Fortalecimiento de la red:los científicos desarrollan casquillos para transformadores resistentes a terremotos

Electrónica de Potencia INSIDER

Aquí se muestra a Jon Bender de W. E. Gundy and Associates (WEGAI) junto a un ejemplo de un transformador de potencia que se aplica a esta investigación de bushings. (Imagen:INL)

La red eléctrica que damos por sentado implica equipos grandes y costosos, sobre todo transformadores de potencia. Si uno se estropea, su reemplazo puede tardar más de un año y conlleva costes enormes. En zonas densamente pobladas y con actividad sísmica como California o el noroeste del Pacífico, el tiempo no es un lujo.

Durante un terremoto, el lugar donde un transformador de potencia grande de alto voltaje es más vulnerable son sus casquillos, aisladores eléctricos huecos que guían la corriente de manera segura entre los devanados internos de un transformador y las líneas eléctricas externas. Generalmente están hechos de porcelana debido a su capacidad para aislar el material conductor, generalmente cobre o aluminio, y evitar que la corriente de alto voltaje se escape o produzca chispas y provoque explosiones.

Los casquillos están atornillados a las torretas de un transformador, que se extienden desde el tanque principal. Estas conexiones es en lo que se ha centrado un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho (INL). El objetivo del equipo es desarrollar un aislador ajustable y mecánicamente simple, conocido como desacoplador, que pueda montarse en la base de un casquillo y sintonizarse para evitar que coincidan las frecuencias resonantes en el casquillo y la torreta (lo que resulta en una tensión mecánica amplificada en el casquillo de porcelana).

"Las frecuencias de resonancia son el eje", afirmó Bjorn Vaagensmith, investigador principal del proyecto y ganador del Premio Presidencial de Carrera Temprana para Científicos e Ingenieros 2025.

Todos los objetos tienen una frecuencia de resonancia, que ocurre cuando las vibraciones de entrada se amplifican al máximo en un objeto. Cuando una onda de sonido rompe una copa de vino o un espejo, se trata de una frecuencia de resonancia en funcionamiento. En la historia de la ingeniería civil, quizás el ejemplo más conocido sea el colapso del puente Tacoma Narrows en 1940. La velocidad y dirección del viento combinadas con el diseño y los materiales del puente, que crearon una frecuencia de resonancia, hicieron que su plataforma oscilara violentamente. Esto le valió al puente recién construido el apodo de "Galloping Gertie", antes de que se rompiera en pedazos y cayera en Puget Sound después de cuatro meses.

En un terremoto, las ondas sísmicas provocan un movimiento oscilante del suelo hacia arriba y hacia abajo o hacia adelante y hacia atrás que se transfiere a grandes transformadores de potencia. Debido a su flexibilidad y densidad, los grandes tanques de transformadores de potencia fabricados de acero y llenos de aceite aislante pueden resonar dinámicamente con el equipo montado en ellos. Cuando un tanque y sus casquillos montados están en la misma longitud de onda, existe el peligro de que las sacudidas amplificadas por el terremoto estresen los casquillos hasta provocar una falla catastrófica.

Vaagensmith y sus colegas (Chandu Bolisetti de INL y Jon Bender de WEGAI, una empresa de ingeniería con sede en Boise) están tratando de abordar este problema desarrollando un dispositivo de desacoplamiento que desvíe la frecuencia de resonancia del aislador de la del transformador. El desacoplador que están diseñando puede instalarse fácilmente en la base del aislador y adaptarse a modelos de transformadores más antiguos por un bajo costo. El equipo está buscando una patente para el diseño.

Su proyecto fue financiado inicialmente a través del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del INL. Ahora cuenta con el apoyo colaborativo del programa de Componentes Avanzados y Resiliencia de Transformadores (TRAC) de la Oficina de Electricidad del Departamento de Energía de EE. UU. y la Oficina de Ciberseguridad, Seguridad Energética y Respuesta a Emergencias (CESER) del departamento. El programa TRAC existe para acelerar la modernización de la red abordando los desafíos en las tecnologías de hardware de la red, incluidos los grandes transformadores de potencia. La oficina CESER tiene como objetivo asegurar y fortalecer la infraestructura energética de EE. UU. contra amenazas y peligros.

Al finalizar su proyecto, Vaagensmith y sus colegas esperan probar a lo grande su desacoplador de frecuencia de resonancia. Han logrado conseguir un transformador de 500.000 libras, que esperan llevar al simulador de terremotos de la Universidad de California en San Diego en 2026. La mesa vibratoria de la universidad es la más grande de su tipo en los EE. UU. y solo rivaliza en tamaño con otra en Japón. Esta será la primera prueba de su tamaño y podría afectar significativamente los requisitos de seguridad para transformadores en zonas sísmicas.

En colaboración con la Universidad de Buffalo, el equipo tiene muchas oportunidades para equivocarse. Ese es el propósito de la experimentación. "Podemos fracasar como queramos hacerlo", dijo Vaagensmith. "Podemos probar nuestra solución y probarla hasta los límites. Queremos estar seguros de que sabemos cómo diseñar el desacoplador antes de ir a San Diego".

"La gente está entusiasmada con esto", dijo Vaagensmith. "Tenemos la oportunidad de resolver un debate de larga data sobre las medidas apropiadas de protección sísmica de los transformadores y encontrar una solución para los fabricantes de bushings que no les requiera reequipamiento. Las empresas de servicios públicos estarán contentas y la red será más resistente".

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