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GE Energy Management
Industrial Solutions
Programa Digital de Especificación
Medio de extinción en
interruptores de media tensión
Vacío vs SF6
Presentación educativa sobre especificaciones de equipo de distribución eléctrica
Jorge Oliveira
Ingeniero Especificador
Contenido
1) Introducción
2) Medio de extinción
3) Tecnologías de extinción del arco eléctrico
4) Nueva Generación de Diseño de Interruptores
5) Resumen de tecnologías de los interruptores de media tensión
6) Conclusiones
7) Referencias
La propiedad intelectual de General Electric sobre sus equipos está reservada
imaginación en acción
la.geindustrial.com
Se pretende con este documento conocer las distintas tecnologías de medios de extinción de los
interruptores de media tensión y entender las principales ventajas de aquellas que están
disponibles en el mercado para ayudarnos a elegir que tecnología es la más apta para nuestro
sistema.
El interruptor es un dispositivo encargado de conectar y desconectar una carga o una parte del
sistema eléctrico en condiciones de operación normal o en falla (cortocircuito o sobrecarga). Es
por ello que viene a jugar un rol fundamental en cualquier sistema de energía y se considera
equipo esencial en cualquier subestación o switchgear.
Conocer las distintas tecnologías para la extinción del arco eléctrico en un interruptor representa
un compromiso que todo diseñador y usuario final debe entender y conocer, para de esta forma
determinar los mejores usos que las distintas tecnologías del mercado ofrecen en la actualidad.
1) Introducción
El interruptor tiene una función trascendental para la conexión y desconexión de circuitos, de
manera básica su comportamiento en estado cerrado es la de un conductor con muy baja
resistencia, en estado abierto su comportamiento debe ser la de un aislante ideal.
Adicionalmente, es importante destacar que los interruptores están diseñados para tener
capacidad de re-cierres, cuando así lo requiera el sistema.
A lo largo de los años, desde principios del siglo XX, los interruptores han venido evolucionando
en lo que respecta el medio de extinción del arco eléctrico generado cuando se requiere abrir o
despejar algún circuito eléctrico. Parte de esta evolución la ha dado la continua búsqueda de un
medio de extinción que pueda proveer la mejor velocidad y seguridad para el sistema eléctrico
que está protegiendo.
Es por ello que nos dedicaremos a conocer los distintos medios de extinción que han venido
evolucionando y presentaremos lo más reciente que General Electric trae para el mercado de
media tensión.
2) Medio de extinción
Lograr interrumpir los circuitos eléctricos de potencia ha sido desde siempre un compromiso
fundamental, en particular para el caso de sobrecargas o cortocircuitos cuando el flujo de
corriente eléctrica debe ser interrumpido de manera inmediata como medida de protección del
sistema.
Este proceso de interrupción se basa en la ionización del medio en el cual se hace la separación
de contactos. El arco eléctrico es capaz de originar una descarga, que por sí misma genera la
cantidad de iones y electrones precisos para que en ese ambiente gaseoso se mantenga un flujo
de corriente.
Anteriormente, se lograba esta interrupción con sólo separar los contactos en el aire, de tal
manera que esa longitud de separación hacía que no se mantuviera el arco eléctrico que resulta
por la separación de dichos contactos. Pero no siempre era efectivo usar como medio de
extinción (interrupción) el aire, por eso se fueron desarrollando otros medios.
A lo largo de los años los fabricantes de interruptores han incorporado varios medios diferentes
para disipar esta energía, las cuales presentaremos a continuación.
3) Tecnologías de extinción del arco eléctrico
3.1 Gran y pequeño volumen de aceite (GVA – PVA)
Los equipos de GVA consistían de grandes contenedores dentro de los cuales se almacenaba
aceite mineral y el aceite fungía tanto como medio de aislamiento, como medio de extinción
del arco (medio interruptivo).
Dentro del aceite se tenían inmersos los contactos encargados de la apertura o cierre de los
circuitos. Uno de los contactos es móvil y cuando se separa del contacto fijo se genera un
arco eléctrico y al mismo tiempo ese espacio se “inunda” con el aceite desplazando el
oxígeno y extinguiendo de esta manera el arco.
