Historia de la metrología en alta tensión: instalación del explosor de esferas del LCOE-CTAT en Tecnogetafe
El Centro Tecnológico de Alta Tensión del LCOE ha restaurado el antiguo explosor de esferas del laboratorio, símbolo de la tradición del LCOE en ensayos y medidas eléctricas de alta tensión durante sus más de 75 años de actividad, ubicando este singular elemento que representa la historia de la metrología de la alta tensión en un lugar accesible y destacado como es la rotonda interior de acceso al laboratorio de alta tensión del LCOE.
Las primeras evidencias de utilización de los explosores de esferas o espinterómetros formados por electrodos esféricos son de 1837, cuando Michael Faraday en su serie de investigaciones tituladas “Experimental Researches in Electricity”, empleó esferas de diferentes tamaños para observar cómo la forma de los conductores afectaba a la chispa. Descubrió que el aire actuaba como un aislante que fallaba bajo un estrés eléctrico determinado, sentando las bases teóricas para que décadas más tarde se pudiera usar la distancia entre esferas para medir altas tensiones. También es famoso James Wimshurst por inventar en 1883 un generador electrostático de alta tensión que utiliza explosores de esferas, en el que la longitud de la chispa entre las esferas era la forma práctica de estimar la tensión generada (aproximadamente 30 kV por cada centímetro de aire).
Estos explosores se utilizaron desde finales del siglo XIX, como componentes básicos en los laboratorios de física, destacando su utilización en los experimentos de Hertz de 1887 para demostrar la existencia de las ondas electromagnéticas y en los de Nikola Tesla con transformadores e interruptores de potencia.
A finales del siglo XIX y principios del XX, con el crecimiento de las líneas de transmisión eléctrica, los ingenieros necesitaban una forma de medir tensiones de cientos de kilovoltios. Los voltímetros convencionales de la época no alcanzaban tales niveles por lo que se consolidó el uso de esferas capaces de crear un campo eléctrico uniforme calculable matemáticamente entre ellas, lo que permitía conocidas las condiciones atmosféricas de temperatura y presión (20 °C y 101,3 kPa) conocer el valor de pico o de cresta de la tensión que provoca la descarga disruptiva en el aire entre las esferas con un error menor del 3%.
A principios del siglo XX Frank W. Peek, ingeniero e investigador de General Electric realizó estudios exhaustivos para establecer una relación entre la separación de las esferas y la tensión de pico que provoca la descarga del arco entre ellas, de forma que IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) adoptó las tablas de Peek para crear la norma internacional IEC 52 (actualmente denominada IEC 60052) que se publicó por primera vez en 1935 con el título original de «Rules for the measurement of test-voltage at power frequencies in dielectric tests by sphere gaps», esta primera edición sentó las bases internacionales para estandarizar el uso de los explosores de esferas como método de medición de alta tensión.
El principio de funcionamiento está basado en crear un campo eléctrico uniforme entre las esferas y como en presencia de campo eléctrico uniforme la rigidez dieléctrica en el aire está en el entorno de 30 kV/cm, se puede medir el valor de pico de la tensión que provoca la chispa entre las esferas midiendo la separación entre ellas. El espinterómetro cuenta con dos electrodos esféricos, uno de ellos conectado a tierra, separados por una distancia regulable hasta alcanzar la separación máxima de la mitad del diámetro de las esferas ya que si separan mucho el campo deja de ser uniforme, por consiguiente, la máxima tensión que se puede medir con fiabilidad depende del tamaño de las esferas. Como regla general se puede decir que con esferas de diámetro de 100 mm se pueden medir hasta 100 kV, mientras que con esferas de diámetro 1000 mm se pueden medir hasta 1000 kV de tensión de pico.
En concreto el dispositivo ubicado en Tecnogetafe a modo de museo al aire libre está compuesto por dos esferas metálicas de 1 metro de diámetro por lo que se podían medir tensiones hasta de 1 MV de valor de pico. Fue empleado por el LCOE desde 1950 para la realización de medidas, ensayos, estudios y pruebas experimentales con frecuencia industrial e impulsos tipo rayo siendo un elemento fundamental en la evolución de la normativa internacional que se utiliza actualmente para la realización de ensayos de alta tensión.
La utilización de los explosores de esferas en los laboratorios de alta tensión sigue siendo de gran interés, por ejemplo, en la construcción de generadores de impulsos de tensión o como sistemas de disparo en generadores de alta corriente, si bien su uso como sistema de medida de muy alta tensión ha sido superado por la utilización de divisores y registradores digitales que permiten menores incertidumbres de medida y una realización de las medidas de forma más rápida y fiable.
Para más información contacte con Tomás García (tgarcia@ffii.es), director del Centro de Tecnología de Alta Tensión del LCOE.