condensadores en paralelo y, posteriormente, descargarlos en serie mediante una cascada de descargadores de chispa.

Cómo funciona el circuito Marx

Un circuito Marx se compone de n etapas idénticas. Cada etapa cuenta con un condensador C, una resistencia de carga y un descargador de chispa. La fuente de corriente continua de alto voltaje carga simultáneamente todos los condensadores a un voltaje Vc durante la fase de carga.

En las cargas, las resistencias mantienen todos los miembros en paralelo mientras que las etapas están separadas.

Cuando el interruptor activa la chispa inicial, se inicia una reacción en cadena instantánea. El voltaje del primer condensador se suma a la carga existente en el segundo, generando 2 Vc en el segundo espacio de chispa. Esto provoca un cortocircuito y un flujo de electrones cuando el tercer condensador recibe 3 Vc. Esta cascada se propaga a través de las n etapas en ns, y los condensadores se combinan en serie, de modo que el voltaje de salida es n Vc.

Conformación de la forma de onda: Resistencias de entrada y salida

La forma de 1.2/50 μs está determinada por dos redes RC fuera del banco de Marx:

• La resistencia frontal (Rf) es la resistencia ubicada entre el generador y el objeto de prueba. Este elemento del circuito es responsable de controlar el tiempo de subida (T1). Aumentar Rf ralentizará la subida; disminuir Rf la hará más pronunciada.
• Resistencia de cola (Rt): conectada en paralelo con el objeto de prueba. Establece el tiempo de decaimiento (T2). Cuanto mayor sea el valor de Rt, mayor será el tiempo de decaimiento.

El fabricante del generador selecciona los valores de Rf y Rt para obtener la forma de onda deseada dentro de las bandas de tolerancia de la norma IEC 60060-1. Las variaciones en la capacitancia del objeto de prueba (por ejemplo, al probar un tramo corto de cable en lugar de un gran aislador pasantes de transformador) darán como resultado una forma de onda efectiva diferente, por lo que puede ser necesario ajustar con precisión las resistencias de entrada y salida para que se mantengan dentro de las bandas.

La cadena de medición

Para medir una falla de cien kilovoltios, con una duración de microsegundos, se requiere una cadena de medición específica, compuesta por tres componentes esenciales:

1. Divisor de impulsos de alta tensión: divide la tensión de impulso según una relación determinada con precisión, como 1000:1 o superior, de modo que el instrumento de medición reciba una escala de señal aceptable. DEMIKS Divisores de voltaje CA/CC Están disponibles en proporciones y con la precisión especificada en la norma IEC 60060-2. Si se dispone de suficiente ancho de banda, el divisor reproduce con precisión el frente de onda del impulso (por ejemplo, un tiempo de frente de 1.2 μs).
2. Cable coaxial de baja pérdida: transmite la señal escalada desde la salida del divisor al instrumento de grabación sin distorsión de la forma de onda. La longitud y la impedancia del cable coinciden con la impedancia de la salida del divisor.
3. Registrador digital de impulsos: captura formas de onda con una resolución temporal de nanosegundos para su registro y posterior análisis. La norma IEEE Std 1122-2024 define el ancho de banda, la frecuencia de muestreo y la precisión general que debe tener un registrador de impulsos para que los resultados de las mediciones se puedan utilizar en informes de prueba fiables.

La combinación de un divisor de voltaje calibrado y un registrador digital de alto ancho de banda ha sustituido, en la era digital, al voltímetro analógico en los sistemas de medición de impulsos, según lo establecido en la norma IEC 60060-1:2025. El registro de la actividad de ionización corona junto con la forma de onda principal proporciona información adicional sobre la actividad previa a la descarga disruptiva.

Resistencia dieléctrica frente a resistencia al impulso: ¿Qué prueba demuestra cada una?

Tanto la prueba de rigidez dieléctrica (hipot) como la prueba de resistencia al impulso evalúan la calidad aislante de un sistema de aislamiento, pero aplican condiciones de tensión de forma diferente, lo que permite identificar fallos distintos. Confundir ambas pruebas da como resultado un diseño de equipo subóptimo en una o ambas. Un conocimiento profundo de lo que aplica cada prueba permitirá, a su vez, definir las especificaciones de diseño y determinar si una o ambas pruebas son críticas.

Por qué aprobar un examen no significa aprobar el otro.

La tensión de prueba de rigidez dieléctrica es prácticamente idéntica en magnitud, para equipos de baja tensión (aproximadamente 2Ui + 1,000 V, IEC 60947-1), al valor Uimp del mismo equipo. Por ejemplo, para un interruptor automático de caja moldeada (MCCB) de 690 V con clasificación Ui, la prueba dieléctrica es de aproximadamente 2,380 V CA, mucho menor que el pico de Uimp de 8,000 V. La variación de la tensión implica que ambas pruebas evalúan aspectos completamente diferentes del rendimiento del aislamiento: una analiza el aislamiento masivo frente a una tensión lenta y de aumento gradual; la otra analiza la geometría de la separación objetivo durante un sobreimpulso instantáneo.

