Reducción de pérdidas eléctricas en conexiones planas

John Jairo Zapata García. Director General ATP

(Applied Technology Products)

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La conexión eléctrica de dos superficies planas de diferen-tes metales presenta múltiples inconvenientes, pero los

más relevantes son los debidos a la corrosión galvánica y a los diferentes coeficientes de dilatación que generan esfuer-zos mecánicos produciendo puntos calientes en la conexión.

El barraje secundario de distribución es el punto donde con-fluye toda la corriente y por el efecto Joule será el punto de mayor pérdida de energía probable; por tanto es el que más se debe cuidar para evitar pérdidas por calentamiento. En el presente artículo, se analizan los diferentes factores que generan calentamiento en la conexión, sus posibles causas y se plantean las soluciones a los mismos.

The electrical connection of two flat surfaces of different me-tals presents multiple disadvantages, but the most relevant are the due to the galvanic corrosion and to the different coefficients of expansion that generate mechanical efforts producing warm points in the connection.

The secondary buss bar is the point where the whole current comes together, and for the Joule effect,it will probably be the point of major loss of energy; therefore its care is fun-damental to avoid warm losses. For that, in this article it is important to analyze the different factors that generate heat in the connection, besides of the possible causes and the solutions to the mentioned issues.

Palabras Clave

Creep, corrosión, coeficiente de dilatación,

par de apriete, torquímetro.

John Jairo Zapata García. Director General ATP

(Applied Technology Products)

Keywords

Creep, coefficient of expansion, corrosion, torsion force,

torquimeter.

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I. GLOSARIO

Efecto Joule. Se conoce como efecto Joule al fenó-meno irreversible por el cual si en un conductor cir-cula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor1.Matemáticamente se define como E=I².R.t, donde:I: CorrienteR: Resistencia.T: Tiempo.

Efecto Creep. El efecto “creep” o fluencia se define como ‘la deformación lenta de un material, normal-mente medido bajo una tensión constante’2. En el caso del aluminio, este desplazamiento de material se presenta con mucha frecuencia.Corrosión galvánica. La corrosión galvánica es un proceso electroquímico en el que un metal se corroe preferentemente cuando está en contacto eléctrico con un tipo diferente de metal (más noble) y ambos metales se encuentran inmersos en un electrolito o medio húmedo3.Coeficiente de dilatación. El coeficiente de dilatación es el cociente que mide el cambio relativo de longi-tud o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o un fluido dentro de un recipiente cambian de temperatura provocando una dilatación térmica4.

II. INTRODUCCIÓN

La reducción de las pérdidas ha sido el motor finan-ciero de las electrificadoras durante más de dos dé-cadas, y aquellas que lo han hecho juiciosamente no solo han logrado mantenerse sino que, gracias al mejoramiento de sus indicadores, han podido ex-pandir sus fronteras.

Un plan encaminado en ese sentido siempre co-mienza por la reducción de las pérdidas comerciales, también llamadas no técnicas; pues la tasa de rendi-miento “inversión vs resultados” es muy positiva. En efecto, lograr que quien no paga el servicio comien-ce a hacerlo, rápidamente genera dividendos.

1 (Santamaría, 2009)2 (Cervantes, J & Torres, J., 2003)3 (Bilurbina, L. ; Liesa, F. & Iribarren, J., 2003, p. 54)4 (Ortiz Berrocal, L., 2007).

Sin embargo, la tasa de rendimiento es cada vez me-nor, y la reducción de un punto porcentual de las pér-didas se convierte en todo un reto técnico y comer-cial que no siempre resulta ventajoso. Es quizás el momento de mirar a otros frentes y considerar que hay otras formas de mejorar la rentabilidad del nego-cio, vía reducción de pérdidas técnicas o reducción de pérdidas administrativas, por ejemplo.

En este artículo, se tratará el tema de las pérdidas debidas al calentamiento de la red desde el punto de vista técnico, sus causas y posibles soluciones; además de cómo hacer un plan de recuperación de pérdidas técnicas más eficiente.

III. ANTECEDENTES

Por el efecto Joule, el calentamiento de la red en operación es un fenómeno inevitable, se puede decir que es el cobro que hace la red por hacer su trabajo. Sin embargo, esa misma ley indica que una reduc-ción en la resistencia de contacto en los empalmes ayudará a desperdiciar menos energía y será más eficiente allí donde la corriente de paso sea mayor.

