Pruebas de Tiempo - El Interruptor
PRUEBAS DE TIEMPO DE INTERRUPTORES
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El interruptor es el más importante y complicado de todos los equipos de interrupción. Esto es debido a su elevada capacidad de interrupción de la elevada corriente de cortocircuito, además de su rol normal de conducción, de aislamiento y de interrupción de la carga de corriente nominal. |
2.1.1.1 Cámara de Arco |
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Se crea un arco cuando los contactos se separan. El medio para la interrupción es responsable de extinguir el arco y de establecer el nivel nominal de aislamiento entre los contactos abiertos. Se pueden conectar varias cámaras en serie para soportar mayores niveles de voltaje; en este caso se instala un condensador de mayor capacidad en paralelo con cada cámara para balancear el voltaje a través de los contactos cuando éstos se separan. |
La cámara de arco es un volumen cerrado que contiene un contacto fijo, un contacto móvil y un medio de interrupción. Se establece una corriente cuando el contacto móvil toca al contacto fijo y se interrumpe cuando éstos se separan.
2.1.1.2 Resistencias de Inserción |
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La modificación abrupta de las características del circuito cuando opera el interruptor, produce impulsos de voltajes picos, siendo el nivel determinado por las características del circuito. Estos impulsos pueden alcanzar niveles muy altos y deben reducirse. Un método muy conocido es el cierre y apertura de las resistencias en dos o tres etapas. |
2.1.1.2.1 En la Apertura |
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Los niveles de impulsos de voltaje son aceptables cuando interrumpen corrientes nominales o corrientes de cortocircuito, pero pueden ser muy peligrosos cuando interrumpen corrientes de pequeñas capacitancias o corrientes inductivas. |
2.1.1.2.2 En el Cierre |
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La abrupta energización de un circuito siempre genera impulsos de voltaje con niveles habitualmente moderados, a excepción de los cierres o recierres sobre líneas largas y sin carga donde los impulsos pueden alcanzar niveles extremos en función de la longitud de la línea, del momento de cierre o de recierre, y de la discrepancia de los tres polos. |
2.1.1.2.3 Descripción |
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Se coloca una resistencia con un valor predeterminado en serie con un contacto auxiliar. Ambos se instalan en paralelo con la cámara principal de arco. El switch auxiliar está programado para cerrarse unos milisegundos antes que los contactos principales en el cierre y para abrir unos milisegundos después de la apertura de los contactos principales en el disparo. A esta retraso programado se la llama tiempo de inserción. |
2.1.2 Mecanismos de Operación |
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Es donde se desarrolla la energía requerida para separar los contactos y para extinguir el arco. Incluye accesorios llamados acumuladores de energía para almacenar la energía necesaria. Algunos ejemplos de acumuladores son: - Resortes Los mecanismos de operación más comunes en los interruptores son: - Operados por resortes |
2.1.3 Control |
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La orden para operar el interruptor se lanza desde la parte de control del interruptor, en la forma de un impulso eléctrico con una duración de una fracción de segundo. Luego la orden es amplificada en el mecanismo de operación para completar la operación del interruptor capaz de interrumpir las corrientes de cortocircuito. El control incluye: - Bobinas de cierre y de apertura |
2.2 Característica de Funcionamiento |
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El interruptor tiene características especiales de funcionamiento. Es normalmente abierto o cerrado por largos períodos de tiempo; a veces se le cambia de estado y raramente presencian una corriente de cortocircuito. |
2.2.1 Confiabilidad |
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Se necesita cambiar de estado de forma eficiente luego de largos períodos de inactividad. |
2.2.2 Funcionamiento Correcto |