El simple hecho de superar una prueba de tensión dieléctrica de 60 segundos para un equipo con una determinada distancia de aislamiento no garantiza que el equipo la supere si se somete a un Uimp de la misma magnitud, aunque el sistema de aislamiento sea el mismo. Por el contrario, un equipo con una distancia de aislamiento generosa para la prueba de Uimp podría no superar la prueba dieléctrica a frecuencia industrial si está contaminado de una manera que no afecte a la descarga disruptiva por impulso a corto plazo; ambas pruebas son necesarias para determinar la resistencia con certeza.

Ideal para pruebas dieléctricas Durante la puesta en marcha en línea de producción o en campo, los dispositivos de resistencia a la tensión de frecuencia industrial de DEMIKS admiten todas las pruebas de alta tensión rutinarias, desde la fabricación hasta la puesta en marcha. Si los valores de alta resistencia de aislamiento forman parte de sus pruebas dieléctricas, consulte nuestra guía: Comprensión de los medidores de resistencia de aislamiento.

¿Qué causa realmente los fallos en las pruebas de impulso y cómo interpretarlos?

Un fallo en una prueba de impulso no es solo un dato de aprobado/reprobado, sino una señal de diagnóstico. Conocer los cuatro patrones típicos de fallo por impulso en laboratorios de ensayo e investigaciones de campo convierte una muestra rechazada en información valiosa para el diseño.

Modo de fallo 1: Descarga superficial

La descarga superficial es el fallo más común en las pruebas de impulso. En lugar de atravesar el grueso del aislamiento sólido, la tensión sigue el camino de menor resistencia a través de la superficie: a lo largo de un buje, sobre una placa de circuito impreso o alrededor de la distancia de fuga del aislante. El arco resultante se extingue cuando el impulso se disipa y deja un rastro de carbono en la superficie.

Tres causas principales pueden provocar una descarga superficial: una distancia de fuga insuficiente para el grado de contaminación y el nivel de tensión; contaminación superficial por polvo conductor o película de agua; o una característica geométrica que concentra el campo eléctrico a lo largo de un borde o esquina específica del aislante. Aumentar la distancia de fuga, aplicar un recubrimiento de conformación o modificar la geometría del electrodo solucionará la mayoría de las fallas por descarga superficial sin necesidad de retirar el material aislante del componente.

Modo de fallo 2: Perforación del aislamiento principal

La perforación se produce cuando la tensión de impulso atraviesa el material aislante sólido, formando un canal conductor permanente. A diferencia de la descarga superficial, la perforación es irreparable. La muestra de prueba queda destruida y no puede volver a utilizarse. Las fallas por perforación iguales o inferiores a la tensión de impulso nominal indican que el diseño no cumple con su especificación publicada; esto se debe a que el espesor del aislamiento es insuficiente o el material presenta defectos de fabricación, como huecos, inclusiones o delaminaciones.

Una perforación al final de una prueba de impulso indica un fallo de diseño, no un defecto de fabricación. El diseño del equipo debe revisarse antes de que puedan continuar las pruebas de certificación.

Modo de fallo 3: Descarga parcial progresiva (degradación por subdescarga disruptiva)

Los huecos internos de baja energía, los bordes de los electrodos de descarga o las interfaces entre aislantes no producen una descarga disruptiva inmediata. En cambio, se produce un daño progresivo debido a descargas repetidas. descargo parcial La actividad de múltiples impulsos ascendentes fragiliza gradualmente el aislante. Si bien los equipos pueden superar las pruebas de resistencia a impulsos en la primera aplicación, los efectos a largo plazo de las descargas parciales en el aislamiento resistivo producirán un deterioro progresivo tras un uso prolongado, especialmente en instalaciones con transitorios de conmutación frecuentes que someten repetidamente el aislamiento a niveles inferiores al umbral de descarga por impulso.

Los análisis realizados en CIGRE concluyen que más del 20% de las fallas de interruptores automáticos a tensiones de servicio están relacionadas con el aislamiento. Muchas de ellas se deben al daño acumulativo causado por la actividad de descargas parciales, no a una sola avería que la prueba de resistencia al impulso habría detectado. A corto plazo prueba de descarga parcial En paralelo con las pruebas de impulso durante las pruebas de tipo, se podrán identificar posibles modos de fallo por descarga parcial y sus precursores antes de la fecha de publicación; un nivel de información que el criterio de aprobado/suspenso por sí solo no puede proporcionar.

Modo de fallo 4: Confusión entre prueba de tipo y prueba de rutina

Otro mecanismo de fallo es un error de adquisición, más que un fallo físico real, pero las consecuencias en el campo pueden ser igual de costosas. El valor Uimp que figura en la hoja de datos de cualquier equipo se deriva de una prueba de tipo realizada en muestras de diseño por un laboratorio homologado. Las pruebas de producción habituales, que se realizan normalmente en cada dispositivo, verifican la calidad de fabricación utilizando un voltaje menor y una duración de prueba más corta. Es erróneo aceptar un informe de prueba rutinario como prueba del valor Uimp comprobado del equipo: las pruebas rutinarias demuestran la uniformidad de la producción dentro de la fábrica, mientras que solo la prueba de tipo demuestra el verdadero valor de resistencia al impulso del diseño.