La identificación de los factores que pueden condu-cir al aflojamiento de una conexión, y por tanto, a su sobrecalentamiento, es muy importante en el pro-ceso de mejoramiento de la red. En la investigación realizada en las principales electrificadoras del país, fueron identificados 4 factores relevantes.

A. Indebido par de aprieteSi el apriete es insuficiente se presenta calentamien-to; mientras que si es excesivo, se presenta el efecto creep que conlleva al aflojamiento.B. Corrosión galvánicaSucede cuando se conectan dos superficies de dife-rente material, cobre y aluminio por ejemplo.C. Comportamiento dinámico de la conexiónOcurre cuando la conexión es sometida a procesos sucesivos de dilatación por alta carga, con la con-tracción en estados de baja carga. En estas condi-ciones, el riesgo de aflojamiento por efecto creep aumenta.D. Corrosión de los tornillosEl mal estado de los componentes de apriete como tornillos, tuercas y arandelas conllevan al aflojamien-to de la conexión.

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El factor A se presenta en todas las electrificadoras, el B en aquellas que están en proceso de transición de cambio de conductores de cobre a aluminio, el C afecta aquellos circuitos con transformadores de alta capacidad, típico en ciudades grandes, y por último, el factor D es recurrente en electrificadoras costeras por la alta contaminación y la salinidad.

IV. ANÁLISIS DE CAUSAS Y POSIBLES SOLUCIONES

A. Indebido par de aprieteLa conexión eléctrica de dos paletas debe considerar que las superficies completamente planas no exis-ten, por tanto el paso de corriente se hace a través de puntos con áreas muy pequeñas y la calidad de la conexión dependerá principalmente de la presión de contacto.

La Tabla I muestra el par de apriete recomendado para las diferentes medidas de tornillo.

TABLA I. Par de Apriete Recomendado5

Tomando como ejemplo el tornillo de ½” que es el más utilizado en nuestros sistemas de distribución, un par de apriete de 45 lb-pie ejerce una presión de 5400 libras (ver Tabla II) sobre las superficies a conec-tar, la cual será suficiente para garantizar una ade-cuada conexión.

TABLA II. Presión de Contacto a partir de un Torque6

La presión de contacto debe ser precisa, porque una baja presión genera una resistencia de contacto alta y por tanto sobrecalentamiento; por otro lado una sobrepresión, que aunque de momento asegure un buen apriete, con el tiempo genera el desplazamien-to del material y el consiguiente aflojamiento (efecto creep). Por esta razón, es práctica común que cuan-do se está haciendo mantenimiento de equipos, se haga necesario el reapriete de tornillos.

La precisión del par de apriete que asegure la ade-cuada presión de contacto se logra mediante el uso del torquímetro. Así, será una herramienta la que de-termina la presión y no la subjetiva apreciación del operario.

B. Corrosión galvánicaLa corrosión galvánica se refiere al deterioro de un metal en presencia de humedad cuando está en contacto con otro. La pérdida de electrones que van desde el ánodo hacia el cátodo genera la pérdida del metal que actúa como ánodo. Los materiales con más potencial galvánico negativo se corroerán en favor de aquellos que tengan menor potencial.

En el caso de la unión del aluminio frente al cobre, la Tabla III muestra un delta de potencial grande entre los dos metales, lo que asegura que en presencia de oxígeno y humedad, la acción galvánica ocurrirá indefectiblemente.

La forma más apropiada para controlar la corrosión galvánica es evitando, ya sea, la presencia del elec-trolito (humedad) suprimiendo la corriente galváni-ca; o la presencia del oxígeno, sin cuya presencia no son posibles los procesos de oxidación. Esto se logra mediante el uso de resinas inhibidoras de corrosión, las cuales son impregnadas preferentemente en el aluminio.

5 (Slade, 2014, p. 322)6 (Slade, 2014, p. 321)

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TABLA III. Potencial Galvánico de los Metales7

C. Comportamiento dinámico de la conexiónTodos los materiales tienen un coeficiente de dilata-ción que dependerá de su composición; cuando se calienten se dilatan y cuando se enfríen se contraen. Ver Tabla IV.