Al generarse el arco eléctrico, el aceite se descompone debido a las altas temperaturas
liberando gases como el hidrógeno, el cual tiene una alta conductividad térmica y que
produce también una alta presión la cual tiene que ser liberada por ventilas colocadas en las
cubiertas superiores del interruptor.
En busca de reducir el tamaño del equipo y del elevado precio del aceite, se desarrollaron los
equipos de PVA que disminuyeron notablemente el tamaño de sus predecesores, ya que el
aceite fungía como medio de extinción de arco más que como medio de aislamiento.
Estás tecnología fueron desplazadas básicamente por razones de seguridad en las
instalaciones eléctricas y por la poca efectividad del equipo, y hoy en día si bien pueden
encontrarse en subestaciones de media y alta tensión a la intemperie, su producción está
casi descontinuada.
3.2 Soplado de aire (aire comprimido)
En estos equipos de soplo de aire la forma de extinción de arco consiste en la utilización de
una fuente de aire comprimido a través de una válvula neumática, la cual suministra aire a
altas presiones directamente al arco formado entre los contactos al momento de una
apertura del circuito. Ésta presión es dirigida al arco alargando la columna del mismo y
sometiéndolo al enfriamiento del flujo de aire, logrando así la desionización y por lo tanto la
extinción el arco.
Si bien es un equipo más seguro que los equipos con aceite, su diseño y construcción es
complejo por el propio sistema de aire comprimido que debe instalarse, que adicionalmente
requería un mantenimiento importante. Estas razones han hecho que sea un sistema cada
vez más en desuso aunque puede verse en subestaciones a la intemperie de vieja data.
.
3.3 Soplado magnético
Los equipos diseñados con ésta tecnología utilizan la aplicación de un campo magnético
sobre el arco eléctrico generado al momento de separar los contactos y con éste campo
magnético se dirige al arco hacia las cámaras de arqueo en donde el arco se divide, enfría y
extingue. El campo magnético es generado por una bobina que está integrada cerca de las
cámaras de arqueo y el propio arco eléctrico genera el campo magnético en la bobina para
ayudar a su extinción.
Ésta tecnología fue utilizada ampliamente en los años 50´s a los 80´s pero hoy en día se
considera obsoleta, sin embargo, se puede considerar como la primera generación de
interruptores de uso interior.
Entre las características principales de estos interruptores tenemos:
-
Dimensiones y mecanismos de grandes proporciones.
Un interruptor por sección vertical.
Máximo 3000 A.
Velocidad de operación típica = 8 ciclos.
Contactos secundarios (auxiliares) = 8 a 16 puntos.
Típicamente estas unidades eran de elevación vertical y tenían un motor de extracción
para cada interruptor.
Interruptor de soplado magnético y su principio de operación
3.4 Vacío
El interruptor de potencia de vacío, es una tecnología que inicio en los años 60´s y donde
General Electric fungió como precursor, se diferencia de las tecnologías de interruptores
anteriores, porque no requiere de un medio de extinción. A diferencia de los medios en aire,
SF6 o aceite, en el vacío está ausente una la materia ionizable que pueda formar una
descarga térmica de gases. Sin embargo, después de la apertura de los contactos
atravesados por una corriente, en el vacío se genera un arco de vapor metálico, al cual se le
conoce como arco en vacío y al pasar la forma de onda por cero el arco es totalmente
extinguido y el vapor se condensa en el orden de los micro-segundos.
Como resultado de esto podríamos apuntar al vacío una alta fortaleza dieléctrica y una
velocidad de interrupción muy rápida. Lo que hace que ésta solución sea una de las más
populares actualmente para media tensión sobre todo en EUA, Asia y América Latina.
Entre las características principales de estos interruptores tenemos:
-
Diseño compacto (Interruptor y mecanismo).
Máximo 4000 A.
Dos interruptores por sección vertical (1200 / 2000 A).
Velocidad de operación típica = 5 ciclos
Contactos secundarios (auxiliares) = 16 a 24 puntos
Posibilidad de dispositivo de extracción remoto disponible.
