Tesis-Gina-Leonardo-David-21Mayo14-14

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
UNIDAD ZACATENCO 
“Análisis de diferentes técnicas para la atenuación del 
campo eléctrico en boquillas de alta tensión.” 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE 
INGENIERO ELECTRICISTA 
 PRESENTAN: 
Madrid Hernández Gina Lizbeth 
Mendoza Romero Josué David 
Vergara Valdez Leonardo 
ASESOR 
Dr. Fermín P. Espino Cortés 
 
México, D.F. Junio de 2013 
 
ii 
 
RESUMEN 
 
 
En las boquillas de alta tensión se requiere que el esfuerzo eléctrico en la vecindad de la 
brida de montaje se mantenga lo más bajo posible para evitar que éste llegue a provocar 
no solo la falla de boquilla sino incluso del equipo completo en el que está instalada. En 
este trabajo de tesis se utiliza el método del elemento finito para la simulación del 
campo eléctrico en una boquilla polimérica clase 170 kV con tres diferentes métodos de 
atenuación. El primer método consiste en el uso de un sistema capacitivo, que es el que 
actualmente se utiliza en la mayoría de las boquillas. Las boquillas con sistema capacitivo 
requieren de un proceso de manufactura complejo que eleva considerablemente su 
costo, por lo que existe interés por parte de los fabricantes de boquillas y 
transformadores en alternativas que no incluyan pantallas metálicas dentro de la 
boquilla. Las otros dos métodos analizados son una alternativa al uso de pantallas 
metálicas; estas son: la aplicación de materiales de alta permitividad y de conductividad 
no lineal. De acuerdo con los resultados obtenidos, el uso de materiales de alta 
permitividad es una opción viable para el control de campo eléctrico en boquillas de alta 
tensión, mientras que los materiales con conductividad no lineal podrían presentar 
problemas en ciertas condiciones de operación o durante las pruebas de aceptación. 
Tabla de Contenido 
 
 
TABLA DE CONTENIDO 
RESUMEN ............................................................................................................................................................ ii 
GLOSARIO ....................................................................................................................................................... xvii 
NOMENCLATURA.......................................................................................................................................... xix 
GENERALIDADES .......................................................................................................................................... xxi 
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. .................................................................................................... xxii 
OBJETIVOS ..................................................................................................................................................... xxiv 
JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................................. xxv 
ESTADO DEL ARTE ................................................................................................................................... xxvii 
LIMITACIONES Y ALCANCES .................................................................................................................. xxix 
Capítulo 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. ...................................................... 1 
1.1 Introducción ..................................................................................................................................... 1 
1.2 Tipos de boquillas para equipos de alta tensión. ............................................................... 1 
1.3 Selección de boquillas de alta tensión .................................................................................... 7 
1.4 Pruebas a boquillas de alta tensión. ...................................................................................... 13 
1.5 Fallas típicas en boquillas de alta tensión........................................................................... 17 
Capítulo 2. CONCEPTOS FÍSICOS Y MODELADO DE CAMPO ELÉCTRICO ............................ 19 
iv 
 
2.1 Introducción ................................................................................................................................... 19 
2.2 Definición de campo eléctrico. ................................................................................................ 19 
2.3 Clasificación de los campos eléctricos .................................................................................. 20 
2.4 Campo electrostático .................................................................................................................. 21 
2.5 Líneas equipotenciales ............................................................................................................... 23 
2.6 Potencial eléctrico ........................................................................................................................ 23 
2.7 Condiciones en la frontera ........................................................................................................ 24 
2.8 Modelado de una boquilla sin métodos de atenuación.................................................. 25 
2.9 Solución. ........................................................................................................................................... 32 
Capítulo 3. DISEÑO DE UN SISTEMA CAPACITIVO PARA EL CONTROL DE ESFUERZOS 
EN BOQUILLAS DE ALTA TENSIÓN ........................................................................................................ 36 
3.1 Introducción ................................................................................................................................... 36 
3.2 Efecto de las pantallas conductoras en la distribución de campo eléctrico. ......... 36 
3.3 Diseño de un sistema capacitivo para el control de esfuerzos eléctricos. .............. 38 
3.4 Diseño de un sistema capacitivo para una boquilla de 170 kV. ................................. 53 
3.5 Relación entre campo eléctrico radial y campo eléctrico tangencial. ...................... 73 
3.6 Ventajas y desventajas. .............................................................................................................. 89 
Capítulo 4. CONTROL DE ESFUERZOS EN BOQUILLAS DE ALTA TENSIÓN MEDIANTE 
EL USO DE MATERIALES CON CONDUCTIVIDAD NO LINEAL. .................................................... 93 
v 
 
4.1 Introducción ................................................................................................................................... 93 
4.2 Materiales no lineales para el control de esfuerzos eléctricos en boquillas. ....... 93 
4.3 Diseño de un sistema con materiales no lineales para la atenuación de campo 
eléctrico ......................................................................................................................................................... 99 
4.4 Ventajas y desventajas de la utilización de materiales no lineales para la 
atenuación de campo eléctrico. ......................................................................................................... 119 
Capítulo 5. CONTROL DE ESFUERZOS EN BOQUILLAS DE ALTA TENSIÓN MEDIANTE 
EL USO DE MATERIALES CON ALTA PERMITIVIDAD .................................................................. 121 
5.1 Introducción. ............................................................................................................................... 121 
5.2 Materiales de alta permitividad dieléctrica para el control de esfuerzos en 
boquillas. .................................................................................................................................................... 121 
5.3 Diseño de un sistema con materiales de alta permitividad dieléctrica para el 
control de esfuerzos en boquillas.................................................................................................... 132 
5.4 Modificación de la geometría del aislador ....................................................................... 137 
5.5 Ventajas y desventajas de un sistema con materiales de alta permitividad 
dieléctrica. ................................................................................................................................................. 145 
Capítulo 6. CONCLUSIONES ................................................................................................................. 146 
6.1 Introducción ................................................................................................................................ 146 
6.2 Conclusiones ............................................................................................................................... 146 
6.3 Recomendaciones para trabajos futuros. ......................................................................... 148 
vi 
 
Referencias .................................................................................................................................................... 150 
Referencias ................................................................................................................................................... 153 
 
Índice de Figuras 
 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
Figura 1-1 Boquilla no capacitiva[5]. ....................................................................................................... 2 
Figura 1-2Distribución del esfuerzo en la boquilla no capacitiva[5].¡Error! Marcador no 
definido. 
Figura 1-3 Boquilla tipo capacitiva[5]. .................................................................................................... 4 
Figura 1-4 Distribución del campo en una boquilla No capacitiva y capacitiva[5]. ............... 5 
Figura 1-5 Conexiones de una boquilla de un transformador (a)tipo conductor (b)tipo 
conexión inferior[5]. ..................................................................................................................................... 12 
Figura 1-6 Campo eléctrico en el extremo interno de conexión de una boquilla de alta 
tensión para transformador; (a) tipo convencional (b) tipo reentrante[5]. .......................... 12 
Figura 1-7 Prueba de medición de descargas parciales a una boquilla[5]. ............................. 15 
Figura 2-1 Geometría de la boquilla. ...................................................................................................... 25 
Figura 2-2 Partes de la Boquilla Simulada ........................................................................................... 26 
Figura 2-3 Materiales de la imagen. ........................................................................................................ 27 
Figura 2-4 Asignación de potencial eléctrico. ..................................................................................... 29 
Figura 2-5 Contornos puestos a tierra. .................................................................................................. 29 
Figura 2-6 Dominio con elementos infinitos. ...................................................................................... 30 
Figura 2-7 Mallado de la boquilla. ........................................................................................................... 31 
Figura 2-8 Líneas equipotenciales de boquilla sin métodos de atenuación. ......................... 32 
viii 
 
Figura 2-9 Campo eléctrico tangencial de la boquilla sin métodos de atenuación. ............ 33 
Figura 2-10 Campo eléctrico radial de la boquilla sin métodos de atenuación. ................... 34 
Figura 2-11 Potencial eléctrico sobre la superficie de la boquilla sin métodos de 
atenuación. ....................................................................................................................................................... 35 
Figura 3-1 Conductor coaxial sin pantallas conductoras. ............................................................. 37 
Figura 3-2 Conductor coaxial con pantallas conductoras ............................................................. 38 
Figura 3-3 Factores que intervienen en la distribución de la tensión [5]. ............................... 39 
Figura 3-4 Parte superior e inferior de las pantallas. ...................................................................... 41 
Figura 3-5 Determinación de la longitud superior de la primera pantalla. ............................ 42 
Figura 3-6 Constante de distanciamiento superior. ......................................................................... 43 
Figura 3-7 Constante de distanciamiento inferior. ........................................................................... 45 
 Figura 3-8 Superficie gaussiana para línea de carga infinita. ...................................................... 47 
Figura 3-9 Conductores coaxiales. .......................................................................................................... 50 
Figura 3-10 Asignación de longitudes y radios. ................................................................................. 60 
Figura 3-11 Asignación de permitividad a los electrodos. ............................................................ 61 
Figura 3-12 Líneas equipotenciales de la boquilla sin métodos de atenuación. .................. 62 
Figura 3-13 Líneas equipotenciales de la boquilla con pantallas capacitivas. ....................... 63 
Figura 3-14 Potencial eléctrico sobre la superficie de la boquilla sin métodos de 
atenuación. ....................................................................................................................................................... 64 
ix 
 