Posteriormente, se ha descubierto que las fallas en el campo tras un rayo se originan en equipos en los que solo se examinó el informe de prueba de rutina durante la adquisición, y donde dicho elemento se había instalado en una categoría de sobretensión para la que no estaba suficientemente especificado para Uimp, no por accidente por parte del fabricante original, sino porque la especificación de adquisición no diferenciaba entre dos niveles de prueba.

El futuro de las pruebas de impulso: IEC 60060-1:2025 y los cambios que introduce.

La tecnología de ensayos por impulsos no se ha estancado. La cuarta edición de la norma IEC 60060-1, prevista para 2025, y una nueva norma IEEE para registradores digitales ya han incorporado los cambios tangibles que ahora son evidentes en los principales laboratorios de ensayos.

IEC 60060-1:2025 (Edición 4) — Tres cambios que conviene conocer

• Se abordó la necesidad de aplicaciones en el rango de ultra alta tensión (UHV). La edición 4 se centra específicamente en equipos utilizados con más de 1,000 kV CA o 1,500 kV CC, un tipo de equipo que está surgiendo rápidamente en los nuevos y gigantescos corredores de transmisión de UHV que proliferan en Asia y Oriente Medio, y donde las normas IEC anteriormente no proporcionaban un método de prueba, sino más bien una garantía de comodidad. Los laboratorios de impulsos que dan servicio a los fabricantes de equipos de UHV ahora cuentan con procedimientos formales en lugar de tener que llegar a compromisos específicos para cada proyecto.
• La nueva edición actualiza los procedimientos de verificación de la forma de onda. En los niveles de voltaje más altos, la carga de carga capacitiva muy alta dentro del objeto de prueba puede distorsionar la voltaje del generador La forma de onda distorsiona los cálculos de los parámetros a medir; en la nueva edición se aclara cómo solucionar este problema. Los laboratorios de transformadores de potencia que experimentaban con objetos de prueba de gran tamaño habían desarrollado una solución alternativa en la edición 3; la nueva edición cataloga esta práctica.
• La adición de un anexo formal de análisis de formas de onda digitales. La edición 4 incorpora un marco de análisis de formas de onda basado en software específico para complementar los métodos de cálculo manual del Anexo C de la edición 3. Esto reconoce formalmente que la comparación digital —donde las formas de onda a voltaje reducido y completo se comparan automáticamente— es ahora el método de análisis estándar, en lugar de un enfoque complementario.

Norma IEEE 1122-2024 — Nivel mínimo de ruido para grabadoras digitales

Junto con la actualización de la IEC, la IEEE publicó la norma Std 1122-2024, que especifica los parámetros operativos (ancho de banda mínimo, frecuencia de muestreo, rango dinámico y precisión) requeridos para los registradores digitales utilizados en mediciones de tensión y corriente por impulsos. Esta norma resulta útil porque no todos los osciloscopios digitales tienen un ancho de banda o una precisión suficientes para cumplir con el tiempo de respuesta de 1.2 ms especificado por la norma IEC 60060-1. Ahora, los laboratorios de ensayo y los responsables de compras pueden consultar directamente la norma IEEE Std 1122-2024 al solicitar o evaluar registradores digitales para mediciones de impulsos, en lugar de basarse en especificaciones de ancho de banda genéricas que podrían no ser adecuadas para este tipo de mediciones.

Automatización y pruebas de impulso in situ

Dos tendencias a largo plazo que están influyendo en la implementación generalizada de las pruebas de impulso son:

• Las plataformas de prueba automatizadas integran el control del generador de impulsos, la captura de la forma de onda, el cálculo de un factor de corrección meteorológica, la decisión de aprobado/reprobado y la creación del informe de prueba en un único paquete de software. Esto minimiza el error humano en la secuencia de disparo, acelera el procesamiento de pruebas de alto volumen y genera un informe estandarizado que cumple con los requisitos de documentación de la norma IEC 60060-1, sin necesidad de transcripción manual.
• Las pruebas portátiles de impulsos in situ de los equipos de la red de distribución son factibles gracias a la disponibilidad de generadores Marx en miniatura de entre 100 y 500 kV. Investigaciones recientes sobre pruebas de impulsos de rayos in situ en aparamenta de distribución demuestran que la calibración de los equipos no puede realizarse en las instalaciones del fabricante, pero sí puede llevarse a cabo in situ, con calibración y control de calidad de fábrica para equipos que no pueden trasladarse a un laboratorio central. Esta información es de gran relevancia para los clientes de DEMIKS, que prestan servicios a los operadores de redes de distribución.

Preguntas frecuentes sobre la tensión nominal de resistencia al impulso