Interruptor y cámara de interrupción en vacío.
3.5 Gas Hexafloruro de Azufre - SF6
El SF6 es un gas de excelente propiedad de aislamiento, cuenta con una capacidad
dieléctrica entre 2.5 a 3 veces la del aire, esto en conjunto con su baja temperatura de
ionización y su alta energía de disgregación hace que sea un gas que posee destacadas
propiedades para la interrupción del arco.
Si bien en condiciones normales es un gas no tóxico, incoloro, inodoro, incombustible, e
inerte presenta características de gas de efecto invernadero (su capacidad calorífica es
25000 veces mayor que el dióxido de carbono, por lo que 1/25000 volúmenes de SF6
producen el mismo efecto que un volumen de dióxido de carbono).
Al quemarse con el arco de la interrupción, se descompone en algunos productos tóxicos y
corrosivos como el SO2, SOF2, HF y SF4. De allí que manipular una cámara abierta de un
interruptor de SF6 deba hacerse con equipo de seguridad, para no exponer al operador a
estos gases.
Hoy en día hay un consenso donde las naciones están en la búsqueda de su eliminación o
disminución como aplicación a corto plazo y se han creado legislaciones para reducir el uso
de gases de efecto invernadero (Protocolo de Kyoto).
Los interruptores con medio de extinción en SF6 son muy aplicados en sistemas de media y
alta tensión, teniendo mayor presencia en Europa, Oriente Medio y África.
La mayoría de las soluciones en el mercado utilizan un desconectador en aire envuelto por
gas SF6 presurizado, el cual al realizar la maniobra de apertura, elimina el arco gracias a la
rigidez dieléctrica de éste gas. Éste proceso degrada la calidad del gas lo cual va reduciendo
la vida útil del sistema
El Hexafloruro de azufre (SF6) es usado básicamente de dos formas en los interruptores, en
los diseños "puffer", el gas vuela a través de los contactos que se abren para desplazar el gas
del arco y en los diseños “blast", se utiliza a altas presiones para abrir los contactos, mientras
que al mismo tiempo se extingue el arco.
Entre las características principales de los interruptores con medio de extinción en SF6
tenemos:
-
Hexafloruro de azufre (SF6) es un gas aislante usado en los interruptores desde 1970’s
hasta el presente.
Diseño compacto/estrecho.
Máximo 4000 A.
Un interruptor por sección vertical.
Velocidad de operación típica = 5 ciclos
Contactos secundarios (auxiliares) = 16 a 24 puntos
Comúnmente los interruptores son fijos, sin extracción disponible.
Vista lateral de un interruptor en SF6
4) Nueva Generación de Diseño de Interruptores
General Electric ofrece al exigente mercado eléctrico una nueva generación de interruptores –El
SecoVac- que ha llegado para satisfacer los más altos estándares de calidad de la industria
eléctrica, el mismo, se basa en una evolución de los anteriores interruptores en vacío. La
principal novedad es que el polo cerámico de interruptor está ahora embebido en una resina
epóxica, para de esta manera proteger al equipo de las condiciones ambientales que pudieran
afectar su operación, garantizando un elevado comportamiento en lo que respecta al
aislamiento y a la resistencia mecánica.
4.1 Polo Embebido
Las principales ventajas de esta innovación tecnológica del polo embebido se pueden
resumir en:
-
Alto coeficiente dieléctrico sin protección adicional
Óptima protección para el sistema de vacío, contra humedad, polvo o agentes externos.
Adecuado para diferentes condiciones climáticas.
Eliminación de la posibilidad de daño mecánico o fugas por incidentes en transportación
y/o instalación.
Simplifica el ensamble y el ajuste del polo.
Diseño compacto y robusto.
Totalmente libre de mantenimiento, reemplazo individual.
