Introducción
En los sistemas de energía, los interruptores de circuito se utilizan para conmutar equipos eléctricos y redes en condiciones normales y de falla. La función principal de un interruptor de circuito es interrumpir el flujo de corriente (carga o cortocircuito) abriendo sus contactos y, por lo tanto, aislando las partes conmutadas del sistema. El diseño y funcionamiento de un interruptor de circuito dependen de su aplicación y clasificación de voltaje. Tecnología de caja moldeada (con aire a presión atmosférica) se utiliza en bajos voltajes (< 1000 V), mientras que los interruptores de circuito de aire comprimido y de vacío son comunes en voltajes medios (< 72 kV). Los interruptores de circuito SF6 se utilizan normalmente para altos voltajes (> 72 kV).
Desconectando una Carga Interrumpiendo una Falla
Gas SF6
Los interruptores de circuito SF6 utilizan hexafluoruro de azufre (SF6) como medio aislante circundante para extinguir el arco establecido entre los contactos móviles del interruptor. Tiene muchas características favorables que lo hacen un candidato ideal para aislamiento en aparatos de conmutación de alta tensión modernos:
- Alta resistencia dieléctrica (aproximadamente 8 a 9 veces mayor que el aire a 5 bar de presión).
- Electronegativo en naturaleza, es decir, captura electrones libres formando iones pesados con baja movilidad que previenen un tipo de ruptura en avalancha.
- Buena capacidad de transferencia térmica, alta energía de ionización y baja temperatura de disociación resultando en excelentes propiedades de extinción de arco.
- Muy alta conductividad eléctrica a temperaturas elevadas demostrando bajo voltaje de arco
- Incoloro, inodoro, inerte y no venenoso.
Algunas de las desventajas del gas SF6 son su alto costo, su tendencia a formar fluoruros metálicos corrosivos durante el arco y el hecho de que es un gas de efecto invernadero.
Tipos de Interruptores de Circuito SF6
Actualmente, los interruptores de circuito SF6 pueden clasificarse en dos categorías principales:
- Tanque muerto – carcasa a potencial de tierra.
- Tanque vivo – carcasa a potencial de línea.
Los diseños de tanque muerto pueden ofrecer mayor capacidad de interrupción de corriente de cortocircuito y clasificación sísmica pero son relativamente voluminosos (requieren más gas SF6), mientras que los diseños de tanque vivo son modulares y más compactos.
Interruptor de Circuito de Tanque Vivo
Interruptor de Circuito de Tanque Muerto
También hay varias formas diferentes en las que la corriente eléctrica (y el arco resultante) en un interruptor de circuito SF6 puede ser interrumpida. Estos tipos incluyen: doble presión (ahora obsoleto), presión única (también llamado puffer), auto-explosión (donde la energía del arco apoya el aumento de presión en la cámara de arco), arco rotativo (el arco rota electro-dinámicamente en gas de fondo frío) y tecnología de doble movimiento (con dos contactos móviles). Además, el mecanismo de accionamiento del interruptor de circuito puede ser del tipo hidráulico o cargado por resorte.
En el resto de este artículo, analizaremos con más detalle el ensamblaje básico y el funcionamiento de un interruptor de circuito aislado con gas SF6 que utiliza tecnología de presión única (puffer) con un mecanismo de operación cargado por resorte; este es el tipo más utilizado en la industria de alta tensión.
¿Estás disfrutando de este artículo? Entonces asegúrate de revisar nuestro Curso en Video sobre Transformadores Eléctricos. El curso tiene más de dos horas de video, un cuestionario, y recibirás un certificado de finalización cuando termines el curso. ¡Disfruta!
Construcción y Componentes Principales
Un ensamblaje completo de un interruptor de circuito SF6 tipo puffer de presión única consiste en las siguientes partes:
Unidad de Interrupción
La separación de los contactos del interruptor de circuito, extinción del arco resultante y interrupción de la corriente ocurren en la unidad de interrupción. Alberga dos juegos de contactos que comúnmente se llaman ‘principales’ o ‘normales portadores de corriente’ y ‘contactos de arco’. Ambos tipos de estos juegos de contactos tienen un contacto estacionario mientras que el otro contacto puede moverse. Los portadores de corriente (proporcionando conexión a los terminales externos del interruptor de circuito) están conectados a los contactos principales estacionarios y móviles. Las puntas de todos los contactos del interruptor de circuito están recubiertas con un material resistente al arco de cobre-tungsteno.
