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interruptores potencia
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DISYUNTORES O INTERRUPTORES DE POTENCIA
La función de un interruptor consiste en conectar e interrumpir, una o repetidas
veces tanto en condiciones normales y anormales de trabajo diferentes circuitos
eléctricos. Al establecer o deshacer el contacto de los elementos de interrupción,
hay una etapa transitoria de arqueo entre los contactos regida por las cargas
eléctricas que ocurren entre ellos. Si la corriente está pasando por un circuito
antes de que este sea abierto por el interruptor en el instante de la separación se
formara un arco entre los contactos, mediante el cual la corriente puede continuar
hasta que cese la descarga.
El arco en los interruptores de corriente alterna ocurre de dos formas:
1. Cuando se están separando los contactos, el arqueo es posible aun cuando
la fem del circuito se encuentre considerablemente abajo del voltaje mínimo
de interrupción, esto debido al gran incremento local del voltaje por la auto
inductancia del circuito.
2. El arco se extingue cada vez que la corriente pasa por cero y puede
restablecerse solamente si el voltaje transitorio de recuperación entre los
contactos ya separados, alcanza un valor lo suficientemente alto, conocido
como voltaje de interrupción.
Tareas fundamentales de los interruptores de potencia:
1. Cerrado, debe de ser un conductor ideal (sin elevación excesiva de la
temperatura).
2. Abierto, debe ser un aislador ideal (extinguir el arco)
3. Cerrado, debe ser capaz de interrumpir la corriente a la que fue diseñado
de forma rápida y en cualquier instante, sin producir sobretensiones
peligrosas que afecten al sistema.
4. Abierto debe ser capaz de cerrar rápidamente y en cualquier instante, bajo
corrientes de falla, sin soldar los contactos por las altas temperaturas
generadas.
Principio de operación del interruptor:
Cuando los contactos se separan, se forma entre ellos un entrehierro, el cual
está constituido de un medio dieléctrico e interruptivo (aire, gas SF6, Vacío,
aceite). En este medio se forma el arco eléctrico.
En el entrehierro es donde el circuito es vulnerable a ser interrumpido, ya que
la corriente abandona su trayectoria original (contactos) para formar un arco en
el medio aislante, cuando se logra disminuir la conductividad de esta
trayectoria hasta extinguir el arco, es cuando la corriente deja de fluir.
El principio fundamental de este proceso es la velocidad de restablecimiento
del medio dieléctrico en el entrehierro. Para un entrehierro con un medio
gaseoso aislante, el gas es un semiconductor a altas temperaturas (cerrado) y
en función de su enfriamiento (al abrir) recupera su condición de aislante.
El circuito principal
Comprende los elementos que están energizados a la tensión nominal y
básicamente son: contactos de potencia, contactos auxiliares de arqueo,
contactos deslizantes y terminales.
Todo este conjunto esta contenido dentro de un recipiente que los mantiene
ensamblados. En el caso de los interruptores tanque vivo este contenedor es
de porcelana (cámara interruptiva); y en el caso delos de tanque muerto,
están contenidos dentro de un tubo de material aislante, el cual a su vez
está alojado dentro de un tanque metálico aterrizado.
Tanque muerto. Tanque vivo.
Los componentes del circuito principal, complementados con algunos
elementos adicionales como la toberas para orientar el flujo del medio
enfriamiento y aislante, el cilindro de soplado, entre otros, conforman la cámara
interrumptiva, para proporcionar un medio donde se desarrolle y se controle la
dinámica del arco eléctrico.
Aislamiento interno: es el medio aislante que existe entre los contactos
cuando están separados, que puede ser aire, aceite, gas SF6 o vacío. El
aislamiento interno es el responsable de asegurarse que las dos partes de una
red o los sistemas interconectados a través del interruptor permanezcan
separados mientras el mismo se encuentra abierto.