Polo embebido
4.2 Comportamiento y confiabilidad
Las nuevas tecnologías ayudan a que los equipos puedan tener un comportamiento
destacado, entre otras cosas gracias a que el interruptor en vacío contiene un contacto de
baja resistencia que permite una conducción idónea en el momento del cierre del equipo. El
interruptor cuenta con una barra de acoplamiento aislada (resortes de contactos tipo plato
en el interior) para darle mayor facilidad operativa. Al tener contactos terminales superiores e
inferiores se logra una mejor conexión y estabilidad y adicionalmente posee una elevada
distancia de fuga para lograr tiempos de apertura muy rápidos.
Para lograr tener un equipo con la más alta confiabilidad, cada interruptor es probado con
una “Tecnología invisible”, que no es más que una inspección detallada por Rayos-X para
garantizar la calidad del proceso de fabricación. También se hacen pruebas de descargas
parciales para garantizar los más elevados niveles de aislamiento (deben ser menores a 5
pC). Y por último es un equipo probado ante las más extremas condiciones ambientales con
pruebas repetitivas @ -40ºC & +50ºC.
Pruebas de garantía de calidad
4.3 Amortiguador de Apertura
Cuando se hacen aperturas de un arco eléctrico se tiende a producir un transitorio
electromagnético que puede ocasionar la fatiga de los mecanismos del equipo y el daño de
equipos del sistema asociado. Por lo tanto, esta nueva generación de interruptores incluye
un amortiguador de apertura que reduce el rebote y exceso de viaje del contacto movible
durante la apertura, así como prevenir recierres involuntarios de los contactos y garantizar la
endurancia mecánica del mecanismo.
Sin amortiguador de apertura
Con amortiguador de apertura
4.4 Mecanismo modular
Los principales beneficios de tener un mecanismo modular son:
-
Módulo de mecanismo de apertura y cierre universal. Es intercambiable para todos los
interruptores.
Reducción de tiempo en el ajuste o puesta en servicio, ya que no son requeridas
herramientas especiales.
Reducción de tiempo de paro.
Después de remplazo no son requeridos ajustes especiales.
Reducción del número de partes de repuesto recomendadas (no más de 6).
Bajo costo de operación y mantenimiento.
Reducción posibles puntos de falla, al tener menores piezas.
Mecanismo del interruptor
4.5 Características principales de la nueva generación
La nueva generación de interruptores en vacío tienen las siguientes características:
-
Tecnología de interruptor en vacío mejorada. Proveniente de la evolución del interruptor
en vacío de polo cerrado.
Diseño más compacto (interruptor y mecanismo)
Con corrientes hasta 4000 A
Ahorro de espacio con hasta 2 interruptores por sección vertical (1200A / 2000A)
Mayor velocidad de operación = 3 ciclos
Contactos secundarios (auxiliares) = 24 a 40 puntos
Dispositivo de inserción integral opcional para cada interruptor.
Disponibilidad de Retrofill para interruptores de generaciones previas.
5) Resumen de tecnologías de los interruptores de media tensión
6) Conclusiones
Para los interruptores de media tensión la evolución de las tecnologías ha hecho que los
fabricantes en los últimos 50 años estén desarrollando equipos más confiables y con mejores
prestaciones para satisfacer los elevados requerimientos del mercado.
A la hora de seleccionar un interruptor los factores claves a considerar son:
-
Velocidad de Operación
Capacidad de Control/Señalización
Seguridad del Personal
Hoy en día las dos principales tecnologías de medio de extinción en el mercado son el vacío y el
SF6.
Hay una nueva evolución en cuanto a los interruptores de media tensión, como lo es el polo
embebido, creado para satisfacer los más altos estándares de exigencia del mercado eléctrico
actual.
El SecoVac es el interruptor de última tecnología de General Electric de polo embebido que
ofrece un tiempo de apertura de contactos de apenas tres (3) ciclos, con un mecanismo modular
que facilita el reemplazo y mantenimiento y el mejor comportamiento ante un medio ambiente
severo.
7) Referencias
-
International Standard IEC 62271-100. High-voltage alternating-current circuit-breakers.
2008.
-
ANSI C37. 12 – IEEE. Guide for Specifications of High-Voltage Circuit Breakers (over 1000
Volts). 2008.
-
Alvarado Oscar, Tecnologías de Extinción del Arco, Programa Digital de Especificación,
General Electric – Industrial Solutions.
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