El cuerpo principal del interruptor (que está lleno de gas SF6) contiene un cilindro puffer móvil que puede deslizarse axialmente hacia arriba y hacia abajo a lo largo de los contactos. Hay un pistón estacionario dentro del cilindro que está fijado con otras partes estacionarias del interruptor de circuito SF6, de tal manera que no puede cambiar su posición durante el movimiento del cilindro. Una boquilla se encuentra en la apertura del cilindro.
Componentes Principales del Interruptor de Circuito SF6
Pila Aislante
La unidad de interrupción está montada verticalmente sobre una pila aislante que está compuesta por un aislador hueco que encapsula la barra de accionamiento que conecta el mecanismo de operación mecánica del interruptor de circuito a los contactos móviles alojados dentro del interruptor. Dependiendo de la clasificación de voltaje del sistema, la pila aislante puede ser una sola pieza o múltiples segmentos acoplados mecánicamente en serie. Al igual que cualquier otro aislador, proporciona una distancia adecuada de arco seco y distancia de fuga para prevenir descargas asociadas con sobretensiones transitorias y contaminación ambiental. La unidad completa del interruptor de circuito generalmente se fija en una estructura de acero que lo asegura a una base de concreto incrustada.
Mecanismo de Operación Mecánica
El aparato de accionamiento proporciona la energía cinética necesaria para abrir y cerrar los contactos del interruptor de circuito. Consiste en un conjunto de resortes de apertura y cierre que se cargan manualmente o con la ayuda de un pequeño motor eléctrico.
Panel de Control
El cubículo de control comunica entre el mecanismo de operación mecánica del interruptor de circuito, la protección del sistema (relevadores) y los dispositivos de supervisión. Puede configurarse para un ajuste de operación ‘remoto’ o ‘manual’.
Interruptor de Circuito SF6 de Tanque Vivo de 245 kV (Interrupción Única)
Componentes Adicionales
En extra alta tensión (generalmente 380 kV y superiores), debido a la economía de fabricación y los requisitos de diseño, el interruptor de circuito SF6 puede tener diferencias notables en la construcción y también puede contar con componentes adicionales:
- En lugar de una unidad de interrupción única, dos o más unidades de interrupción están conectadas en serie (y montadas horizontalmente sobre la pila aislante). Para tales interruptores de circuito, los condensadores de graduación (C) están conectados a través de los interruptores para igualar el voltaje entre ellos.
- Para aplicaciones de conmutación de líneas de transmisión, estos interruptores de circuito pueden estar equipados con resistencias de preinserción (PIR) para amortiguar magnitudes altas de sobretensiones transitorias. Estas PIR (normalmente de 300 a 600 ohmios) están conectadas en paralelo con los contactos principales del interruptor de circuito. Se insertan en el circuito por un intervalo de tiempo especificado (8 a 12 ms) antes de que los contactos principales del interruptor se cierren.
Diferentes Configuraciones del Interruptor de Circuito SF6
- Los terminales de conexión externos están equipados con anillos de graduación para asegurar que las tensiones de campo eléctrico en la superficie del terminal no excedan el inicio de corona
Interruptor de Circuito SF6 de Tanque Vivo de 550 kV (Dos Interrupciones en Serie)
Cómo Funcionan los Interruptores de Circuito SF6
Condición Normal
En la condición normal, los contactos del interruptor de circuito están cerrados y la corriente fluye de un portador de contacto a otro a través de los contactos principales y el cilindro puffer deslizante.
Operación de Apertura del Interruptor de Circuito
Cuando el panel de control del interruptor de circuito recibe un comando de apertura (para despejar una falla o desconectar parte de una red), envía una señal al bobina de disparo del mecanismo de operación mecánica, que a su vez libera el pestillo que sostiene el resorte de apertura cargado. A medida que el resorte de apertura se descarga, tira de la barra de accionamiento (conectada al interruptor) en una dirección lineal, lo que hace que los contactos móviles y el cilindro puffer se muevan hacia abajo.
El movimiento del cilindro puffer contra el pistón estacionario conduce a una disminución en el volumen interno del cilindro puffer, lo que causa la compresión del gas SF6 dentro del cilindro. Debido a la superposición de contactos, la compresión del gas comienza antes de que se abran los contactos. A medida que el movimiento descendente continúa, los contactos principales se separan y la corriente conmuta a los contactos de arco que aún están en la posición cerrada (debido a su construcción físicamente más larga). Durante el curso de la apertura posterior, los contactos de arco comienzan a separarse y se establece un arco entre ellos.