Aislamiento a tierra: es el medio aislante que existe entre el circuito principal
y la referencia de tierra. Dicho aislamiento evita fugas de energía a tierra y
permite que el personal este expuesto a niveles de tensiones no soportables
por el ser humano.
Proceso de cierre
Cuando el interruptor está abierto, la tensión en sus terminales es la tensión
del sistema, a esta tensión se le denomina “tensión de cierre”. Al valor de
corriente que fluye al cerrar el interruptor se le llama “corriente de cierre”. “la
potencia de cierre” es el producto de la tensión de cierre por la corriente de
cierre”.
El tiempo de cierre de un interruptor es el que transcurre desde el momento de
energizar la bobina de cierre hasta la conexión física de los contactos
principales.
Durante el cierre, existen esfuerzos eléctricos entre los contactos a medida que
estos se acercan, estableciéndose arcos de preencendido que ocasionan
desgaste adicional de los contactos.
Proceso de apertura
Consiste en convertir un espacio altamente ionizado en el entrehierro en un
buen aislante. A medida que la corriente senoidal se aproxima a cero, el medio
aislante ionizado pierde rápidamente temperatura con lo que recupera sus
condiciones aislantes. La velocidad de transición del medio aislante depende
de los parámetros eléctricos de la red.
Paso de corriente eléctrica a través de un medio gaseoso por ionización del gas.
Al interrumpirse la corriente, la razón de crecimiento de la TTR (tensión
transitoria de restablecimiento) y la rigidez dieléctrica varían. Si la TTR tiene
una razón de crecimiento mayor a la recuperación de la rigidez dieléctrica se
presenta un “reencendido” del arco. Si la recuperación dieléctrica es más
rápida que la razón de crecimiento de la TTR, se tendrá una interrupción
exitosa.
Incremento del voltaje en los contactos
Cuando un interruptor de potencia realiza el proceso de apertura para impedir
el paso de corriente eléctrica, además de verse presente físicamente un arco
eléctrico, se presente eléctricamente un incremento de voltaje considerable en
los bornes o contactos del interruptor, lo cual puede provocar problemas en el
sistema eléctrico. Este fenómeno se debe básicamente a la autoinductancia del
circuito.
Inductancia:
Cuando se hacer circular corriente variable en un solenoide conductor, se tiene
también un cambio en el flujo magnético asociado, y en consecuencia se auto
induce un voltaje que es directamente proporcional a la razón de cambio del
flujo magnético y este a la razón de cambio de la corriente. Este fenómeno se
llama autoinducción.
De esta manera la inductancia puede expresarse además de otras formas en la
expresión siguiente:
L= - E
---------------------------
dI/dt
En teoría, poder interrumpir instantáneamente una corriente es ser capaz de pasar
directamente del estado conductor al estado aislante. La resistencia de este
interruptor «ideal» debe pasar pues inmediatamente de cero a infinito. Este
aparato debería ser capaz de:
absorber toda la energía electromagnética acumulada en el circuito antes
del corte, o sea, en caso de cortocircuito.
soportar la sobretensión (L di/dt) que aparecería en sus bornes y que
tendría un valor infinito si el paso aislante-conductor se hiciese en un
tiempo infinitamente pequeño, lo que llevaría indudablemente a la descarga
dieléctrica. Imaginando que estas dificultades se eliminan por medio de una
sincronización perfecta entre el paso natural por cero de la corriente y la
transición aislante-conductor del aparato, todavía hay que superar otro
fenómeno también muy delicado: el de la tensión transitoria de
restablecimiento (TTR).
En efecto, inmediatamente después de la interrupción de la corriente, la tensión
(de restablecimiento) en los bornes del interruptor alcanza la tensión de red, que
es máxima en este instante, para los circuitos inductivos. Esto ocurre sin una
discontinuidad brutal por la presencia de capacidades parásitas en la red. En este
instante se establece un régimen transitorio que permite el ajuste de la tensión a la
de la red. Esta tensión, llamada «tensión transitoria de restablecimiento» (TTR),
depende de las características de la red y su velocidad de crecimiento (dv/dt)
puede ser considerable (del orden de kV/μs). Simplificando, esto significa que,
para afrontar el desafío del corte, el interruptor ideal debe poder soportar varios kV
menos de un micro segundo después de la transición conductor-aislante.
