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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. Oficinas Principales América Latina 790 NW 107th Avenue, Suite 200 Miami, FL 33172 Tel: 305 551 5155 Fax: 305 551 5129 ISLAMarketing@ge.com Brasil 0800 595-6565 Energy.contagemcallcenter@ge.com Chile Av. Presidente Eduardo Frei Montalva 6001 Edificio No. 66, Comuna: Conchalí Sector e Cortijo, Santiago, Chile Teléfono Central: +56 2 29284710 Servicio al cliente: +56 2 29284751 ventas.sla@ge.com Colombia Av. Cra. 72 No. 80-94 Centro Empresarial Titán Piso 12 Bogotá, Colombia Teléfono Central +57-1-742-5658 ventas.nla@ge.com Ecuador Panamericana Norte KM 12 1/2 Parque Delta Quito, Ecuador T. 593 2 2428212 ventas.nla@ge.com México Guadalajara Av. Acueducto #4851 Corporativo Andares, Piso 8. Col. Puerta de Hierro, Guadalajara, Jalisco. 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