Figura 3-15 Potencial eléctrico sobre la superficie de la boquilla con métodos de 
atenuación. ....................................................................................................................................................... 65 
Figura 3-16 Campo eléctrico tangencial de la boquilla sin métodos de atenuación. ........... 66 
Figura 3-17 Campo eléctrico tangencial de la boquilla con pantallas capacitivas. .............. 67 
Figura 3-18 Campo eléctrico radial de la boquilla sin métodos de atenuación. .................... 69 
Figura 3-19 Campo eléctrico radial de la boquilla con pantallas capacitivas. ....................... 70 
Figura 3-20 Efecto borde en la última pantalla de la boquilla. .................................................... 72 
Figura 3-21Campo eléctrico entre las últimas pantallas de la boquilla.................................... 72 
Figura 3-22 Configuración para poner todas las pantallas a potencial flotante. .................. 74 
Figura 3-23 Líneas equipotenciales con la última pantalla a potencial flotante. .................. 74 
Figura 3-24 Campo eléctrico tangencial de la boquilla con la última pantalla a potencial 
flotante. .............................................................................................................................................................. 75 
Figura 3-25 Campo eléctrico radial de la boquilla con la última pantalla a potencial 
flotante. .............................................................................................................................................................. 76 
Figura 3-26 Desplazamiento pantalla conectada a tierra. ............................................................. 78 
Figura 3-27 Campo eléctrico tangencial de la boquilla con la pantalla conectada a tierra 
desplazada. ....................................................................................................................................................... 78 
Figura 3-28 Potencial eléctrico a lo largo de la superficie de la boquilla con la pantalla 
conectada a tierra desplazada. .................................................................................................................80 
x 
 
Figura 3-29 Campo eléctrico radial de la boquilla con la pantalla conectada a tierra 
desplazada. ....................................................................................................................................................... 80 
Figura 3-30 Líneas equipotenciales de la boquilla con longitudes modificadas. .................. 85 
Figura 3-31 Campo eléctrico tangencial de la boquilla con longitudes de pantallas 
modificadas. ..................................................................................................................................................... 86 
Figura 3-32 Campo eléctrico radial de la boquilla con longitudes de pantallas 
modificadas. ..................................................................................................................................................... 87 
Figura 3-33 Potencial eléctrico de la boquilla con longitudes de las pantallas modificadas.
 ............................................................................................................................................................................... 89 
Figura 3-34 Relación entre tipo de boquilla y su tamaño [6]. ...................................................... 89 
Figura 3-35 Problemas de manufactura en las boquillas capacitivas 
(http://www.slideshare.net/teoriaelectro/falla-en-boquilla-de-transf-principal). ........... 90 
Figura 3-36 Daño total de la pantalla capacitiva 
(http://www.slideshare.net/teoriaelectro/falla-en-boquilla-de-transf-principal). ........... 91 
Figura 3-37 Daño total de la pantalla capacitiva 
(http://www.slideshare.net/teoriaelectro/falla-en-boquilla-de-transf-principal). ........... 91 
Figura 4-1 Representación esquemática de la microestructura dentro de los materiales 
SiC (carburo de silicio) (izquierda) y microvaristores ZnO (oxido de zinc)(derecha). 
Flecha: posible trayectoria de la corriente; línea roja: contacto entre partículas 
responsables de la no linealidad de los materiales a base de SiC, linea naranja: límite de 
grano responsable de la no linealidad de los materiales microvaristores[14]. .................... 95 
Figura 4-2 Micrografías electrónicas de barrido (a) partículas de SiC y (b) 
microvaristores ZnO[14]. ........................................................................................................................... 96 
xi 
 
Figura 4-3 Geometría original ................................................................................................................ 100 
Figura 4-4 Geometría modificada. ........................................................................................................ 100 
Figura 4-5 Distribución de líneas equipotenciales de la boquilla sin material no lineal. 102 
Figura 4-6 Campo eléctrico con tensión pico de fase 138.8 kV sobre la boquilla sin 
material no lineal. ....................................................................................................................................... 102 
Figura 4-7 Distribución de líneas equipotenciales con tensión pico de línea de 240 kV
 ............................................................................................................................................................................ 103 
Figura 4-8 Campo eléctrico con tensión pico de línea de 240 kV ........................................... 103 
Figura 4-9 Posición de la pantalla con material no lineal. .......................................................... 104 
Figura 4-10 Líneas equipotenciales a 138.8 kV con material ZoN-VM-1. ............................. 106 
Figura 4-11 Gráfica de campo eléctrico en la superficie del aislador de la boquilla a 138.8 
kV con material ZoN-VM-1. ..................................................................................................................... 107 
Figura 4-12 Gráfica de calor a 138.8 kV con material ZoN-VM-1. ............................................ 108 
Figura 4-13 Conductividad 138.8 kV con material ZoN-VM-1. ................................................. 109 
Figura 4-14 Líneas equipotenciales a 138.8 kV con material ZoN-VM-2 .............................. 110 
Figura 4-15 Gráfica de campo eléctrico en la superficie del aislador de la boquilla a 138.8 
kV con material ZoN-VM-2 ...................................................................................................................... 110 
Figura 4-16 Gráfica de calor a 138.8 kV con material ZoN-VM-2............................................. 111 
Figura 4-17 Conductividad 138.8 kV con material ZoN-VM-2. ................................................. 112 
Figura 4-18 Líneas equipotenciales a 138.8 kV con material ZoN-VM-3 .............................. 113 
xii 
 
Figura 4-19 Gráfica de campo eléctrico a 138.8 kV con material ZoN-VM-3 ....................... 113 
Figura 4-20 Gráfica de calor a 138.8 kV con material ZoN-VM-3............................................. 114 
Figura 4-21 Conductividad 138.8 kV con material ZoN-VM-3 .................................................. 115 
Figura 4-22 Distribución de lineal equipotenciales del material ZnO-VM-2. ..................... 117 
Figura 4-23 Gráfica de campo eléctrico a 240 kV con material ZnO-VM-2. ......................... 117 
Figura 4-24 Gráfica de calor a 240 kV con material ZnO-VM-2 ................................................ 118 
Figura 4-25 Gráfica de conductividad a 240 kV con material ZnO-VM-2. ............................ 119 
Figura 5-1 Polarización de un átomo.[17] ........................................................................................ 122 
Figura 5-2 Magnitud normalizada del campo eléctrico máximo en el aislador en función 
de r .................................................................................................................................................................. 125 
Figura 5-3 Modelo usado para mostrar el efecto de un material con alta k en el perfil de 
tensión [21] ................................................................................................................................................... 126 
Figura 5-4 Distribución del tensión medido a lo largo de los recubrimientos de material 
compuesto y de silicón del modelo en la figura 5.3[21] .............................................................. 127 
Figura 5-5 Condiciones límite[22] ....................................................................................................... 128 
Figura 5-6 Ley de refracción para campo eléctrico E, en una interfaz con ε1>ε2. ............ 131 
Figura 5-7Simulación con una permitividad relativa de 2.5 en el hule silicón. ................. 133 
Figura 5-8 Campo Eléctrico en la Superficie de los Faldones Con una Permitividad 
relativa en el silicón de εr=2.5. ............................................................................................................ 134 
Figura 5-9 Simulación con una permitividad alta en el silicón (εr = 100). ........................ 135 
xiii 
 
Figura 5-10 Campo Eléctrico en la superficie de los faldones con una alta permitividad 
(εr = 100) ...................................................................................................................................................... 136 
Figura 5-11 Campo Eléctrico en la Superficie de los Faldones Con una Permitividad 
relativa en el silicón de εr=12. ............................................................................................................... 137 
Figura 5-12 Boquilla con el perfil modificado en los faldones. ................................................. 138 
Figura 5-13 Campo Eléctrico en la Superficie de los Faldones Con una Permitividad en 
Silicón de εr=2.5 y la geometría cambiada. ....................................................................................... 139 
Figura 5-14 Campo Eléctrico en la Superficie delos Faldones Con una Permitividad en 
Silicón de εr=12. .......................................................................................................................................... 140 
Figura 5-15 Comparación de gráficas de potencial, a) Gráfica de modelo con los métodos 
empleados, b) Gráfica sin ningún método de atenuación de campo. ...................................... 142 
Figura 5-16Línea trazada en la geometría para graficar el campo radial ............................. 143 
Figura 5-17 Campo eléctrico axial en la parte del herraje . ¡Error! Marcador no definido. 
 
