El Interruptor Monografia

El interruptor Durante los 100 últimos años, la electricidad se ha convertido en la forma de energía más flexible y fiable del mundo. La demanda global es cada vez mayor y, en muchos países, el suministro de electricidad está directamente relacionado con el producto interno bruto. La infraestructura que permite la distribución segura de la energía eléctrica es extremadamente fiable, pero el desarrollo de redes cada vez mayores y la introducción de nuevos tipos de generadores eléctricos suponen nuevos retos operacionales. En este artículo, repasa la historia del desarrollo de los interruptores, componentes indispensables de las redes eléctricas. Los interruptores son vitales para el funcionamiento seguro de una red eléctrica. Son necesarios en los generadores de de electricidad, donde se ha de poder conectar y desconectar toda la potencia de una central eléctrica (gigavatios de electricidad), y en líneas de transmisión, en subestaciones, para dirigir el flujo de energía con tensiones de más de 1.500KV.Los interruptores son también componentes esenciales en las redes de distribución, en las que es preciso controlar corrientes muy altas a niveles moderados moderados de tensión. Un interruptor, con independencia de su posición en una red, tiene dos tareas tareas es responsable de la conmutación diaria de líneas durante el funcionamiento normal y de la desconexión del suministro eléctrico en caso de sobrecarga o cortocircuito. Un interruptor puede controlar varios GVA de potencia en fracciones de segundo. Es tal la importancia de este dispositivo, que se han invertido decenas de miles de millones de dólares en su desarrollo durante durante los 100 últimos años.

El reto de un interruptor La corriente eléctrica es transportada desde las centrales hasta los clientes a través de cables metálicos conductores, la mayoría visibles como líneas aéreas. La corriente se puede interrumpir simplemente cortando la línea eléctrica conductora, algo muy fácil de hacer cuando no circula corriente, pero extremadamente difícil cuando el cable está bajo tensión. Cuando se corta un cable bajo corriente, ésta se ve obligada a circular a través de una sección progresivamente menor de hilo. Esta concentración de la corriente produce calor y una posible vaporización del hilo remanente. Pero, incluso cuando se ha cortado el cable por completo, puede seguir circulando corriente a través de un arco eléctrico que se forma en los gases ionizados (plasma) entre los contactos abiertos. La corriente sólo puede interrumpirse entonces mediante un interruptor capaz de extinguir este arco. Aunque la velocidad con que los interruptores han de desconectar fuertes fuertes contactos contactos metálicos para conseguir su

Trusted by over 1 million members

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.

propósito ha llevado a encontrar varias soluciones ingeniosas, este artículo se centrará en los avances conseguidos en el importante reto de controlar los arcos eléctricos. Los arcos eléctricos tienen tienen una energía enorme: su temperatura temperatura puede supe- rar los 50.000°C y se pueden dar presiones de hasta 100 MPa contenidas en un volumen de menos de un litro. A lo largo de los años, los interruptores han incorporado varios medios diferentes para disipar esta energía, como agua, aceite, gases inertes y aire comprimido. El intenso calor del arco se puede dispersar mediante la aplicación de un gas a alta presión o mediante el flujo gaseoso causado por la vaporización del medio interno, que se produce como resultado de la formación del arco. El cuerpo del interruptor también es decisivo para la eficacia del dispositivo. Se puede utilizar para dirigir el flujo de gases calientes y ya se han adoptado varios métodos diferentes para mejorar la la disipación térmica, entre ellos el uso de materiales semi-destructibles. En la fig 1 se resumen los diversos tipos de interruptores utilizados durante los 100 últimos años por ASEA y Brown Boveri y, más recientemente, por ABB.

