COMSOL ha publicado recientemente el artículo “High-Voltage Switch Innovation for Electric Power System”, del que hacemos aquí un breve resumen. Pueden leer el artículo completo (en inglés) en la dirección de la referencia.

La compañía Pinggao Group Co., Ltd, un fabricante líder de equipos eléctricos de alta y ultra-alta tensión en China, utiliza COMSOL Multiphysics^® como herramienta clave para diseñar, optimizar y supervisar componentes críticos de los sistemas eléctricos, especialmente interruptores de alta tensión (high-voltage switches) [1]. Estos dispositivos son esenciales para la operación segura de redes eléctricas modernas, pues deben soportar tensiones de hasta 1100 kV, corrientes de corte superiores a 100 kA, y fenómenos físicos extremos como arcos eléctricos de 100 MW. La Figura 1 muestra un interruptor de alta tensión.

Figura 1. Interruptor de alta tensión.

Uno de los principales problemas en el funcionamiento de interruptores de alta tensión es el fallo del aislamiento, causado por la acumulación de cargas en gases y aisladores bajo campos eléctricos DC, y la presencia y movimiento de partículas metálicas generadas por desgaste y una operación prolongada. Este aspecto afecta de forma significativa a la seguridad y estabilidad de la operación de los interruptores de alta tensión.

Optimización del diseño del aislamiento mediante simulación multifísica

Diferentes equipos dentro de la empresa exploran en profundidad los factores que afectan al rendimiento de los interruptores de alta tensión. Las metodologías tradicionales de diseño basadas en ensayos experimentales son extremadamente costosas (del orden de 1,4 millones de dólares), lentas y con mediciones poco fiables. Frente a estas limitaciones, Pinggao Group ha adoptado la simulación multifísica como eje central de su I+D, lo que permite optimizar sus diseños y predecir el estado operativo de sus equipos.

Con COMSOL Multiphysics®, Pinggao Group evalúa el acoplamiento multifísico entre:

• Electroganetismo
• Transferencia de calor
• Mecánica estructural
• Fenómenos de descarga eléctrica y tranporte de partículas

Gracias a estos estudios, identifican:

• Regiones de alta concentración de campo eléctrico. La Figura 2, muestra la distribución del campo eléctrico bajo diferencia de potencial DC en un aislador de disco.
• Puntos débiles del aislamiento.
• Criterios de diseño adecuados para condiciones DC.
• Trayectorias y fuerzas sobre partículas metálicas (electrostáticas, peso, resistencia del gas, etc.).

Figura 2. Distribución del campo eléctrico bajo corriente DC.

Las simulaciones numéricas llevadas a cabo en COMSOL Multiphysics^® han sido claves para que la empresa haya logrado el desarrollo del primer wall bushing de 1100 kV con aislamiento SF₆, operativo durante 5 años sin fallos. También, han conseguido un diseño optimizado de trampas de partículas metálicas, ya aplicadas en líneas de transmisión aisladas por gas (GIL).

Creación de aplicaciones (Apps) con COMSOL Multiphysics®

COMSOL Multiphysics^® permite simular con precisión problemas complejos. No obstante, la creación de modelos requiere un conocimiento profundo. Para democratizar el uso de la simulación dentro de la organización, Pinggao Group ha desarrollado más de 50 aplicaciones de simulación utilizando el Application Builder de COMSOL Multiphysics^®. Las aplicaciones se compilaron en archivos ejecutables independientes mediante COMSOL Compiler™, lo que permite que diferentes equipos ejecuten las aplicaciones de manera autónoma. Las aplicaciones personalizadas son sencillas, fáciles de usar y permiten a los usuarios verificar rápidamente la viabilidad de un nuevo diseño ingresando un pequeño número de parámetros y obteniendo los resultados de la simulación.

Una de las aplicaciones destacadas que han sido creadas por el Grupo Pinggao se utiliza para calcular el cambio de temperatura que ocurre en el conductor colector (busbar) de un interruptor de alta tensión debido al calentamiento electromagnético. La Figura 3 muestra una captura de pantalla de una de las aplicaciones desarrolladas y que tiene las siguientes entradas y salidas:

• Entradas: geometría, materiales, condiciones de operación
• Salidas: densidad de flujo magnético, densidad de corriente, distribución de temperatura y velocidad de aire

Figura 3. Aplicación desarrollada por Pinggao Group en COMSOL Multiphysics® para estudiar el calentamiento electromagnético del conductor colector (busbar) de un interruptor de alta tensión.

Este enfoque de trabajo tiene las siguientes ventajas principales:

• Reduce drásticamente la carga de trabajo del equipo de simulación.
• Acelera la validación de diseños.
• Permite que personal no experto utilice simulación de alta fidelidad.
• Las apps se han descargado miles de veces en diferentes departamentos.

Pinggao Group continuará usando COMSOL Multiphysics^® para mejorar el desarrollo de interruptores de alta tensión y explorar nuevas aplicaciones en energías renovables, destacando el valor de la simulación en sus procesos.

Referencias

[1] Renji Hao, COMSOL User Story Gallery (2025). https://www.comsol.com/story/high-voltage-switch-innovation-for-electric-power-systems-144251