7 Recuperado de: notasymejoras.wordpress.com/2014/01/05/co-rrosion-galvanica/

TABLA IV Coeficientes de Dilatación Térmica Lineal 8

Como se observa en la Tabla IV, el coeficiente de dilatación del aluminio es 1,4 veces superior al del cobre y el de este es superior 1,4 veces la del hierro. En condiciones normales, ninguno de los metales se dilata, sin embargo cuando se presenten calen-tamientos por sobrecarga y enfriamientos por baja carga, los tres materiales se deformarán de manera distinta. Cuando el conjunto se enfríe nuevamente, el aluminio que es el de mayor coeficiente de dilata-ción, no vuelve a su estado original, produciendo el aflojamiento de la conexión, no por corrimiento de la tuerca sino por desplazamiento de material, a este fenómeno se le denomina efecto creep. Ver Figura 1. Esta situación se agrava si, como se mencionó an-teriormente, hay un apriete excesivo de la conexión.

Figura 1. Efecto creep[9]

8 Recuperado de: http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/fis/co-efidilat.pdf

9 (ATP Trading, 2015)

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Para resolver el problema, debe considerarse que los efectos de contracción y dilatación son inevitables, pues son inherentes a la naturaleza de los materia-les; por tanto la mejor estrategia es permitir la ex-pansión del material en dirección axial mediante el uso de un resorte que le permita el desplazamiento en fase de calentamiento y que mantenga la presión de contacto en todo momento.

El dispositivo más recomendado para ejercer la fun-ción de resorte en esas circunstancias es una aran-dela cónica tipo Belleville que, diseñada de manera adecuada en tamaño, espesor y recorrido, garanti-zará una presión continua de las magnitudes ana-lizadas anteriormente (más de 5400 Lb-f). No debe confundirse este tipo de arandela con las arandelas de presión o guasas, cuya presión no supera las 350 Lb-f, y que solo tiene la función de evitar que la tuer-ca se desenrosque.

Figura 2. Arandela Belleville10

Una vez instalado este resorte en la conexión se garantizará una presión constante y continua en el tiempo, lo que la convertirá en una conexión libre de mantenimiento.

D. Corrosión de los elementos de aprieteSi se observan los tornillos galvanizados utilizados para apretar los barrajes secundarios de transforma-dor en intemperie, es posible identificar que el 100% de ellos están oxidados, mientras que el mismo tipo de tornillo utilizado para sujetar los herrajes y cruce-tas al poste permanecen en buen estado.La razón para ello es que en los barrajes hay un aumento de temperatura por efecto joule, mientras que en los postes no.

10 Recuperado de: http://www.soloingenieria.net/foros/viewtopic.

php?f=26&t=41142

Este cuarto factor tiene una razón técnica y es el fe-nómeno de la polaridad inversa, el cual se explica en la Figura 3.

Figura 3. Polaridad Inversa11

El galvanizado en caliente utiliza el zinc como ánodo de sacrificio, el cual tiene un potencial galvánico que varía con la temperatura, mientras que el cátodo protegido es el acero, cuyo potencial galvánico es estable. Como se observa, después de 60 °C la po-laridad se invierte y el acero que antes era cátodo ahora se convierte en ánodo de sacrificio. Lo normal en un barraje secundario es que la temperatura sea superior a 60°C, y en condiciones de humedad, la co-rrosión será inevitable.

Varias electrificadoras han intentado solucionar el problema mediante el uso de tornillos de otros mate-riales como el bronce, sin embargo su alto costo y la propensión al robo lo han hecho inviable. Otras han usado el acero inoxidable, encontrándose con que los tornillos se sueldan mecánicamente haciendo imposible su aflojamiento; la razón es que el acero inoxidable tiene un coeficiente de dilatación térmica muy alta (1.6 veces superior a la dilatación del acero al carbón. Ver Tabla IV) y con la temperatura, el torni-llo dilata hacia afuera, mientras que la tuerca dilata hacia adentro, produciendo una soldadura mecánica muy difícil de soltar.

La solución propuesta consiste en la utilización de metales con un potencial galvánico estable, esto es que no varíen con la temperatura, como el aluminioy la plata, encontrándose que la mejor combinación-técnico-económica es la del aluminio con el zinc, aplicados por el método de microcapa en una pro-porción 80-20. Esta metodología de recubrimiento se conoce como órgano-metálico y ha sido utilizado

11 (ATP Trading, 2015)

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con éxito en zonas de alta contaminación de Bogotá, y extra-alta contaminación en Barranquilla.

El recubrimiento órgano-metálico permite hacer mi-cro-capas sucesivas para garantizar diferentes nive-les de protección, de esta manera se puede llegar hasta 1000 horas en cámara de niebla salina para zonas de extra-alta contaminación, o de 720 horas para zonas de alta contaminación.