En los comienzos del desarrollo, pronto aparecieron interruptores de agua y aceite, que operaban a niveles niveles muy bajos de corriente y tensión. La figura2 figura 2





del medio elegido. En estas condiciones, la formación del arco originaba la ionización del medio con producción de hidrógeno. Cuando la corriente se aproximaba a cero (por ejemplo, cada 10 ms en un sistema alterno a 50 Hz), la elevada presión del medio vaporizado comprimía el canal del arco lleno de gas. Esto hacía que el medio entre los contactos de apertura perdiera casi toda su conductividad, extinguiendo, por tanto, el arco. Desafortunadamente, dado que se requerían grandes volúmenes del medio, estos dispositivos eran bastante voluminosos y poco manejables, y en caso de avería del interruptor de aceite podía acumularse la presión, con gran riesgo de explosión e incendio.

A pesar de estos riesgos, el aceite siguió siendo un medio popular y los interruptores de mínimo aceite, basados en estos primeros y voluminosos dispositivos, se utilizaron hasta la década de 1980. El principio en que se basa este interruptor se muestra en la fig. 3. En resumen, cuando la corriente forma un arco en el aceite, el medio se vaporiza y se forma una burbuja alrededor del arco. Este gas a alta presión, que es hidrógeno en casi un 80 por ciento, inhibe la ionización y se desplaza por los canales que rodean el arco. Esto aumenta la convección en el aceite, que ayuda a refrigerar los residuos del arco cuando la corriente está próxima a cero. Este principio de convección inducida por el arco





Los interruptores de mínimo mínimo aceite funcionan mejor con altas corrientes, que provocan un aumento brusco de presión y fuerte convección. Con corrientes más bajas, durante el funcionamiento normal, el efecto de auto-inyección no puede desarrollarse completamente sin la ayuda de un pistón móvil que favorezca la convección, según se muestra en la fig 4.

En estos interruptores, en el momento de la apertura la corriente forma un arco y la presión en la cámara superior crece notablemente, haciendo que se desplace el pistón entre las dos cámaras. En un punto determinado, una abertura en el pistón pasa por el contacto móvil, originando un fuerte flujo axial de aceite desde la cámara inferior, que enfría el arco. Las evidentes ventajas de este método llevaron a una rápida adopción de este interruptor y a la progresiva desaparición del interruptor convencional de depósito de aceite, según indican las correspondientes cifras cifras de ventas de alrededor de 1940 fig5. fig5.





El aceite es un buen aislante eléctrico y, cuando se abre el interruptor, puede aislar la tensión de la red a través de los contactos. Se puede conseguir un aislamiento similar usando aire, pero sólo si se comprime a una presión de varios MPa. El uso de presiones tan altas en interruptores de aire comprimido requería un nuevo diseño de la cámara del interruptor, que fue desarrollado junto con el diseño de los interruptores de aceite durante las primeras décadas de la electrificación. En los los interruptores de aire comprimido, el arco es enfriado por la convección causada por las grandes diferencias de presión entre las partes internas del interruptor y el aire ambiente exterior; se abre una válvula y el aire comprimido sale precipitadamente de la cámara a gran velocidad. Un componente esencial del diseño garantizaba que el arco se situara correctamente para aprovechar el intenso flujo de aire. Se ensayaron varios diseños de boquillas y finalmente se optó por flujo axial, similar al usado en la cámara de compresión. Había varias alternativas entre el interruptor de aire comprimido y el de mínimo aceite. Este último, especialmente el tipo de auto-inyección, tenía un diseño sencillo y podía operar con baja potencia mecánica. Como medio, sin embargo, el aceite no era fácil de manejar. Planteaba peligro de incendio y necesitaba más mantenimiento. Por otro lado, los interruptores de aire comprimido requerían potentes compresores y su funcionamiento era muy ruidoso. La elevada presión podía utilizarse, sin embargo, para impulsar los movimientos de los contactos y los sistemas basados en aire comprimido eran mucho más limpios y fáciles de mantener que los basados en aceite. El mercado acogió bien los interruptores de aire comprimido, con un crecimiento de ventas de un 20% anual entre 1967 y 1971. Pero el desarrollo en paralelo de dos principios de interruptores polarizó la opinión, incluso den- tro de las compañías fabricantes, y la competencia entre los dos campos continuó con fervor casi religioso. En 1955, algunos ingenieros afirmaban que “el interruptor de inyección de aire es mejor que cualquier otro tipo para altos niveles de tensión de hasta 380 kV”, mientras que en e n 1978, otros sentenciaban que “el interruptor de mínimo aceite ha sobrevivido a la ola de inyección de aire, que ya pertenece al pasado, y sin duda tampoco será barrido por el SF6 (hexafluoruro de azufre)”. Las fuerzas del mercado demostraron, sin embargo, que ambas opiniones eran erróneas, y la solución del SF6 es hoy más popular que cualquiera de sus dos antecesoras. El SF6 es un gas inerte con excelentes propiedades aislantes, incluso a una presión relativamente baja (es decir, 0,5 MPA). Esta baja presión es crucial, ya que el SF6 se licuaría con altas presiones y no podría interaccionar con el arco. El principio del interruptor de SF6 se muestra en la fig.6 fig.6. El contacto móvil está conectado a una boquilla y un cilindro que constituye el





