Fortaleciendo la Red: Científicos Desarrollan Bujes de Transformador Resistentes a Terremotos

Power Electronics INSIDER

Jon Bender de W. E. Gundy and Associates (WEGAI) aparece aquí junto a un ejemplo de transformador de potencia que aplica a esta investigación de bujes. (Imagen: INL)

La red eléctrica que damos por sentada involucra equipos grandes y costosos, notablemente transformadores de potencia. Si uno falla, puede tomar más de un año reemplazarlo y a costos masivos. En áreas densamente pobladas y sísmicamente activas 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 alta tensión es más vulnerable son sus bujes — aisladores eléctricos huecos que guían la corriente de forma segura entre los devanados internos de un transformador y líneas de potencia externas. Suelen hacerse de porcelana debido a su capacidad para aislar el material conductor, usualmente cobre o aluminio, y mantener la corriente de alta tensión de filtrarse o chispear y causar explosiones.

Los bujes se atornillan a las torretas de un transformador, que se extienden hacia arriba desde el tanque principal. Estas conexiones son en lo que un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho (INL) se ha centrado. El objetivo del equipo es desarrollar un aislador ajustable mecánicamente simple, conocido como desacoplador (decoupler), que pueda montarse en la base de un buje y sintonizarse para prevenir que frecuencias resonantes en el buje y la torreta coincidan (lo que resulta en estrés mecánico amplificado en el buje de porcelana).

"Las frecuencias resonantes son el pivote central", dijo Bjorn Vaagensmith, investigador principal del proyecto y receptor 2025 del Premio Presidencial Temprano de Carrera para Científicos e Ingenieros.

Frecuencias resonantes y ejemplos históricos

Todos los objetos tienen una frecuencia resonante, que ocurre cuando vibraciones de entrada son amplificadas maximalmente en un objeto. Cuando una onda de sonido rompe una copa de vino o un espejo, esa es la frecuencia resonante en acción. En la historia de ingeniería civil, quizás el ejemplo más conocido es el colapso del Puente Tacoma Narrows en 1940. Velocidad y dirección del viento combinadas con diseño y materiales del puente, crearon una frecuencia resonante, causando que su tablero oscilara salvajemente. Esto ganó al puente recién construido el apodo "Galloping Gertie" — antes de romperse en pedazos y caer en Puget Sound tras cuatro meses.

En un terremoto, ondas sísmicas causan movimiento oscilante arriba-abajo o adelante-atrás que se transfiere a grandes transformadores de potencia. Debido a su flexibilidad y densidad, grandes tanques de transformadores de acero llenos de aceite aislante pueden resonar dinámicamente con el equipo montado en ellos. Cuando un tanque y sus bujes montados están en la misma longitud de onda, hay peligro de que el temblor amplificado del terremoto estrese los bujes hasta fallo catastrófico.

Dispositivo desacoplador: solución innovadora

Vaagensmith y sus colegas — Chandu Bolisetti de INL y Jon Bender de WEGAI, firma de ingeniería basada en Boise — buscan abordar este problema desarrollando un dispositivo desacoplador que desplace la frecuencia de resonancia del buje lejos de la del transformador. El desacoplador que están diseñando puede instalarse fácilmente en la base del buje y adaptarse a modelos de transformadores más antiguos a bajo coste. El equipo está solicitando patente sobre el diseño.

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

Pruebas a gran escala en 2026

Al culminar su proyecto, Vaagensmith y sus colegas esperan probar su desacoplador de frecuencia resonante a lo grande. Han conseguido un transformador de 500,000 libras, que esperan llevar al simulador de terremotos de la Universidad de California San Diego en 2026. La mesa vibratoria de la universidad es la más grande de su tipo en EE. UU. y rivaliza en tamaño solo con otra en Japón. Esta será la primera prueba de su tamaño y podría impactar significativamente requisitos de seguridad para transformadores en zonas sísmicas.

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

"La gente está emocionada con esto", dijo Vaagensmith. "Tenemos oportunidad de resolver un debate prolongado sobre medidas apropiadas de protección sísmica de transformadores y encontrar una solución para fabricantes de bujes que no les requiera retooling. Las utilities estarán contentas, y la red será más resiliente".

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