Es decir cuando un interruptor de potencia realiza su proceso de apertura
para interrumpir el paso de corriente eléctrica, esta misma tiene a oponerse
a ese cambio brusco de estabilidad en la intensidad de la corriente eléctrica,
presentándose un voltaje inducido que tendera a elevarse al infinito si el
tiempo en el que se realiza la interrupción tiene a cero.
Clasificación de los interruptores de potencia:
Los interruptores se puede clasificar de acuerdo: al nivel de tensión, lugar de
instalación, características externas de diseño, así como el método y diseño usado
para la interrupción de la corriente, tripolar o monopolar.
Tipo de interruptores por método y medio de interrupción:
De aire, la energía del arco se disipa por enfriamiento en las placas
cerámicas.
De aceite, la energía del arco se disipa en la descomposición del propio
aceite.
De soplo de aire, la energía del arco disipa aplicándole una fuerte
inyección de aire comprimido.
De gas SF6, la energía del arco se disipa en el gas, de acuerdo con las
leyes de la termodinámica.
vapor los materiales metálicos provenientes de los contactos.
INTERRUPTORES DE POTENCIA DE CORTE EN AIRE
Los aparatos que utilizan el corte en el aire a la presión atmosférica fueron los
primeros en utilizarse (disyuntor magnético). El aire a presión atmosférica, a pesar
de su rigidez dieléctrica relativamente pequeña y su constante de tiempo de
desionización elevada (10 ms), puede utilizarse para el corte hasta tensiones
próximas a 20 kV. Para ello hace falta disponer de una potencia de enfriamiento
suficiente y de una tensión de arco elevada después del paso por cero de
corriente para evitar el embalamiento térmico.
El mecanismo de corte en el aire:
El principio fundamental consiste en mantener el arco suficientemente corto, tanto
más cuanto más importante es la intensidad, para limitar la energía disipada y
después alargarlo solamente cuando se acerca el cero de corriente. Este principio
ha llevado a la creación para cada polo del aparato, de una cámara de corte. Se
trata de un volumen situado en el espacio cercano a los contactos y dividido en
placas refractarias (placas con gran capacidad de energía.
Principales características de un dispositivo de corte en el aire:
La dimensión de la cámara de corte viene principalmente definida por la potencia
de cortocircuito de la red (en MVA).
En los aparatos del tipo la Solenarc, la longitud más importante del arco (varios
metros en 24 kV) se obtiene en un volumen razonable gracias al desarrollo del
arco bajo la forma de un solenoide. Teniendo en cuenta las velocidades que son
necesarias para la apertura de los contactos, de algunos m/s, las energías de
mando son de algunos centenares de julios.
Los campos de aplicación del corte en el aire:
Este tipo de aparato se ha utilizado mucho en numerosas aplicaciones, pero su
empleo se limita a tensiones inferiores a 24 kV. Para tensiones superiores, se
emplea el aire comprimido, con lo que se consigue mejorar la resistencia
dieléctrica y la velocidad de enfriamiento y de desionización. El arco se enfría
entonces por sistemas de soplado a alta presión (entre 20 y 40 bars).
Esta técnica se ha utilizado para disyuntores de alto rendimiento o para tensiones
elevadas (hasta 800 kV). En BT, la técnica de corte en el aire a presión
atmosférico se ha utilizado universalmente por su simplicidad, su resistencia
mecánica, su ausencia de sobretensión y su efecto limitador.
EL VACÍO E INTERRUPTORES DE VACÍO
Las propiedades dieléctricas del vacío se conocen desde hace tiempo y se han
utilizado, por ejemplo, en los tubos de vacío para rayos X.