Operación de un Interruptor de Circuito SF6 Tipo Puffer
A medida que el arco fluye, bloquea el flujo de gas SF6 a través de la boquilla en cierta medida. Por lo tanto, la presión del gas en el cilindro puffer continúa aumentando. Cuando la forma de onda de corriente sinusoidal se acerca a cero, el arco se debilita relativamente y el gas SF6 presurizado dentro del cilindro puffer fluye axialmente (a través de la boquilla) sobre la longitud del arco. Esta ráfaga de gas SF6 elimina la energía térmica en el espacio de contacto y reduce el grado de ionización (conductividad eléctrica) de tal manera que el arco se extingue.
Cuando el arco se interrumpe, el voltaje de recuperación transitoria (TRV) comienza a aparecer a través de los contactos; la velocidad de apertura de los contactos del interruptor de circuito debe ser lo suficientemente rápida para crear una distancia de separación de contacto adecuada para soportar este estrés de voltaje. En caso de que la resistencia dieléctrica del espacio de contacto sea menor que el estrés TRV, el arco se restablecerá en un fenómeno que comúnmente se llama re-encendido del interruptor de circuito o re-estrike.
Operación de Cierre del Interruptor de Circuito
Durante la secuencia de cierre del interruptor de circuito, la bobina de cierre libera la energía del resorte de cierre lo que hace que los contactos se muevan uno hacia el otro, llevándolos finalmente a su posición cerrada normal. Al mismo tiempo, el gas SF6 se redibuja en el cilindro puffer preparando el interruptor de circuito para la próxima operación.
Durante el cierre, un interruptor de circuito a veces puede experimentar un evento conocido como pre-estrike. A medida que los contactos se mueven uno hacia el otro durante el cierre, la resistencia dieléctrica del espacio de contacto disminuye. En algún momento, el estrés de voltaje a través del espacio de contacto excede su resistencia dieléctrica, produciendo así un arco de ‘pre-estrike’ que une los contactos.
Requisitos de Diseño
Además de las características generales normalmente asociadas con un interruptor eléctrico, es decir, baja resistencia de contacto cuando está cerrado y casi perfecto aislamiento en condición abierta, un interruptor de circuito SF6 de alta tensión necesita cumplir con requisitos de diseño adicionales. Entre estos, los más pertinentes se describen brevemente a continuación:
- Corriente nominal – las partes portadoras de corriente del interruptor de circuito deben ser capaces de llevar la corriente de carga máxima anticipada sin exceder el aumento de temperatura
- Corriente de interrupción de cortocircuito nominal – el interruptor de circuito debe tener la capacidad de interrumpir la corriente de cortocircuito máxima de la red (valores estandarizados típicos son 25, 40 y 63 kA).
- Voltaje nominal y nivel de aislamiento – el aislamiento del interruptor de circuito externamente y a través de los contactos debe ser capaz de soportar magnitudes especificadas de baja frecuencia y sobretensiones transitorias.
- Re-encendidos – durante la interrupción de corriente capacitiva, la probabilidad de re-encendido (re-ignición) entre los contactos del interruptor de circuito debe ser muy baja.
- Resistencia mecánica – el interruptor de circuito debe ser capaz de soportar un gran número de operaciones (2,000 a 10,000) con un mantenimiento muy limitado.
- Tiempo de apertura – para lograr una separación adecuada entre contactos y para soportar TRV, un interruptor de circuito necesita abrirse a una velocidad extremadamente rápida (en el orden de 40 a 60 ms).
- Secuencia de operación nominal – se requiere que el interruptor de circuito complete satisfactoriamente una secuencia de operación especificada. Para interruptores de circuito de re-cierre rápido, una secuencia típica es: O-0.3seg-CO-3min-CO (donde O y C representan apertura y cierre respectivamente, y 0.3seg y 3min son retrasos de tiempo).
- Deber de conmutación – durante el curso de su vida útil, el interruptor de circuito debe ser capaz de llevar a cabo con éxito una variedad de conmutaciones (interrupciones) que incluyen notablemente: fallas terminales y de línea corta, transformador y conmutación de reactores, y interrupción de corriente capacitiva. En términos de demandas sobre el interruptor de circuito, estos diferentes tipos de deberes de conmutación varían la magnitud de la corriente y TRV que un interruptor de circuito debe soportar.