forma el arco, el gas frío SF6, desde la parte inferior comprimida dinámicamente, puede interaccionar con el arco en un flujo axial y difundir su energía. Este dispositivo combina varias ventajas, como el bajo mantenimiento, la limpieza de funcionamiento y la falta de compresión externa y de ruido de escape. El uso de SF6 como medio ha tenido gran aceptación entre clientes e ingenieros. Desde 1970 ha habido una inversión creciente en el desarrollo de estos interruptores. Aprovechando las ventajas del SF6 como medio, ingenieros pasaron a combinarlo con el principio de auto-inyección, usado en el interruptor de mínimo aceite. Pero las primeras aplicaciones de las características de la auto-inyección en un interruptor de SF6 siguieron otro camino, que se usó en los interruptores de vacío: utilizar un campo magnético para controlar controlar el arco. Cuando se abren los contactos y se forma un arco, se crea un campo magnético debido a la forma espiral de los electrodos. Esto hace que el arco gire a gran velocidad, forzándolo a mezclarse con el medio frío de SF6, que rápidamente minimiza su energía.







gaseoso, dieron origen a un nuevo interruptor de línea esbelta, pero fuerte, basado en el SF6. El dispositivo contenía pocas piezas móviles y los contactos sólo necesitaban moverse una pequeña distancia antes de que se interrumpiera el circuito. Esta tecnología pronto fue combinada con características de interruptores de soplado y finalmente condujo a los actuales interruptores de avanzada tecnología, que pueden controlar la la conmutación de potencia de más de 25 GVA en una sola cámara. Esto representa un incremento de 100 veces el rendimiento con respecto a los 80 ultimos años fig7.

En la fig8 fig8 se muestra un moderno interruptor LTB (Live Tank Breaker). La energía requerida para interrumpir la la corriente de cortocircuito en este interruptor se obtiene en parte del propio arco, lo que reduce a menos de la mitad la energía operacional requerida en comparación con un interruptor convencional SF6 de soplado. La menor energía requerida reduce esfuerzos en el interruptor y mejora, por tanto, a fiabilidad. Todos los tipos tipos de interruptores descritos hasta hasta ahora dependen de algún tipo de





campo magnético en el que gira el arco. El arco se extingue cuando el vapor metálico se vuelve a condensar en los electrodos y paredes de la cámara del interruptor. Desde el principio de los años 1980, se ha producido más de un millón de interruptores de vacío. Este producto de alta tecnología sigue teniendo gran demanda en todo el mundo. La gama actual de productos de esta tecnología comprende interruptores de vacío para interruptores de 12 a 40,5KV, con corrientes de interrupción de cortocircuito de hasta 63KA. Los interruptores del futuro





interruptor de potencia, pero sería un ejercicio muy complejo, sumamente caro. Un interruptor totalmente electrónico no sería competitivo en el mercado actual. La historia del desarrollo de los interruptores muestra, no obstante, que la combinación de varias varias tecnologías arraigadas en nuevos productos ha dado muy buenos resultados. Si se sigue combinando características de interruptores convencionales con dispositivos electrónicos de potencia. Se esperan nuevos avances en rendimiento y desarrollo en este campo.





El Interruptor Monografia

Recommend Documents