La utilización del vacío en la aparamenta de corte se ha visto como una posibilidad
desde 1920, pero, a causa de dificultades tecnológicas, no ha sido efectiva a
escala industrial hasta después de 1960. Después de los años 70, la técnica del
vacío se generaliza más y más por las ventajas que aporta: dimensiones
reducidas, mayor seguridad y mayor resistencia mecánica.
Propiedades dieléctricas del vacío:
En principio, el vacío es un medio dieléctrico ideal: no hay material y por tanto no
hay conducción eléctrica. Sin embargo, el vacío nunca es perfecto y desde luego
tiene un límite de resistencia dieléctrica. A pesar de todo, el «vacío» real tiene
unas características espectaculares: a la presión de 10-6 bar, la rigidez dieléctrica
en campo homogéneo puede alcanzar una tensión de cresta 200 kV para una
distancia interelectrodos de 12 mm.
El mecanismo que hay en el origen de la ruptura dieléctrica en el vacío está
vinculado a los fenómenos de emisión electrónica fría, sin efecto de avalancha por
ionización. Este es el motivo por el que su resistencia dieléctrica no depende
prácticamente más que de la presión cuando ésta es inferior al 10-6 bar.
Esta rigidez dieléctrica depende entonces de la naturaleza de los materiales, de la
forma de los electrodos (en particular de la presencia de asperezas) y de la
distancia interelectrodos.
La forma de la curva que da la tensión de perforación en función de la distancia
intercontactos (figura 21) muestra por qué el campo de aplicación del vacío
permanece limitado en tensión. En efecto, las distancias necesarias para la
resistencia dieléctrica aumentan muy rápidamente cuando la tensión sobrepasa de
30 a 50 kV lo que conlleva costos prohibitivos con relación a las otras tecnologías.
Además está la emisión de rayos X cuando la tensión se eleva.
El mecanismo de corte en el vacío:
El corte en el vacío es muy particular en razón de las características muy
específicas del arco en el vacío. n El arco eléctrico en el vacío El arco se compone
de vapores metálicos y de electrones que provienen de los electrodos de manera
distinta a las otras técnicas de corte mencionadas anteriormente en las cuales
esta columna se compone principalmente por el gas intercontactos ionizado por
colisiones. El arco puede tener dos aspectos concentrado o difuso, según la
intensidad de corriente que lo atraviesa.
Interruptores de vacío.
Los mejores conductores de electricidad, según Harper, son aquellos materiales
que ofrecen la mayoría de electrones libres y, por el contrario, los mejores
aisladores o dieléctricos ofrecen el mínimo número de electrones libres. Debido a
que el vacío constituye una ausencia de cualquier substancia y, por lo tanto, una
ausencia de electrones, en teoría, representa el mejor dieléctrico.
Basado en esta teoría, pueden haber grandes ventajas que se pueden realizar, si
operan mecánicamente los contactos eléctricos cuando abren en una cámara de
vacío.
La mayoría de los fabricantes han sido capaces de construir tales dispositivos para
su uso en alta tensión. Dentro de las ventajas que se tienen, se pueden mencionar
los siguientes: son más rápidos para extinguir el arco eléctrico, producen
menor ruido durante la operación, el tiempo de vida de los contactos es mayor y
elimina o reduce sensiblemente el riesgo de explosiones potenciales por presencia
de gases o líquidos.
El mantenimiento de estos interruptores es reducido y se pueden usar en casi
cualquier lugar, debido a que no son afectados por la temperatura ambiente u
otras condiciones atmosféricas.
Un Interruptor de vacío es utilizado para interrumpir flujos de corriente bajo
condiciones nominales y de falla, cuando los contactos principales en un
ambiente de vacío se separan, la corriente a ser interrumpida se convierte en un
arco que se disipa en forma de un plasma de vapor metálico, 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 una alta
fortaleza dieléctrica y una velocidad de interrupción muy rápida. Ésta solución es
una de las más populares actualmente para media tensión.