Índice de Tablas 
 
 
ÍNDICE DE TABLAS 
Tabla 1-1Clase de tensión, Línea a tierra y BIL [6]. ............................................................................ 9 
Tabla 1-2 Boquillas con conductor fijo. ................................................................................................. 10 
Tabla 1-3*(4)Conductor guía de la boquilla ........................................................................................ 10 
Tabla 1-4 Principales causas de fallas en la red eléctrica. ............................................................. 17 
Tabla 2-1 Permitividades relativas de los materiales que conforman la boquilla. .............. 27 
Tabla 2-2 Valores máximos del campo eléctrico tangencial y en condiciones de falla 
(tensión de línea) y de operación normal (tensión de fase a tierra) para boquillas sin 
método de atenuación. ................................................................................................................................. 34 
Tabla 3-1 Longitud total de las pantallas ............................................................................................. 56 
Tabla 3- 2 Radios de las pantallas. .......................................................................................................... 59 
Tabla 3-3 Comparación de los valores máximos del campo eléctrico tangencial en 
condiciones de falla para la boquilla sin método de atenuación y la boquillas con 
pantallas capacitivas. .................................................................................................................................... 67 
Tabla 3-4 Comparación de los valores máximos del campo eléctrico tangencial en 
condiciones normales de operación (tensión de fase a tierra) para boquillas sin método 
de atenuación y boquillas con pantallas capacitivas. ....................................................................... 67 
Tabla 3-5 Comparación de los valores máximos de campo eléctrico radial para 170 kV sin 
método de atenuación y con pantallas capacitivas. .......................................................................... 68 
xv 
 
Tabla 3-6 Comparación de los valores máximos del campo eléctrico radial con tensión de 
fase a tierra para la boquilla sin método de atenuación y la boquilla con pantallas 
capacitivas. ....................................................................................................................................................... 70 
Tabla 3-7 Comparación de los valores máximos del campo eléctrico tangencial en 
condiciones normales de operación para la boquilla con la última pantalla a tierra y la 
boquilla con la última pantalla a potencial flotado. .......................................................................... 75 
Tabla 3-8 Comparación de los valores máximos del campo eléctrico radial en condiciones 
normales de operación para la boquilla con la última pantalla a tierra y la boquilla con la 
última pantalla a potencial flotante. ....................................................................................................... 77 
Tabla 3-9 Comparación de los valores máximos del campo eléctrico tangencial en 
condiciones normales de operación para la boquilla con capacitancias uniformes y la 
boquilla pantalla conectada a tierra desplazada. .............................................................................. 79 
Tabla 3-10 Comparación de los valores máximos del campo eléctrico radial en 
condiciones normales de operación para la boquilla con capacitancias uniformes y la 
boquilla con la pantalla conectada a tierra desplazada. ................................................................. 81 
Tabla 3-11 Modificación de la longitud total de las pantallas. ..................................................... 83 
Tabla 3-12 Radios de la boquilla con longitudes de las pantallas modificadas. .................... 84 
Tabla 3-13 Comparación de los valores máximos del campo eléctrico tangencial en 
condiciones normales de operación para la boquilla original y la boquilla con longitudes 
de pantallas modificadas. ............................................................................................................................ 86 
Tabla 3-14 Comparación de los valores máximos del campo eléctrico tangencial en 
condiciones normales de operación para la boquilla original y la boquilla con longitudes 
de pantallas modificadas. ............................................................................................................................ 88 
Tabla 4-1Materiales utilizados. ................................................................................................................ 99 
xvi 
 
Tabla 4-2Materiales no lineales [15]................................................................................................... 105 
Tabla 4-3 Resultado de simulaciones sin material no lineal. ..................................................... 115 
Tabla 4-4 Resultados de simulaciones con material no lineal. ................................................. 115 
Tabla 4-5. Resultados de simulaciones con material no lineal ZnO-VM-2 para la tensión 
pico de fase de 240 kV ............................................................................................................................... 116 
Tabla 5-1 Propiedades magnéticas de algunos materiales usados comúnmente ............. 123 
Tabla 5-2 Máximo campo eléctrico alcanzado en la parte baja de la boquilla cerca de la 
brida. ................................................................................................................................................................ 141 
Glosario 
 
 
GLOSARIO 
BaTiO3. Titanato de Bario, material cerámico ferromagnético de alta permitividad 
dieléctrica. 
Conductividad (σ). Es una propiedad física del material que mide la facilidad que 
presenta un medio al paso de la corriente eléctrica. La conductividad relaciona a la 
intensidad de campo eléctrico con la densidad de corriente. 
Descarga parcial. Es un tipo de descarga localizada resultante de ionización transitoria 
en un sistema de aislamiento cuando el esfuerzo eléctrico debido a la tensión excede un 
cierto valor. La ionización es usualmente localizada sobre una porción de la distancia 
entre electrodos. 
Dieléctrico. Medio en el cual es posible mantener un campo eléctrico interno al ser 
sometido a un campo eléctrico externo, es mal conductor de electricidad, se utiliza como 
medio aislante. 
Divergencia (𝛁·). La función divergencia arroja la cantidad de flujo que se produce en el 
punto donde las dimensiones convergen a cero. 
Gradiente (𝛁). Es un vector que apunta en la dirección donde la función experimenta el 
máximo cambio. 
Permitividad dieléctrica (ε). Es una propiedad física de la materia que mide la facilidad 
que presenta un medio para formar dipolos (separación de cargas positivas y negativas), 
la permitividad mide cuanta carga es capaz de almacenar un medio. 
Polímero. Material formado por macromoléculas, a su vez formado por una unión débil 
de moléculas más pequeñas, (monómera). Los polímeros han sido utilizados 
xviii 
 
exitosamente como aisladores. Las desventajas de las uniones débiles y la baja 
temperatura de descomposición se compensan con su característica de hidrofobicidad.Hidrofobicidad. Propiedad que tiene la superficie de un aislante para formar gotas de 
agua en lugar de formar una película continúa de agua, cuando existen condiciones de 
niebla, humedad o lluvia. 
Efecto Schottky. Esto significa que, si el cuerpo semiconductor está dopado con 
impurezas tipo N, solamente los portadores tipo N (electrones móviles) desempeñarán 
un papel significativo en la operación del diodo y no se realizará la recombinación 
aleatoria y lenta de portadores tipo N y P que tiene lugar en los diodos rectificadores 
normales, con lo que la operación del dispositivo será mucho más rápida. 
Diamagnético. Propiedad de los materiales por la cual se magnetizan débilmente en 
sentido opuesto a un campo magnético aplicado. 
 
 
http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_tipo_N
http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_tipo_N
http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_tipo_N
http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_tipo_P
Nomenclatura 
 
 
NOMENCLATURA 
FEA. Análisis de elemento finito. 
kV. Kilo volts. 
MVA. Mega volts ampere 
RBP. Papel aglomerado con resina. 
OIP. Papel impregnado en aceite. 
RIP. Papel impregnado en resina. 
NBA. Nivel básico de aislamiento. 
ZoN-VM. Compuesto óxido de zinc como varistor. 
°C. Grados centígrados 
°K. Grados Kelvin 
IEEE. Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos 
kA. Kilo Amperes 
�̅�. Intensidad de campo eléctrico 
�̅� . Densidad de flujo eléctrico 
𝛻. Operador gradiente 
𝛻 ∙. Operador divergencia 
xx 
 
𝛻 ×. Operador rotacional 
𝜌. Densidad de carga 
𝑑𝑙 .̅ Diferencial de longitud 
𝜀𝑟 . Permitividad relativa 
𝜀0. Permitividad del vacio 
V. Volts 
2D. Dos dimensiones 
SiC. Carburo de Silicio 
ZnO. Óxido de Zinc 
𝜎. Conductividad eléctrica 
RMS. Valor Cuadrático Medio (valor eficaz) 
W/m3. Campo eléctrico 
S/m. Conductividad Eléctrica 
Q. Carga eléctrica 
BaTiO3. Titanato de Bario 
RTV-615. Hule silicón con permitividad relativa de 3 
BTY. Compuesto formado por Ytrio y BaTiO3 
SA. Ácido esteárico 
Generalidades 
 
GENERALIDADES 
Una boquilla es un aislante hueco que se utiliza para transportar uno o más conductores 
de alta tensión a través de una barrera aterrizada tal como una pared o un tanque de 
metal. La boquilla es una parte importante del transformador, ya que está diseñada para 
proteger los conductores que van del devanado del transformador a la línea de 
suministro [1]. Las boquillas no solo se requieren en transformadores de potencia sino 
también en transformadores de medición y equipos de conmutación que suelen ser de 
los componentes más caros en un sistema eléctrico de potencia [2]. 
Las boquillas tienen que ser lo más seguras posibles, ya que si éstas presentan una falla, 
pueden llegar a provocar daños considerables a los equipos en donde están instaladas. 
Las boquillas dentro de su estructura están expuestas a altos esfuerzos eléctricos, por lo 
cual es necesario que el material del que están construidas sea el apropiado para 
soportarlos o que cuenten con un sistema de atenuación de campo eléctrico. Las 
boquillas de alta tensión suelen estar hechas de porcelana o de vidrio transparente, y en 
el interior pueden contener gas, o papel y aceite para proporcionar aislamiento adicional. 
Así como los transformadores han evolucionado e incrementado su potencia (cientos de 
MVA) y tensión, la boquilla ha evolucionado junto con el transformador de potencia. Esta 
continua evolución requiere asegurar un buen funcionamiento y una alta confiabilidad 
de los transformadores, así como de las boquillas. 
En el diseño de una boquilla se busca reducir al máximo el campo eléctrico tanto en su 
interior como en su superficie. El contar con paquetes computacionales especializados 
para el cálculo de campo eléctrico es bastante útil en las etapas de diseño del sistema de 
aislamiento de muchos equipos eléctricos. En el caso de las boquillas, los programas 
para el cálculo de campo eléctrico pueden ser utilizados para diseñar el sistema 
capacitivo utilizado para controlar el esfuerzo eléctrico, así como para analizar posibles 
alternativas basadas en materiales capaces de controlar el campo eléctrico. 
Planteamiento del Problema 
 
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 
Las fallas en la red eléctrica causadas por problemas en boquillas no son muy frecuentes, 
pero cuando éstas llegan a ocurrir pueden causar un gran daño al transformador de 
potencia o al equipo que lo rodea. 
Datos estadísticos del 2004 al 2009, Figura A, muestran que las interrupciones debidas a 
problemas en boquillas son causadas principalmente por sobrecalentamiento en el 
punto de acceso en la boquilla (alrededor de la brida de montaje); la segunda causa es 
por grietas o ruptura en el aislador de porcelana. Estas dos causas pueden estar 
originadas, en muchos casos, por una alta concentración de campo eléctrico. La tercera 
causa es la fuga de aceite de las boquillas. 
 