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El sistema de control del interruptor debe asegurar la operación correcta del cierre, sin importar el valor de la corriente de cierre, y asegurar la ruptura (apertura) en el momento requerido para liberar la energía almacenada en los acumuladores por acción mecánica o por los relés. Esta energía tiene que enfrentar fuerzas opuestas cuando los circuitos de cierre o de ruptura de los circuitos estén bajo carga o no, y aún fuerzas más fuertes con las corrientes de cortocircuito. Esto quiere decir que el exceso de energía cuando se está operando sin carga tiene que ser arrojada con un sistema apropiado de desalojo. |
2.2.3 Ciclos de Operación |
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El interruptor debe ser capaz de ejecutar diferentes ciclos de operación y lograr una rápida ruptura de las corrientes de cortocircuito lo más rápido posible para beneficiar a la red. Los avances recientes han reducido el tiempo de respuesta de 5 a 3 ciclos, y hasta 2 ciclos. Se está trabajando para obtener respuestas de tiempo de 1 ciclo. La operación tiene que ser confiable, robusta y fácil de mantener. |
2.3 Tipos de Interruptores |
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El principal problema de los interruptores se deriva de la naturaleza misma de su existencia. Un interruptor debe interrumpir desde corrientes débiles capacitivas o inductivas hasta elevadas corrientes de cortocircuitos, y extinguir los potentes arcos eléctricos resultantes. El problema es entonces, esencialmente, un problema en el arco. Otro problema son los impulsos de sobretensiones; esto se relaciona a la naturaleza del circuito donde esté instalado. Uno de los mayores factores que influyen en la capacidad de los interruptores es el medio de interrupción. Esto afecta el concepto y diseño de los interruptores. Bajo este principio, los interruptores están clasificados en familias de acuerdo al tipo de medio de interrupción usado. |
2.3.1 Medios de Interrupción |
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Un gran número de substancias tienen calidades aceptables como para servir como medios de interrupción. Tres de ellos son las preferidas por los diseñadores de interruptores en todo el mundo. Ello es debido a sus excelentes propiedades de ruptura y de aislamiento que llevan a diseños económicos y de alto rendimiento. Éstos son: - Aceites minerales |
2.3.1.1 Aceite Mineral |
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Hasta recientemente, el aceite mineral ha sido el medio de interrupción más usado. Tiene una excelente capacidad de interrupción y de aislamiento, especialmente cuando es muy puro, como cuando se utiliza con ciertos equipos tales como los condensadores o los transformadores, los cuales son equipos de cierre herméticos. Sin embargo, los interruptores tienen orificios de ventilación y el aceite está en contacto con el arco. Por lo tanto, se encuentra en el aceite del interruptor una cierta cantidad de impurezas, en la forma de humedad y diversos tipos de suciedad, incluyendo partículas de carbón. Esto disminuye significativamente sus propiedades de aislamiento. Se torna imperativo monitorear el estado en que se encuentra el aceite dentro del interruptor en servicio, para reemplazarlo periódicamente en función del número de interrupciones que se deban realizar con este equipo. El criterio para reemplazar el aceite dependerá de la estructura de los interruptores, la cual es indicada por el fabricante. |
2.3.1.2 Aire Comprimido |
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El aire a presión atmosférica tiene las siguientes ventajas: - Buena calidad de aislamiento La calidad del aislamiento del aire aumenta rápidamente con su presión. En la práctica podemos contar con una interrupción del voltaje de hasta 90 kV entre contactos separados por presiones de 1 cm a 10 bars, y 1.5 veces este valor para la misma distancia a una presión de 20 bars. El aire comprimido era usado principalmente para lograr interrupciones en los diseños antiguos de interruptores neumáticos. Más tarde fue utilizado como aislamiento entre los contactos después que éstos eran abiertos, siendo colocados dentro de una cámara de aislamiento diseñada para resistir la presión del aire. Esto reduce significativamente la distancia entre los contactos abiertos. Calidad del aire para los interruptores neumáticos: Debe notarse que la excelente calidad del aire se ve afectada enormemente por la humedad. Por lo tanto, es muy importante que se evite cualquier condensación en los aisladores y en los conductos de aire, o podría ocurrir un disparo interno. La instalación de costosas estaciones de secado por compresión incrementa excesivamente el costo de operación de los ventiladores de aire de los interruptores. |