V. EXPERIENCIAS

Codensa ha sido la compañía que más dispositivos, que combinan las cuatro soluciones sugeridas, ha instalado en su sistema. Desde el año 2013 cuenta con varios miles de soluciones exitosas y ha creado la norma técnica ET-481 “Especificaciones técnicas Kit para salidas de BT / MT.”12 La justificación del uso del kit se basa en lo siguiente:

• Reducción del mantenimiento correctivo de daños en cables y conectores, que implican interrupciones y fluctuaciones, por tanto mala calidad del servicio y repercusiones en la imagen de la compañía.• No pago de compensaciones.• Disminución de atenciones de servicio.

En pruebas hechas en El Charquito por Emgesa, se pudo mostrar cómo después de quince meses de instalación, el recubrimiento organo-metálico (a la izquierda) no presentaba señales de oxidación mien-tras el galvanizado (a la derecha) estaba 100% oxi-dado.

Fotografía 1. Prueba de corrosión en el charquito[13]

12 (Codensa S.A. ,2011)13 (ATP Trading, 2015)

Electricaribe, por su parte, ha instalado más de 10,000 soluciones en su sistema desde el año 2014, básicamente para resolver problemas de alta corro-sión. Para mostrar su eficacia, se eligió la zona de Punta Roca con el fín de hacer las pruebas, pues allí los tornillos galvanizados deben ser cambiados cada 3 meses. La prueba fue instalada en enero de 2013 (foto 2) y después de 6 meses, los tornillos de prueba fueron bajados y los resultados fueron altamente sa-tisfactorios. Como se observa en la foto 3, las únicas zonas afectadas por la corrosión, son las arandelas planas y únicamente en el sitio del contacto con las arandelas bellevile. El análisis de las muestras arrojó que la causa de la corrosión es el desprendimiento del recubrimiento debido al roce que ejerce la aran-dela Belleville cuando se expande y se contrae. El problema se solucionó cambiando el material de la arandela plana por acero inoxidable.

Fotografía 2. Instalación de prueba en Punta Roca (Atlántico)14

Fotografía 3. Tornillo de prueba después de 6 meses de instalado15

14 (ATP Trading, 2015)15 (ATP Trading, 2015)

VI. CONCLUSIONES

Las mayores pérdidas técnicas en un circuito de dis-tribución son aquellas producidas por el efecto Joule, el cual depende de la resistencia de contacto y la co-rriente de circulación. Visto de esta manera, el punto de mayor corriente, y por tanto, al que más atención se le debe prestar es al barraje secundario del trans-formador; procurando que la conexión permanezcaestable en el tiempo, reduciendo al mínimo la resis-tencia de contacto.

Las conexiones eléctricas están sujetas a diversos factores que pueden amenazar su estabilidad. Se han identificado cuatro variables que afectan la co-nexión de barrajes tipo nema planos y se recomien-dan las respectivas alternativas de solución.

Como soluciones a los problemas planteados se su-gieren: el uso del torquímetro para que haya un ade-cuado par de apriete, usar resina inhibidora para evi-tar la corrosión galvánica, el uso de un resorte tipo beleville que mantenga la presión constante entre las superficies a conectar, y finalmente, recubrimien-tos órgano-metálicos que son inmunes al fenómeno de polaridad inversa.

VII. REFERENCIAS

[1] Santamaría, G. (2009). Electrotecnia. EDITEX, S.A. p. 31.[2] Cervantes, J & Torres, J. (2003). Influencia del tiempo en celdas decarga de alta exactitud. Monterrey, México [Online]. Disponible:http://www.cenam.mx/fyp/Archivos%20PDF/Fuer-za/ArtFueTiempoenceldasAMMAC%202003.pdf[3] Bilurbina, L.; Liesa, F. & Iribarren, J. (2003). Co-rrosión y Protección(p.52). Cataluña: Editorial Universidad Politécnica de Cataluña.[4] Ortiz Berrocal, L. (2007). Resistencia de ma-teriales. Madrid: McGraw-Hill/Interamericana de España, S.A.[5] Slade, P. (2014). Electrical Contacts: princi-ples and applications(p.322). EE.UU: CRC Press.[6] Slade, P. (2014). Electrical Contacts: principles and applications(p.321). EE.UU: CRC Press.[7] Recuperado de: notasymejoras.wordpress.com/2014/01/05/corrosiongalvanica/[8] Recuperado de:http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/fis/coefidi-lat.pdf

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