Figura A Principales fallas en boquillas [1]. 
Una zona de alto riesgo debido a un alto campo eléctrico es la zona inferior de la boquilla 
alrededor de la brida de montaje. El alto campo eléctrico en la parte inferior de la 
boquilla puede producir descargas parciales dentro del material aislante provocando el 
deterioro del mismo y con el tiempo la falla completa de equipo [1]. Por lo anterior, las 
boquillas de equipos de alta tensión requieren de un sistema de control de esfuerzo 
eléctrico en la zona cercana a la brida. Una de las técnicas más utilizadas para controlar 
xxiii 
 
el campo eléctrico en boquillas es mediante un sistema capacitivo de pantallas 
conductoras. Esta técnica, aunque ha sido usada por muchos años con buenos 
resultados, requiere de un proceso de manufactura muy cuidadoso para evitar 
problemas una vez en funcionamiento, lo cual eleva su costo. A nivel mundial existe 
interés por tener una alternativa al sistema capacitivo, por lo que algunas otras 
propuestas están siendo evaluadas. En este trabajo, mediante el cálculo de la distribución 
de campo eléctrico, se analiza el diseño de un sistema capacitivo y de dos sistemas 
alternos basados en materiales que pueden ayudar a reducir el campo eléctrico en la 
zona problemática de las boquillas. Se discuten las ventajas y desventajas de cada 
método. 
Objetivos 
 
OBJETIVOS 
Objetivo específico 
Modelar y analizar diferentes técnicas para el control de la distribución de campo 
eléctrico en boquillas de equipos de alta tensión. 
Objetivos particulares 
 Analizar la distribución de campo eléctrico en boquillas de alta tensión utilizando 
un paquete computacional basado en el método del elemento finito. 
 Describir el procedimiento para el diseño de un sistema capacitivo para controlar 
el esfuerzo eléctrico en una boquilla de alta tensión. 
 Analizar el uso de materiales con conductividad no lineal para el control de 
esfuerzos eléctricos en boquillas de alta tensión. 
 Analizar el uso de materiales de alta permitividad eléctrica para el control de 
esfuerzos eléctricos en boquillas de alta tensión 
 
 
Justificación 
 
JUSTIFICACIÓN 
La creciente demanda de energía eléctrica ha llevado a las compañías eléctricas a 
incrementar su capacidad de generación y transmisión. Un incremento en potencia es 
acompañado en la mayoría de las veces por un incremento de la tensión de los sistemas. 
A mayores tensiones el sistema de aislamiento de los equipos debe ser capaz de soportar 
un esfuerzo mayor para evitar que este falle o que los equipos envejezcan 
prematuramente. 
Las boquillas para equipos de alta tensión deben de ser diseñadas con un sistema que 
ayude a atenuar el alto campo eléctrico que se presenta en la zona de la brida de 
montaje. El uso de un sistema capacitivo por medio de pantallas dentro de la boquilla es 
la técnica de mayor uso en la actualidad. Sin embargo, al requerir de introducir partes 
conductoras en elsistema de aislamiento de la boquilla, este sistema aumenta el riesgo 
de fallas por mal acabado o por un diseño incorrecto. 
 Existe interés por parte de los fabricantes de boquillas en nuevas alternativas que 
puedan controlar el campo eléctrico en estos dispositivos sin necesidad de introducir 
secciones conductoras dentro del aislamiento. Dos alternativas han sido mencionadas en 
trabajos recientes; estas son: 1) el uso de materiales de alta permitividad y 2) el uso de 
materiales con conductividad no lineal. En este trabajo se analizan estas dos alternativas 
y son comparadas con un sistema capacitivo tradicional. 
Mediante modelado de la distribución de campo eléctrico se busca determinar las 
limitantes y ventajas de las nuevas propuestas. Se considera que lo anterior será de gran 
utilidad para aquellas compañías interesadas en implementar sistemas de control de 
esfuerzo en sus diseños. El modelo de la boquilla analizado corresponde a una boquilla 
polimérica de 170 kV. Este tipo fue seleccionado por el gran interés que existe 
actualmente por las boquillas de material polimérico. 
xxvi 
 
Una de las mayores causas de falla en boquillas poliméricas es por una excesiva 
concentración de campo eléctrico en la superficie del aislador. Debido a lo anterior, el 
campo eléctrico en la superficie del aislador de la boquilla es el parámetro utilizado para 
comparar las tres alternativas mencionadas. 
 
Estado del Arte 
 
ESTADO DEL ARTE 
Debido a las consecuencias de un alto campo eléctrico en el aislamiento externo, el 
control de esfuerzos eléctricos en aisladores ha sido estudiado por varios años. El uso de 
anillos equipotenciales y más recientemente el uso de material con propiedades que 
pueden ayudar a controlar el campo eléctrico han sido estudiados en aisladores de 
suspensión. En el caso de boquillas, el control de esfuerzos mediante materiales de alta 
permitividad y conductividad no lineal ha despertado interés en años recientes. A 
continuación se describen algunos trabajos previos realizados con aisladores 
poliméricos y con boquillas. 
 En el 2010, Myriam Paredes et al. investigaron el efecto de materiales 
compuestos de alta permitividad en la atenuación del campo eléctrico en aisladores no 
cerámicos usando compósitos de hule silicón y polvo de BaTi𝑂3 en un modelo de aislador 
polimérico de 115 kV. Se encontró que en un aislador con una permitividad relativa de 
K=8.31 la reducción del campo eléctrico tangencial no es significativa, pero la 
combinación de cambios en la geometría de su perfil junto con los valores altos de K 
pueden ayudar a mejorar la reducción del campo eléctrico. Recientemente, los mismos 
autores han hecho estudios donde mejoran la permitividad en el silicón hasta valores de 
12 [3]. 
En el 2010, R Abd Rahman et al. publicaron los resultados de un trabajo de 
investigación que busca controlar el esfuerzo eléctrico en aisladores poliméricos. En este 
trabajo se usó un material con propiedades no lineales para la atenuación de esfuerzo 
eléctrico en aisladores. Este material fue modelado introduciendo una relación no lineal 
entre el campo eléctrico y la conductividad. Esta relación fue definida en un software 
basado en el Método del Elemento Finito (MEF). Los estudios dela distribución de campo 
eléctrico revelaron que un material con una conductividad eléctrica no lineal apropiada 
puede ser un método efectivo para disminuir el esfuerzo en aisladores poliméricos. Los 
altos picos de campo presentes sobre el aislador, especialmente en el punto triple, fueron 
reducidos hasta en un 60%. 
xxviii 
 
 
En el 2011 Daniel Cruz [4] publicó un trabajo relacionado al diseño de aisladores 
poliméricos de 115 kV con sistemas de atenuación de campo eléctrico. En este trabajo se 
muestra como la geometría del aislador se puede optimizar para encontrar una mayor 
reducción del campo eléctrico con el uso de materiales de alta permitividad. 
Trabajos más recientes han propuesto el uso de materiales de conductividad no lineal en 
boquillas de alta tensión, así como de materiales de alta permitividad para este mismo 
dispositivo. Sin embargo, no se han analizado de manera sistemática las posibles 
ventajas de estas dos opciones en comparación con la atenuación capacitiva que 
actualmente es empleada en boquillas. 
 
Limitaciones y alcances 
 
LIMITACIONES Y ALCANCES 
Limitaciones 
 El modelado de la boquilla polimérica considerada en este trabajo fue para un 
transformador de medición de potencial para reducir el tamaño de la 
geometría a simular. 
 
 En el modelado no se incluyeron los devanados del transformador. Sin 
embargo, se considera que esto no afecta la distribución del potencial en la 
sección externa de la boquilla. 
 
 No se validaron los resultados experimentalmente. 
 
 Los resultados fueron obtenidos sólo para una boquilla de 170 kV. 
 