2.3.1.3 Hexafluoruro de Azufre, SF6 |
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Ciertos gases, llamados electronegativos, tiene mayor calidad de aislamiento que el aire. Entre ellos está el hexafloruro de azufre, SF6, que ha tenido mucho éxito en el diseño de aparatos eléctricos porque tienen excelentes propiedades de aislamiento e increíbles propiedades de extinción de arco. Son cinco veces más pesados que el aire, sin olor, sin color, no es inflamable y no es tóxico cuando está nuevo. Su esfuerzo dieléctrico es tres veces la del aire dieléctrico. Cuando se le somete a un arco eléctrico se descompone parcialmente. En la presencia de la humedad y de impurezas, produce un residuo ácido que ataca al metal y los sellos de aislamiento. Un método eficiente para reducir los residuos es con la utilización de alúmina activada dentro de las cámaras que contienen el gas. El SF6 es un gas en temperaturas normales, y a la presión atmosférica se vuelve líquido a -60°C, y a 20 bars se vuelve líquido a 20°C, lo cual es muy negativo para sus calidades de aislamiento. Para aplicaciones de bajas temperaturas, deberá calentarse o mezclarse con otros gases como el Nitrógeno o el CF4. |
2.3.2 Interruptores de Aceite |
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Los primeros interruptores de alta tensión fueron los interruptores de volumen de aceite, seguidos por los interruptores con mínimo volumen de aceite. En un interruptor de aceite, el arco descompone parte del aceite en gases compuestos de 70% Hidrogeno y 20% Acetileno, y también produce partículas de carbón. |
2.3.2.1 Interruptores de Aceite en volumen |
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Consta de un tanque de acero parcialmente lleno con aceite, a través de cuya cubierta se monta la porcelana o los bushings de aislamiento compuesto. Los contactos en la parte inferior de los bushings están puenteados por una cabeza de conducción la cual puede ser de madera o de una varilla compuesta para elevación, la que en los diseños comunes cae por efecto de la gravedad seguido por la separación de los contactos por un sistema de resortes, abriendo de esta manera el interruptor. Un colchón de aire sobre el nivel de aceite sirve como una expansión del volumen para prevenir que se forme la presión dentro de la cámara luego de la interrupción de la corriente de cortocircuito. Más allá de las mejoras, el interruptor de aceite en volumen presenta muchas desventajas: - Gran peso y volumen |
2.3.2.2 Interruptores con mínimo volumen de aceite |
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Estos interruptores fueron desarrollados para sistemas de 170 y 245 kV, los que eran los voltajes más altos en su tiempo, cuando los problemas inherentes a los interruptores de volumen de aceite eran los más severos, y también para eliminar el aceite como medio de aislamiento y por lo tanto reducir la cantidad de aceite en los patios de llaves a una cantidad que no pueda ocasionar ningún peligro. Sin embargo, las excelentes propiedades de extinción del arco del aceite fueron utilizadas más tarde en el desarrollo de cámaras especiales de interrupción herméticas al aceite y a la presión. Los interruptores con mínimo volumen aceite para alta tensión son interruptores simples de hasta 170 kV e interruptores múltiples para 230 kV y superiores. Los contactos son colocados en un envase cilíndrico, aislado con conexiones para terminales en cada extremo y colocados en un soporte aislado. Comparado al interruptor en volumen de aceite, se ha mejorado considerablemente el aislamiento a tierra por la eliminación de los vulnerables bushings de aislamiento y del tanque metálico en la proximidad del arco. El aceite ya no aísla a la tierra, y el volumen de aceite se reduce