En el campo de la energía eléctrica , un casquillo es un aislante eléctrico hueco que permite que un conductor eléctrico pase de forma segura a través de una barrera conductora, como la caja de un transformador o un disyuntor, sin hacer contacto eléctrico con ella. Los casquillos suelen estar hechos de porcelana , aunque también se utilizan otros materiales aislantes.
Todos los materiales que llevan una carga eléctrica generan un campo eléctrico . Cuando un conductor energizado está cerca de un material con potencial de tierra, puede formar intensidades de campo muy altas, especialmente cuando las líneas de campo se ven obligadas a curvarse bruscamente alrededor del material conectado a tierra. El aislador controla la forma y la intensidad del campo y reduce las tensiones eléctricas en el material aislante.
Un aislador debe estar diseñado para soportar la intensidad del campo eléctrico producido en el aislamiento, cuando hay algún material conectado a tierra. A medida que aumenta la intensidad del campo eléctrico, pueden desarrollarse vías de fuga dentro del aislamiento. Si la energía de la vía de fuga supera la rigidez dieléctrica del aislamiento, puede perforar el aislamiento y permitir que la energía eléctrica se conduzca al material conectado a tierra más cercano, lo que provocaría quemaduras y arcos eléctricos.
Un diseño de buje típico tiene un conductor, generalmente de cobre o aluminio, ocasionalmente de otro material conductor, rodeado de aislamiento, excepto los extremos de los terminales.
En el caso de una barra colectora, los terminales del conductor sostendrán la barra colectora en su ubicación. En el caso de un pasamuros, también se fijará un dispositivo de fijación al aislamiento para mantenerlo en su ubicación. Por lo general, el punto de fijación es integral o rodea el aislamiento sobre parte de la superficie aislada. El material aislante entre el punto de fijación y el conductor es el área más sometida a tensión.
El diseño de cualquier pasatapas eléctrico debe garantizar que la resistencia eléctrica del material aislado sea capaz de soportar la "energía eléctrica" penetrante que pasa a través del conductor, a través de cualquier área altamente estresada. También debe ser capaz de soportar momentos de alta tensión ocasionales y excepcionales, así como la tensión soportable normal de servicio continuo, ya que es la tensión la que dirige y controla el desarrollo de las vías de fuga y no la corriente.
Los bujes aislantes se pueden instalar tanto en interiores como en exteriores, y la selección del aislamiento estará determinada por la ubicación de la instalación y la función del servicio eléctrico del buje.
Para que un pasamuros funcione correctamente durante muchos años, el aislamiento debe conservar su eficacia tanto en su composición como en su forma de diseño y serán factores clave para su supervivencia. Por lo tanto, los pasamuros pueden variar considerablemente tanto en material como en estilo de diseño.
Los primeros diseños de casquillos utilizan porcelana para aplicaciones tanto en interiores como en exteriores. La porcelana se utilizó originalmente debido a sus propiedades de ser impermeable a la humedad una vez sellada con esmalte cocido y por su bajo coste de fabricación. La principal desventaja de la porcelana es que su pequeño valor de expansión lineal debe compensarse mediante el uso de juntas flexibles y accesorios metálicos de gran tamaño, dos problemas de fabricación y funcionamiento.
Un pasamuros de porcelana básico es una pieza hueca de porcelana que encaja en un orificio en una pared o en una caja de metal, lo que permite que un conductor pase por su centro y se conecte a otros equipos en ambos extremos. Los pasamuros de este tipo suelen estar hechos de porcelana cocida mediante un proceso húmedo, que luego se esmalta. Se puede utilizar un esmaltado semiconductor para ayudar a igualar el gradiente de potencial eléctrico a lo largo del pasamuros.
El interior del buje de porcelana a menudo se llena con aceite para proporcionar aislamiento adicional y los bujes de esta construcción se utilizan ampliamente hasta 36 kV donde se permiten descargas parciales más altas.
Cuando se requiere una descarga parcial para cumplir con la norma IEC 60137, se utilizan conductores aislados con papel y resina junto con porcelana, para aplicaciones interiores y exteriores sin calefacción.
El uso de bujes aislados con resina (polímero, polimérico, compuesto) para aplicaciones de alto voltaje es común, aunque la mayoría de los bujes de alto voltaje generalmente están hechos de aislamiento de papel impregnado de resina alrededor del conductor con cobertizos de protección climática de porcelana o polímero, para el extremo exterior y ocasionalmente para el extremo interior.
Otra forma temprana de aislamiento fue el papel, sin embargo, el papel es higroscópico y absorbe la humedad, lo que es perjudicial y se ve perjudicado por los diseños lineales inflexibles. La tecnología de resina fundida ha dominado los productos aislantes desde la década de 1960, debido a su flexibilidad de forma y su mayor resistencia dieléctrica.