Alcances 
 La boquilla fue simulada en dos dimensiones considerando fronteras abiertas. 
 
 Se simuló una geometría real de una boquilla de 170 kV. 
 
 Se discuten las ventajas y desventajas de las posibles alternativas para el 
control de esfuerzo eléctrico en boquillas poliméricas. 
 
 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
1 
 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE 
ALTA TENSIÓN. 
1.1 INTRODUCCIÓN 
La boquilla de alta tensión es un accesorio eléctrico clave para el aislamiento en 
transformadores y otros equipos de alta tensión. Existen varios tipos de boquillas, entre 
ellas las boquillas hechas de porcelana pura, rellenas de aceite y las boquillas tipo 
capacitivas. La boquilla más utilizada actualmente para transformadores de alta tensión 
tiene un aislamiento interno tipo papel impregnado en aceite. Sin embargo, las boquillas 
aisladas en SF6 están siendo cada vez más utilizadas en los sistemas aislados en gas. La 
correcta operación del aislamiento de la boquilla se ve disminuida gradualmente, incluso 
se pierde por completo, debido a diferentes causas como lo son: transitorios 
electromagnéticos, calor excesivo, esfuerzos mecánicos y eléctricos e incluso las 
condiciones ambientales en donde se encuentre instalada. Estas causas producen el 
deterioro progresivo de la boquilla. 
Uno de los factores de deterioro más importantes en la boquilla bajo operación es la 
concentración de campo eléctrico en determinados puntos de su estructura. Este 
deterioro dependerá del material aislante y de la estructura de la boquilla. En este 
capítulo se describen los tipos de boquillas que se encuentran actualmente disponibles 
en el mercado eléctrico. También se describe el proceso de selección de las boquillas y 
las pruebas eléctricas más comunes a las que son sometidas. 
1.2 TIPOS DE BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
Las boquillas son utilizadas para aislar los conductores que conectan las secciones 
interiores de los equipos eléctricos con la línea de suministro, por ejemplo en 
transformadores de potencia, transformadores de instrumentos e interruptores de alta 
tensión. Su forma depende de la tensión nominal, los materiales aislantes y el medio en el 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
2 
 
que se encuentran instaladas. En general, las boquillas se pueden agrupar en dos tipos: 
no capacitivas y graduadas capacitivamente. 
1.2.1 Boquillas no Capacitivas. 
En su forma más simple, una boquilla consiste en un conductor rodeado por un cilindro 
de material aislante, porcelana, vidrio, resina epóxica, papel, etc., como se muestra en la 
Figura 1-1. El espesor radial a se rige por la resistencia eléctrica del aislamiento y la 
distancia (b) axial por el medio que lo rodea [5]. 
 
Figura 1-1 Boquilla no capacitiva [5]. 
 
 Figura 1-2 Distribución del esfuerzo en la boquilla no capacitiva [5]. 
 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
3 
 
Como se muestra en la Figura 1-2, la distribución del esfuerzo eléctricoa través del 
aislamiento o a lo largo de la superficie de la boquilla es no lineal. La concentración de 
esfuerzo en el aislamiento puede dar lugar a descargas parciales y a una reducción en la 
vida en servicio de la boquilla. El esfuerzo axial elevado puede dar lugar a descargas 
parciales dentro de la boquilla y descargas en la superficie de la misma. A medida que la 
tensión nominal aumenta, las dimensiones requeridas llegan a ser tan grandes que esta 
forma de boquilla no es una opción práctica. 
1.2.2 Boquillas Capacitivas 
En tensiones nominales de más de 52 kV, generalmente se utiliza la boquilla principal 
con atenuación capacitiva, como se muestra en la Figura 1-3. El material aislante de dicha 
boquilla es usualmente papel tratado. A continuación se mencionan los tipos de papel 
más comunes: 
 Papel aglomerado con resina (RBP). 
 Papel impregnado en aceite (OIP). 
 Papel impregnado en resina (RIP). 
A medida que el papel se enrolla en el tubo central, las capas conductoras se insertan 
para formar una serie de capacitores concéntricos entre el tubo y la brida de montaje. El 
diámetro y la longitud de cada capa están diseñados de manera que las capacitancias 
parciales den una distribución uniforme del esfuerzo axial y puedan controlar el 
esfuerzo radial, dentro de los límites que soporta el material de aislamiento. [5] 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
4 
 
 
Figura 1-3 Boquilla tipo capacitiva [5]. 
1.2.2.1 Boquillas de papel aglomerado con resina (RBP). 
Las boquillas RBP han sido utilizadas extensivamente en transformadores para tensiones 
de hasta 420 kV, pero ahora se limita su uso a baja tensión, especialmente en equipos 
interruptores. En boquillas RBP, el papel se recubre primero con una resina fenólica o 
epóxica, después se enrolla en una forma cilíndrica con calor y presión, insertando las 
capas en intervalos apropiados. El uso de boquillas RBP está limitado por el ancho del 
papel disponible y por el peligro de inestabilidad térmica del aislamiento debido a las 
pérdidas dieléctricas del material [5]. 
El aislamiento RBP es esencialmente un laminado de resina y papel. Por lo tanto, la 
boquilla contiene una cantidad considerable de aire distribuido entre las fibras del papel 
y en los bordes de las capas atenuadas [5]. En la figura 1.4 se muestra el efecto de la 
atenuación capacitiva comparándola con el caso en el cual no se tiene un sistema de 
control de campo eléctrico. 
 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
5 
 
 
Figura 1-4 Distribución del campo en una boquilla no capacitiva y capacitiva [5]. 
 
Cuando existen fallas internas en la boquilla, la tensión se eleva y da inicio a la descarga 
parcial que puede surgir en la capa, donde la tensión es mayor que el esfuerzo radial 
entre las capas. Durante la fabricación, se pueden producir grietas por la contracción o la 
unión débil de la resina impregnada en el papel. 
Las sobretensiones que surgen cuando los equipos están en servicio suelen ser 
producidas por sobretensiones por maniobra o por descargas atmosféricas. La ruptura 
en una boquilla causada por este tipo de esfuerzo, normalmente se iniciaría axialmente 
desde los extremos de las capas [5]. 
1.2.2.2 Papel impregnado en aceite (OIP). 
EL aislamiento OIP es utilizado en las boquillas y los transformadores hasta las tensiones 
más altas de servicio. Las boquillas OIP se fabrican enrollando papel sin tratar, 
insertando capas conductoras en lugares específicos e impregnándolas en aceite; 
después son secadas al vacío [5]. 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
6 
 
El papel utilizado es generalmente kraft sin blanquear que está disponible con un grosor 
de hasta de 5 mm. Esta anchura es suficiente para la mayoría de aplicaciones, pero para 
las boquillas de ultra alta tensión se han utilizado diversos métodos para extender la 
longitud del capacitor utilizando múltiples piezas para su construcción o devanando la 
cinta de papel [5]. 
Es importante que el papel sea suficientemente poroso para permitir un secado e 
impregnación eficientes, manteniendo así una rigidez dieléctrica adecuada. 
El aceite usado es un aceite mineral, tal como se utiliza en transformadores de potencia e 
interruptores. Antes de la impregnación, se lleva a cabo un proceso para asegurar una 
baja humedad y un bajo contenido de gas para mantener una rigidez dieléctrica elevada. 
En ciertas aplicaciones, otras propiedades pueden ser importantes, por ejemplo, bajo 
punto de congelación en instalaciones de baja temperatura [5]. 
Las descargas pueden ocurrir en los extremos de las capas capacitivas (debido a la falta 
de alineación) o en las capas con altos niveles de esfuerzo asociados con las pruebas de 
impulso o de rayo y pruebas a alta frecuencia [5]. 
1.2.2.3 Papel Impregnado en resina (RIP). 
En el proceso de fabricación, la cinta o láminas de papel crepé se enrollan en un 
conductor. Las capas conductoras se insertan en posiciones predeterminadas 
construyendo un arreglo capacitivo para el control del esfuerzo eléctrico. El aislamiento 
de papel crudo se seca en un autoclave bajo temperatura estrictamente controlada y en 
vacío. La resina epóxica pasa a cubrir el enrollamiento de papel. Durante el ciclo de 
curado de la resina, la contracción también debe ser controlada para evitar la producción 
de grietas debido a esfuerzos mecánicos internos. El aislamiento resultante asegura una 
boquilla con bajas pérdidas dieléctricas [5]. 
Durante la fabricación, la capa conductora sigue la forma del papel crepé. La separación 
entre las capas individuales varía entre los picos y valles del papel crepé. La separación 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
7 
 
entre las capas con resina impregnada en papel es más gruesa que la separación en las 
boquillas de papel aglomerado, por lo tanto no pueden aprovecharse todas las ventajas 
de la alta resistencia intrínseca de la resina. 
1.3 SELECCIÓN DE BOQUILLAS DE ALTA TENSIÓN 
Seleccionar la boquilla para la aplicación correcta no siempre es sencillo, pues hay que 
hacer coincidir los niveles básicos de aislamiento y corriente de la boquilla con los del 
transformador [6]. Hay numerosos factores que deben tomarse en cuenta cuando se 
selecciona una boquilla. Los siguientes son los factores clave que necesitan ser 
considerados en la selección de boquillas [6]. 
1.3.1 Condición de Servicio 
 Los siguientes elementos se consideran condiciones normales de servicio por las normas 
IEEE en diseño de boquillas: 
 La temperatura ambiente del aire no debe de exceder los 40°C y la temperatura 
ambiente promedio del aire para cualquier periodo de 24 horas no debe de 
exceder los 30°C. 
 La temperatura ambiente del aire no debe de ser menor a -30°C. 
 La altitud no debe de exceder los 1000 metros. 
 La temperatura del aceite aislante del transformador en el extremo interior de la 
boquilla está sumergido y la temperatura de la superficie de la boquilla 
atornillada no excedan los 95°C promediado en un periodo de 24 horas 
 La terminal externa y las conexiones no deben exceder los 30°K 
 La boquilla es montada en un ángulo de inclinación a la vertical no excediendo los 
20°. 
Los siguientes elementos son considerados los más comunes en condiciones inusuales de 
servicio por el IEEE: 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
8 
 