por un factor de 10 hasta 20. Estos utilizan un dispositivo de control de arco en la cámara de arco, que reduce físicamente el arco y el tiempo del arco, y por lo tanto se reduce la energía del arco. Cuando el interruptor interrumpe pequeñas corrientes, el arco se extingue por un flujo axial forzado de aceite. A niveles de cortocircuitos, el arco se reduce como una función de la corriente. El arco explota por un chorro de aceite en ángulos perpendiculares a sus ejes, y se apaga. La mayor parte de los interruptores de mínimo volumen de aceite son diseñados para un rápido recierre. Ellos deben tener la capacidad de interrumpir las corrientes de cortocircuito dos veces seguidas en intervalos de 0.2 segundos a 0.3 segundos, por lo tanto el dispositivo de control del arco debe contener suficiente aceite para que se realice la segunda interrupción. |
2.3.3 Interruptores de Soplo de Aire |
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Hasta hace poco, los interruptores de soplo de aire han dominado las aplicaciones de alta tensión y de muy alta tensión. A partir de 170 kV hasta 800 kV y con capacidades de ruptura de 20 kA hasta 100 kA. Los interruptores por encima de 100 kV tienen múltiples cámaras conectadas en serie. Cada elemento se encuentra optimizado alrededor de los 80 kV. Inicialmente los interruptores de 800 kV tenían 12 cámaras en serie por fase, ahora sólo tienen 8 cámaras por fase. A pesar que el incremento de la presión de aire incrementa la velocidad de la regeneración dieléctrica, aún es demasiado lenta. Frecuentemente se utilizan las resistencias de inserción para reducir las subidas de voltaje. Los interruptores de soplo de aire se adaptan muy bien a las nuevas demandas de redes de alta tensión. Por ejemplo, al añadir inserciones de resistencia de pasos simples o dobles, se reduce fácilmente la subida de los voltajes de cierre. También es capaz de alcanzar tiempos muy rápidos de ruptura de 2 ciclos y aún menos, mejorando la estabilidad del sistema. En general, los interruptores de soplo de aire son equipos robustos de alta tecnología, con gran resistencia mecánica y eléctrica. El desgaste del contacto es bajo debido a la corta duración del arco y a los bajos voltajes del arco. Las dos desventajas principales de los interruptores de aire comprimido son: - Requiere la instalación de estaciones de compresión muy caras |
2.3.4 Interruptores de SF6 |
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El gas de hexafloruro de azufre (SF6) ha probado ser un excelente disipador de arco y un medio excelente de aislamiento para los interruptores. Los interruptores de SF6 están disponibles en todos los rangos de voltajes desde 14.4 kV hasta 800 kV, para corrientes continuas de hasta 4000 A, e interrupción simétrica promedio hasta de 63 kA. Los interruptores de SF6 son de diseño de tanque muerto o de tanque vivo (o activo) y diseño GIS. En años recientes, los interruptores de SF6 han alcanzado un elevado grado de confiabilidad, y ellos son adecuados para todos los fenómenos conocidos de conmutación. Su sistema completamente encerrado de gas elimina cualquier fuga durante las operaciones de conmutación y por lo tanto se adapta a los requerimientos ambientales. Pueden ser instalados horizontal o verticalmente, de acuerdo a los requerimientos estructurales de las subestaciones. La rápida regeneración dieléctrica del arco de plasma en el SF6 no requiere resistencias de inserción, simplificando así el aparato. Su diseño compacto reduce considerablemente los requerimientos de espacio y los costos de construcción e instalación. Adicionalmente, los interruptores de SF6 requieren muy poco mantenimiento. |
CONCLUSIÓN
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Con un análisis preciso es posible tomar decisiones que son provechosas para el interruptor, para la red y para el personal de mantenimiento. Para lograr esto, es importante conocer el funcionamiento del analizador de interruptores y el significado de los tiempos de operación, pero esto no es suficiente. Es necesario tener un mejor conocimiento del interruptor, de los valores de referencia (cuadro de tiempos) y de las características de la red. Todo esto, respaldado con la experiencia y el sentido común del personal de pruebas. |