Por lo general, el aislamiento de papel se impregna posteriormente con aceite (históricamente) o, más comúnmente en la actualidad, con resina. En el caso de la resina, el papel se recubre con una película de resina fenólica para convertirse en papel aglomerado con resina sintética (SRBP), o se impregna después del bobinado en seco con resinas epóxicas, para convertirse en papel impregnado con resina o papel impregnado con resina epóxica (RIP, ERIP).
Los aisladores SRBP se utilizan normalmente hasta tensiones de alrededor de 72,5 kV. Sin embargo, por encima de 12 kV, es necesario controlar el campo eléctrico externo y equilibrar el almacenamiento de energía interno, lo que limita la rigidez dieléctrica del aislamiento de papel.
Para mejorar el rendimiento de los aisladores de papel, se pueden insertar láminas metálicas durante el proceso de bobinado. Estas actúan para estabilizar los campos eléctricos generados, homogeneizando la energía interna utilizando el efecto de la capacitancia. Esta característica dio lugar al aislador de condensador/capacitador.
El casquillo del condensador se fabrica insertando capas muy finas de lámina metálica en el papel durante el proceso de bobinado. Las láminas conductoras insertadas producen un efecto capacitivo que disipa la energía eléctrica de manera más uniforme en todo el papel aislado y reduce la tensión del campo eléctrico entre el conductor energizado y cualquier material conectado a tierra.
Los bujes del condensador producen campos de tensión eléctrica que son significativamente menos potentes alrededor de la brida de fijación que los diseños sin láminas y, cuando se utilizan junto con la impregnación de resina, producen bujes que se pueden usar con voltajes de servicio superiores a un millón de voltios con gran éxito.
Desde la década de 1965, se han utilizado materiales de resina para todo tipo de pasatapas, incluso para los voltajes más altos. La flexibilidad de utilizar un tipo de aislamiento moldeable ha reemplazado al aislamiento de papel en muchas áreas de productos y domina el mercado actual de pasatapas aislantes.
Al igual que con el aislamiento de papel, el control de los campos de tensión eléctrica sigue siendo importante. El aislamiento de resina tiene una mayor resistencia dieléctrica que el papel y requiere menos control de tensión a voltajes inferiores a 25 kV. Sin embargo, algunos diseños de aparamenta compactos y de mayor capacidad tienen materiales conectados a tierra más cerca de los pasatapas que en el pasado y estos diseños pueden requerir pantallas de control de tensión en pasatapas de resina que operan a tan solo 12 kV. Los puntos de fijación suelen estar integrados con la forma de resina principal y presentan menos problemas para los materiales conectados a tierra que las bridas metálicas utilizadas en los pasatapas de papel.
Sin embargo, se debe tener cuidado en los diseños de aisladores con resina que utilizan pantallas fundidas internamente, de modo que el beneficio del control del campo de tensión eléctrica no se vea contrarrestado por el aumento de la descarga parcial causada por las dificultades de eliminar los microhuecos en la resina alrededor de las pantallas durante el proceso de fundición. La necesidad de eliminar los huecos en la resina se vuelve más sensible a medida que aumentan los voltajes, y es normal volver al aislamiento de papel laminado impregnado con resina para los aisladores con capacidad nominal superior a 72,5 kV.
Los aisladores a veces fallan debido a una descarga parcial . Esto se debe a veces a la degradación lenta y progresiva del aislamiento a lo largo de muchos años de servicio energizado; sin embargo, también puede ser una degeneración rápida que destruya un aislador en buen estado en cuestión de horas. En la actualidad, existe un gran interés por parte de la industria de suministro eléctrico en monitorear el estado de los aisladores de alto voltaje. Sin embargo, algunos aisladores que fallan al principio del servicio se deben a fallas en el control de voltaje o en la realización de mantenimiento esencial, mientras que otros se relacionan con mecanismos de falla incipientes incorporados en la fabricación. Esta opinión se evidencia por la minoría de fallas de aisladores en todo el mundo.
Generalmente, se realiza un análisis con el método de elementos finitos antes de calificar un aislador para su uso en un nuevo equipo o ubicación. Esto es especialmente cierto en el caso de los aisladores que se encuentran alrededor de conductores de alta tensión. El análisis eléctrico generalmente se centra en la creación del campo eléctrico alrededor del conductor y en cómo la forma del aislador afecta ese campo. El análisis estructural considera las cargas (viento, nieve, terremotos, lluvia, etc.) que se espera que resista el aislador.