 Aplicaciones a altitudes superiores a los 1000 metros. 
 Humos o vapores nocivos, exceso de polvo abrasivo, mezclas explosivas de polvo 
o gases, vapor de niebla salina, condiciones húmedas, formación de hielo etc. 
 Inclinación mayor a 20° acorde a la vertical. Esto puede causar la ruptura y falla 
de las boquillas de porcelana. 
 Vibración anormal o descargas. 
 Temperaturas inusuales. 
 Proximidad de paredes o estructuras que puedan causar la limitación de la 
circulación del aire. La aplicación de sistemas anti fuego debe de ser considerada, especialmente con 
respecto a la distancia de fase a fase para las boquillas. 
1.3.2 Tensión nominal y Nivel Básico de Aislamiento (NBA) 
Las boquillas son clasificadas de acuerdo con la tensión nominal del transformador 
trifásico. Esta clasificación es conocida como clase de tensión. El voltaje máximo de fase 
a tierra es la información clave necesaria cuando se seleccionan las boquillas en 
transformadores de potencia, pero en el caso de transformadores de instrumentos la 
clase de tensión se relaciona con la tensión de línea [6]. 
Ejemplo de ello son las boquillas de clase 161 kV y 230 kV para transformadores de 
potencia. Ambas boquillas están disponibles con una tensión máxima de fase a tierra de 
146 kV; por lo tanto, ambas se pueden aplicar a un transformador de clase 230 kV. Sin 
embargo, se requiere que la boquilla además tenga el nivel básico de aislamiento 
adecuado (NBA). La regla básica es que el NBA de la boquilla sea igual o superior al NBA 
del transformador en el que se instala. Como ejemplo, si se considera que la boquilla de 
clase 161 kV tiene un NBA de 750 kV y la de 230 kV tiene un NBA de 900 kV, mientras 
que el trasformador de 230 kV está clasificado para un NBA de 800kV, entonces no se 
debería de seleccionar la boquilla 161 kV sino la de 230 kV. La tabla 2 muestra las clases 
de tensión para los estándares del IEEE [6] 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
9 
 
Tabla 1-1Clase de tensión, Línea a tierra y BIL [6]. 
Clase de tensión 
kV 
Línea a Tierra 
kV 
BIL 
kV 
25* 16 150 
34.5 22 200 
46* 29 250 
69 44 350 
115* 88 550 
138 88 650 
138* 102 650 
161* 102 750 
161* 146 750 
900 146 900 
345* 220 1050 
345 220 1175 
345* 220 1300 
500* 318 1300 
500* 318 1550 
500 318 1675 
765* 485 1800 
765 485 2050 
*Estas clases de tensión ya no son cubiertas por IEEE C57.19.01 para nuevos 
transformadores de potencia 
1.3.3 Corriente Nominal. 
La selección de la corriente nominal de la boquilla se define de tal manera que este valor 
no limite la capacidad de carga o de sobrecarga del transformador. Es importante 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
10 
 
conocer que las boquillas con papel aislante no utilizan papel kraft térmicamente 
mejorado como los transformadores de potencia modernos [6]. 
Las boquillas seleccionadas para una corriente al 120% de la corriente nominal del 
transformador de potencia se consideran capaces de soportar los requisitos de 
sobrecarga de la norma IEEE C57.12.00. 
Otra consideración al seleccionar la corriente nominal de una boquilla es la 
estandarización. Con el pasar de los años las boquillas se ofrecen con una amplia 
variedad de corrientes nominales, con valores de 400 amperes como mínimo. En las 
normas del IEEE se han hecho esfuerzos en limitar el número de corrientes nominales 
diferentes, pero los malos hábitos de selección son difíciles de cambiar y siguen 
existiendo una gran cantidad de corrientes nominales. Las tablas 1-2 y 1-3 enlistan 
corrientes nominales estándar que deben de ser consideradas para la selección del 
conductor de las boquillas [6] 
Tabla 1-2 Boquillas con conductor fijo. 
Clase de Voltaje, kV Valores de Corriente Normalizados(Amperes) 
34.5 1,200,2000,3000 y 5000 
69 a 230 1,200,2000,3000,5000 y 6000 
345 a 765 1,200,2000 y 3000 
Tabla 1-3*(4)Conductor guía de la boquilla 
Clase de Voltaje kV Valores de Corriente Normalizados(Amperes) 
34.5 400, 1, 500 y 3000 
69 400, 1, 400, 2000 y 3000 
138 800 y 1400 
230 y 345 800 y 1600 
500 800 
765 800 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
11 
 
*Clasificación de guías por arriba de 400 y 800 amperes 
 
Las conexiones por encima de 345 kV pueden no ser convenientes, pues los 
requerimientos del aislamiento del transformador pueden no adaptarse a las conexiones 
a un nivel superior de niveles NBA [6]. 
Las boquillas no capacitivas son generalmente utilizadas en tensiones de distribución de 
hasta 52 kV. En el caso de transformadores de tipo seco, las boquillas forman una parte 
integral del devanado encapsulado en resina [6]. 
1.3.4 Boquillas para transformadores. 
Los transformadores requieren de boquillas terminales para los devanados del primario 
y secundario. Dependiendo de la configuración del sistema en la parte exterior, éstas 
pueden operar en aire, aceite o gas [5]. 
Las boquillas tipo capacitivas se han desarrollado para tensiones nominales de hasta 
1600 kV. Las boquillas de los transformadores no son exclusivamente del tipo OIP (papel 
impregnado en aceite). Las boquillas tipo RIP y algunas RBP también se utilizan hasta 
245 kV [5]. 
El final de aceite de la boquilla puede ser de dos tipos: convencionales o del tipo 
reentrante. El tipo convencional se consideró anteriormente. De una comparación de las 
dos formas que se muestran en la figura 1-5, se puede observar que el tipo reentrante es 
más corto y como no se requiere escudo de esfuerzo, el diámetro del transformador 
puede ser. El cable del transformador debe estar aislado con papel de aproximadamente 
30% de la tensión de servicio y es posible que los gases puedan quedar atrapados hacia 
el interior de la superficie [5]. 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
12 
 
 
Figura 1-5 Conexiones de una boquilla de un transformador (a) tipo conductor, (b) tipo 
conexión inferior [5]. 
 
Figura 1-6 Campo eléctrico en el extremo interno de conexión de una boquilla de alta 
tensión para transformador: (a) tipo convencional (b) tipo reentrante [5]. 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
13 
 
Las capas adicionales se incluyen en el devanado para proporcionar un divisor de 
tensión capacitivo. Este tipo de roscado tiene alta capacitancia en comparación con la 
boquilla principal y se puede utilizar en el servicio, conectado a una boquilla diseñada 
para potencial para proporcionar una fuente de tensión de hasta 5 kV y una potencia de 
salida típicamente de 100 VA. Esta energía puede ser utilizada para suministrar los 
relevadores y equipos de medición [7]. 
1.3.5 Boquillas de Alta Corriente 
Las boquillas utilizadas en el lado de baja tensión del generador de transformadores 
requieren una consideración especial, debido a su condición de funcionamiento. Esta 
disposición puede producir temperaturas en aire alrededor de la boquilla de hasta 90 C, 
que difiere mucho de las condiciones estándar. Es esencial que la boquilla y las 
conexiones estén diseñadas para reducir las pérdidas en el conductor y para poder 
disipar el calor de manera eficiente. En corrientes de servicio hasta los 40 kA, el 
calentamiento local debido a las conexiones defectuosas puede causar graves daños. Para 
facilitar la refrigeración, a menudo se utiliza una configuración multi-palma en las 
terminales finales. Cuando las boquillas de baja tensión y alta corriente se montan en una 
corta distancia, se debe considerar la distorsión de la trayectoria de la corriente en la 
boquilla debida a los efectos magnéticos [7]. 
1.4 PRUEBAS A BOQUILLAS DE ALTA TENSIÓN. 
A continuación se describen los tipos de pruebas más comunes que se realizan a 
boquillas de alta tensión. 
 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
14 
 
1.4.1 Medición de la capacitancia y factor de disipación dieléctrica. 
Esta prueba es probablemente la más aplicada universalmente de todas las pruebas en 
aisladores de alta tensión y sistemas de aislamiento. Las mediciones son hechas con el 
puente Schering o un equipo similar, y dan una indicación de la calidad del 
procesamiento de la boquilla. El factor de disipación, o tangente delta, es idéntico en 
valor al del factor de potencia en el rango de los valores obtenidos. La tangente delta es 
una medida de las pérdidas en el aislamiento y puede indicar el grado de curado de 
materiales resinosos o el contenido dehumedad de RBP y OIP. Esta curva típica, 
procesada correctamente, es plana hasta por lo menos la tensión nominal. Un aumento 
de la tangente delta, sobre todo por debajo de la tensión de operación, es seguro que 
causará un deterioro rápido en el servicio de la boquilla debido al aumento de las 
pérdidas dieléctricas o a descargas parciales internas [7]. 
1.4.2 Prueba a la frecuencia de operación y medición de descargas 
parciales. 
Aunque son clasificadas como pruebas separadas, la prueba a la frecuencia de 
alimentación y la de descargas parciales se combinan a menudo en una sola. Las 
descargas parciales son una causa importante de falla en boquillas y, como se discutió 
anteriormente, éstas suelen aparecer por la formación de huecos, cavidades o 
inclusiones en el aislamiento impregnado, sólido o líquido. Descargas parciales también 
pueden aparecer en las superficiales o en los bordes del material aislante [5]. 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
15 
 
 
Figura 1-7 Prueba de medición de descargas parciales a una boquilla [5]. 
 
Las descargas parciales tienen un efecto más perjudicial en boquillas con sistema de 
aislamiento del tipo OIP y se ha establecido un límite máximo de 10 pC a 1,5 𝑢𝑟/√3, 
siendo 𝑢𝑟 la clase de tensión. En general, cuando el aislamiento tipo OIP o el tipo RIP son 
bien procesados, éstos están libres de descargas detectables a este nivel de pC. Los 
equipos modernos de detección de descargas parciales se han desarrollado con una 
mejor sensibilidad de la medición. Las descargas parciales aparecen en forma de pulsos, 
cuya magnitud se compara con un impulso de calibrado. Cuando se combina con la 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
16 
 
prueba de rutina a frecuencia del sistema, normalmente aplicada por 1 min, el patrón de 
las descargas parciales puede proporcionar más información sobre el sitio donde éstas 
ocurren [5]. 
En la última revisión de la norma IEC 60137 se hicieron cambios en boquillas de 
transformadores, de manera que las pruebas soportadas para boquillas deben llevarse a 
cabo a 10 % por encima de la del transformador para el que están destinados. En algunos 
casos, los fabricantes de transformadores especifican las boquillas coordinando un nivel 
por encima del transformador para evitar la posibilidad de una falla interna durante una 
prueba al transformador [7]. 
1.4.3 Prueba de Impulso. 
Los impulsos de rayos y los transitorios por maniobra se presentan de manera natural en 
un sistema de alta tensión en operación. Las pruebas con tensión de impulso están 
diseñadas para demostrar la respuesta de los equipos a los transitorios de una amplia 
gama de frecuencias. La prueba de impulso de rayo en seco se aplica a todos los tipos de 
boquillas arriba de 300 kV. Durante esta prueba se aplican quince impulsos de polaridad 
positiva y 15 impulsos de polaridad negativa. Ya que el aislamiento interno se considera 
no-auto-recuperable, un máximo de dos descargas disruptivas están permitidas solo en 
el exterior de la boquilla (en el aire) y no se permiten fallas internas. Durante las pruebas 
de impulso es común medir la corriente que fluye a través de la boquilla por una 
derivación de baja resistencia en la conexión a tierra, lo que da una mayor sensibilidad 
en la detección de posibles fallas en el aislamiento [5]. 
1.4.4 Prueba de Estabilidad Térmica. 
Esta prueba es particularmente aplicable a boquillas para transformadores de tensión 
nominal superior a 300 kV y está destinada a demostrar que las pérdidas dieléctricas no 
se vuelvan inestables a la temperatura de operación. La prueba se lleva a cabo en las 
boquillas sumergidas en aceite calentado a 90 °C. Se aplica una tensión igual a la máxima 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
17 
 
sobretensión temporal vista en servicio por la boquilla. Las pérdidas dieléctricas se 
calculan midiendo continuamente la capacitancia y tangente delta de la boquilla . En caso 
de que la boquilla sea incapaz de disipar estas pérdidas, la tangente delta aumenta y se 
produce una inestabilidad térmica que resulta en la ruptura del aislamiento [5]. 
Es la intención de la especificación IEC 60137 que las pérdidas dieléctricas y pérdidas en 
el conductor se apliquen a la boquilla simultáneamente. Esto no siempre es posible 
debido a restricciones de diseño de la boquilla, y las pérdidas en el conductor se 
consideran por separado durante la prueba de elevación de la temperatura. 
1.4.5 Prueba de Aumento de Temperatura 
Esta prueba está diseñada para demostrar la capacidad de la boquilla para llevar la 
corriente nominal sin exceder las limitaciones térmicas del aislamiento. Las boquillas 
0IP y RIP están restringidas a una temperatura máxima de 105 °C y 120 °C, 
respectivamente. El valor térmico mayor del material RIP no significa necesariamente 
que pueden utilizarse conductores más delgados. El RIP es un buen aislante térmico y el 
diseño del aislamiento OIP facilita el enfriamiento del conductor por convección del 
aceite dentro de la boquilla. 
1.5 FALLAS TÍPICAS EN BOQUILLAS DE ALTA TENSIÓN. 
Las principales causas de fallas en la boquilla se deben a fallas en el aislamiento, como se 
muestra en la Tabla 1-5. 
Tabla 1-4 Principales causas de fallas en la red eléctrica. 
CAUSA % DE FALLA 
Falla de aislamiento 26 
Problemas de manufactura 24 
Desconocidas 16 
CAPÍTULO 1. BOQUILLAS PARA EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN. 
18 
 
Conexiones sueltas 7 
Sobrecarga 5 
Mantenimiento incorrecto 5 
Aceite contaminado 4 
Sobretensiones de línea 4 
Fuego/ explosiones 3 
Descargas atmosféricas 3 
Inundaciones 2 
Humedad 1 
 
Las fallas en las boquillas son normalmente debidas a la degradación y el envejecimiento 
de la celulosa y el aceite. 
Una evaluación de la vida útil de una boquilla es crucial cuando se alcanzan de 20-25 
años de operación. Los efectos de deterioro de la celulosa se pueden encontrar en el 
aceite y pueden ser medidos usando el grado de polimerización y mediante la prueba 
para el análisis de aceite furánico (método furfural). Las fallas en boquillas se atribuyen 
principalmente a la respuesta dieléctrica del sistema de aislamiento [1].
CAPÍTULO 2. CONCEPTOS FÍSICOS Y MODELADO DE CAMPO ELÉCTRICO. 
 19 
 
CAPÍTULO 2. CONCEPTOS FÍSICOS Y 
MODELADO DE CAMPO ELÉCTRICO 
2.1 INTRODUCCIÓN 
Es importante conocer los aspectos básicos utilizados en este trabajo para una mejor 
comprensión en el desarrollo del mismo. 
Para la aplicación de los métodos de reducción de campo eléctrico y su correcto 
funcionamiento, es necesario calcular los valores de campo eléctrico de la boquilla sin 
método de atenuación, para así comparar los resultados obtenidos en cada uno de los 
métodos aplicados en este trabajo. 
A continuación se presentan los conceptos utilizados, así como los pasos para realizar el 
modelado de la boquilla en el programa basado en el método del elemento finito. 
2.2 DEFINICIÓN DE CAMPO ELÉCTRICO. 
El espacio alrededor de una carga eléctrica presenta una condición muy particular, 
debida a la fuerza que caracteriza a dicha carga. El campo eléctrico existe en cualquier 
región donde actúan las fuerzas eléctricas. 
La fuerza electrostática entre dos cargas puntuales y estacionarias denominadas q1 y q2 
es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la 
distancia que los separa (r). La fuerza que ejerce una de las cargas sobre la otra está dada 
por la ley de Coulomb: 
𝐹 =
𝑞1𝑞2
4𝜋𝜀0𝑟2
 ( 2 − -𝟎 ) 
En teoría electromagnética se utiliza el término de campo como la fuerza ejercida por 
unidad de carga, independientemente si está causando o no algún efecto sobre cuerpos 
CAPÍTULO 2. CONCEPTOS FÍSICOS Y MODELADO DE CAMPO ELÉCTRICO. 
 20 
 
cercanos. Dicho esto, se define el campo eléctrico (�̅�) en un punto del espacio r como la 
fuerza que ejercería sobre la unidadde carga si estuviera situada en dicho punto. 
Normalmente se expresa en forma de límite para indicar que dicha carga de prueba es 
tan pequeña que no altera la distribución original de las cargas cuyo campo se desea 
medir [8]. 
2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS CAMPOS ELÉCTRICOS 
 De manera general, la clasificación de campos eléctricos se realiza de acuerdo con la 
función que desempeña el tiempo en ellos. Así, se tienen cuatro tipos diferentes. 
1. Campos estáticos. En estos campos todos los fenómenos son independientes del 
tiempo. En ellos no circulan cantidades o magnitudes eléctricas: es decir, no 
puede circular una intensidad de corriente. Este campo necesita energía para su 
formación pero no para su existencia. [9] 
2. Campos estacionarios. Este campo es característico de la corriente continua. En 
estos campos se presenta una circulación de corriente pero de magnitud 
constante e independiente del tiempo. 
3. Campos cuasi-estacionarios. Las magnitudes que intervienen en este tipo de 
campos pueden variar con el tiempo. Estos campos son representativos de la 
corriente alterna siempre y cuando la emisión de energía electromagnética en 
forma de ondas y la velocidad de propagación asociada a ésta no tenga un papel 
determinante. 
4. Campos no estacionarios. Son representativos de los campos de variación rápida 
en los cuales no tienen validez las limitaciones citadas en el campo cuasi-
estacionario. 
En este trabajo se consideran el caso electrostático y el cuasi-estacionario para el cálculo 
del campo eléctrico, como se verá más adelante. 
CAPÍTULO 2. CONCEPTOS FÍSICOS Y MODELADO DE CAMPO ELÉCTRICO. 
 21 
 
2.4 CAMPO ELECTROSTÁTICO 
Es cuando existe un campo eléctrico y tal vez cargas electrostáticas. Las condiciones 
generales son que no hay variaciones con respecto al tiempo y que no existe corriente 
eléctrica ni campo magnético; por lo tanto, estas variables se desprecian al modelar este 
fenómeno. 
Las ecuaciones de Maxwell para el campo electrostático son: 
 En forma diferencial. 
𝜵 × �̅� = 𝟎 ( 2-1 ) 
𝜵 ∙ �̅� = 𝝆 ( 2-2 ) 
 
 En forma integral 
 
∮ �̅� ∙ 𝒅�̅� = 𝟎
𝑪
 ( 2-3 ) 
∮ �̅� ∙ 𝒅�̅� = ∫ 𝝆 𝒅𝑽
𝑽𝑨
 ( 2-4 ) 
La ecuación constitutiva ligando los dos campos presentes en la ecuación es: 
�̅� = 𝜺�̅� ( 2-5 ) 
Los campos electrostáticos ocurren en regiones donde las únicas fuentes son cargas 
eléctricas o potenciales eléctricos, que es lo que se considera al simular un potencial 
eléctrico de 170 kV en el cable, y así observar el fenómeno relacionado con el potencial. 
Este tipo de fenómeno es el que históricamente ha recibido mayor atención. En la 
actualidad tiene interés porque ayuda a diseñar el sistema de aislamiento de los sistemas 
de transmisión de alta tensión. 
CAPÍTULO 2. CONCEPTOS FÍSICOS Y MODELADO DE CAMPO ELÉCTRICO. 
 22 
 
La formulación directa para el campo electrostático se da mediante la ecuación de 
Poisson para campo eléctrico, que es una ecuación vectorial (Ec.2-6) y puede estar 
definida en tres dimensiones (Ec.2-7) 
 
𝜵𝟐�̅� = −𝜵 [
𝝆
𝜺
] ( 2-6 ) 
Tres ecuaciones escalares 
𝜵𝟐�̅�𝒙 =

 𝒙
[
𝝆
𝜺
] 𝜵𝟐�̅�𝒚 =

 𝒚
[
𝝆
𝜺
] 𝜵𝟐�̅�𝒛 =

 𝒛
[
𝝆
𝜺
] ( 2-7 ) 
 
Formulando mediante potenciales se modifican aplicando la teoría de potenciales. Un 
potencial en el sentido más amplio es simplemente una herramienta matemática que 
permite reducir la dimensión de un problema. Aplicando ecuaciones diferenciales 
parciales nos permite reducir nuestro problema de tres dimensiones a una dimensión. 
La solución de nuestras ecuaciones quedaría como: 
𝜵𝟐𝑽 = −
𝝆
𝜺
 ( 2-8 ) 
siendo V el potencial escalar eléctrico. Esta ecuación se conoce como la ecuación de 
Poisson y es una ecuación escalar. 
La intensidad de campo eléctrico se define como el gradiente del potencial eléctrico 
escalar: 
�̅� = −𝜵�̅� ( 2-9 ) 
En el caso de no existir carga la ecuación de Poisson toma la siguiente forma: 
𝜵𝟐 = 𝟎 ( 2-10 ) 
La ecuación 2-10 se conoce como ecuación de Laplace 
CAPÍTULO 2. CONCEPTOS FÍSICOS Y MODELADO DE CAMPO ELÉCTRICO. 
 23 
 
El signo negativo en la ecuación 2-9 se ha usado para dar el significado físico al potencial 
como el trabajo realizado en contra del campo eléctrico. 
Las ecuaciones de Poisson y Laplace nos permiten resolver el problema más fácilmente. 
Estas ecuaciones tienen soluciones analíticas conocidas para ciertos arreglos 
geométricos. Sin embargo, para geometrías generales no es fácil obtener una solución 
analítica y recurriremos a métodos numéricos de solución, tales como el método del 
elemento finito. 
 Mientras el potencial escalar eléctrico V tiene interpretación física, la principal función 
en el cálculo de campos electrostáticos es como herramienta de cálculo del campo 
eléctrico. Una vez que V se ha obtenido, el campo eléctrico se obtiene simplemente por 
medio de la ecuación 2-9 
2.5 LÍNEAS EQUIPOTENCIALES 
Es el lugar geométrico de los puntos del campo en los que el potencial toma un mismo 
valor. Las líneas de fuerza del campo eléctrico son perpendiculares a las superficies 
equipotenciales con las que se cortan, ya que en ellas el potencial es constante y no varía 
[10]. Este tipo de representación es bastante útil para identificar las zonas de mayor 
esfuerzo eléctrico durante el modelado, ya que se identifican por una mayor 
concentración de líneas equipotenciales. 
2.6 POTENCIAL ELÉCTRICO 
Suponiendo que se desea mover una carga puntual q del punto A al punto B en un campo 
eléctrico �̅�. De acuerdo con la ley de Coulomb, la fuerza en q es �̅� = 𝑞�̅�, de manera que el 
trabajo realizado para desplazar la carga por dl puede ser expresado por la siguiente 
ecuación [11]: 
𝑑𝑊 = −𝐹 ∙ 𝑑𝑙 = −𝑞�̅� ∙ 𝑑𝑙 
CAPÍTULO 2. CONCEPTOS FÍSICOS Y MODELADO DE CAMPO ELÉCTRICO. 
 24 
 
El signo negativo indica que el trabajo lo realiza un agente externo. En consecuencia el 
trabajo total realizado o la energía potencial requerida para mover q de A a B es: 
𝑉𝐴𝐵̅̅ ̅̅̅ =
𝑊
𝑞
= − ∫ �̅� ∙ 𝑑𝑙
𝐵
𝐴
 
En general, el potencial en cualquier punto se define como la diferencia de potencial 
entre ese punto y otro escogido. Con frecuencia se toma la función potencial como igual a 
cero en el punto infinito. Con esta selección se puede decir que el potencial a una 
distancia r en un punto arbitrario es igual al trabajo requerido por unidad de carga para 
llevar desde el infinito hasta el punto elegido una carga de prueba positiva [8]. Esto es: 
�̅� = − ∫ �̅� ∙ 𝑑𝑙
𝐵
𝐴
 
2.7 CONDICIONES EN LA FRONTERA 
El campo eléctrico existe en una región compuesta por dos medios distintos, caso en el 
que la interfaz que separa esos medios debe satisfacer las llamadas condiciones en la 
frontera. Estas condiciones son útiles para determinar el campo en uno de los lados de la 
frontera, si el campo en el otro lado es conocido. Tales condiciones son impuestas por el 
tipo de material con el que se han producido los medios. Las condiciones en la frontera 
en una interfaz son: 
 Dieléctrico (𝜀𝑟1) y Dieléctrico (𝜀𝑟2) 
 Conductor y Dieléctrico 
 Conductor y vacío 
 
CAPÍTULO 2. CONCEPTOS FÍSICOS Y MODELADO DE CAMPO ELÉCTRICO. 
 25 
 
2.8 MODELADO DE UNA BOQUILLA SIN MÉTODOS DE 
ATENUACIÓN. 
El modelado de la boquilla se resolvió con el método del elemento finito usando 
COMSOL®, un paquete computacional para el cálculo de campos electromagnéticos 
basado en el método del elemento finito. El primer paso para llevar a cabo la simulación 
es seleccionar el tipo de estudio, que en este caso corresponde a un problema 
electrostático de geometría axial-simétrica. Después se diseña la geometría 
correspondiente a una boquilla de 170 kV con 28 faldones. En este trabajo esta 
geometría se realizó en AutoCAD y se importó a Comsol. La geometría de la boquilla se 
muestra en la Figura 2-1. 
 
Figura 2-1 Geometría de la boquilla. 
 
CAPÍTULO