(CT 171) La ruptura por auto-expansión

7/30/2019 (CT 171) La ruptura por auto-expansin

1/17

Cuaderno Tcnico n 171

La ruptura por auto-expansin

Georges Bernard


2/17

Cuaderno Tcnico Schneider n 171 / p. 2

La Biblioteca Tcnica constituye una coleccin de ttulos que recogen las novedadeselectrotcnicas y electrnicas. Estn destinados a Ingenieros y Tcnicos que precisen unainformacin especfica o ms amplia, que complemente la de los catlogos, guas de producto onoticias tcnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenmenos que se presentan en las instalaciones,los sistemas y equipos elctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo delas redes elctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

Puede accederse a estas publicaciones en Internet:

http://www.schneiderelectric.es

Igualmente pueden solicitarse ejemplares en cualquier delegacin comercial de Schneider ElectricEspaa S.A., o bien dirigirse a:

Centro de Formacin Schneider

C/ Miquel i Badia, 8 bajos

08024 Barcelona

Telf. (93) 285 35 80

Fax: (93) 219 64 40

e-mail: [email protected]

La coleccin de Cuadernos Tcnicos forma parte de la Biblioteca Tcnica de Schneider Electric,S.A.

Advertencia

Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilizacin de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no sern responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las consecuenciasde la aplicacin de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edicin.

La reproduccin total o parcial de este Cuaderno Tcnico est autorizada haciendo la mencin obligatoria:Reproduccin del Cuaderno Tcnico n 171 de Schneider Electric, S.A..


3/17

cuadernotcnico no 171

La ruptura porauto-expansin

Por: Geoges Bernard

Trad.: E. Mil

Edicin francesa: diciembre 1 993

Versin espaola: Julio 2 000

Georges BERNARD

Se diplom como ingeniero IEG-Institut Electrotechnique de Grenoble-en 1 960.

El mismo ao entra en Merlin Gerinencargndose del Servicio de

Patentes, y despus del Servicio deInvestigaciones.

En 1 966 consigue el doctoradomediante una tesis cientfica sobre lamedida de la corriente por mediospticos.

En 1 961 participa en los estudiosrelativos al corte SF6, y trabaja en elcampo del corte esttico e hbrido.

En 1 993, dentro de la Direccin deInvestigacin y Desarrollo de MerlinGerin desarrolla nuevos estudiossobre el corte para los interruptoresautomticos del futuro.


4/17


Terminologa

Densidad electrnica Nmero de electrones libres por unidad de volumen ( 1017/cm3 durante el arco de la ruptura).

AT-A y AT-B Estos trminos se emplean en este cuaderno conforme a la legislacin francesa (decreto 14

noviembre 1 988), correspondiendo a los siguientes valores de tensin:

n AT-A: 1 a 50 kV,

n AT-B: > 50 kV.

A nivel europeo (Circular 27 julio 1 992 de CENELEC -Comit Europeo de NormalizacinElectrotcnica) se emplean los trminos Media Tensin -MT- y Alta Tensin -HT-:

n MT: 1 a 35 kV,

n Hl : >35 kV.

GIS Gas lnsulated Switchgear: aparellaje hermticamente cerrado (CEl 298).

Interferometra Mtodo de medida de muy alta precisin basado en los fenmenos de interferencias

(interferencia: fenmeno resultante de la superposicin de oscilaciones u ondas de la mismanaturaleza y de frecuencias iguales prximas).

Organismos Los ms importantes son:

de certificacin n ASTA -Association of Short-circuit Testing Authority- en Inglaterra,

n CESI -Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano- en Italia,

n

ESF -Ensemble des Stations d'essais grande puissance Franaises- en Francia,n KEMA -Keuring Elektrotechnische Materialen Arnhem- en Holanda.

Estos organismos son miembros a nivel internacional del SIL -Short-circuit Testing Liaison-.

Estrioscopia Mtodo ptico que pone de manifiesto las variaciones del ndice de refraccin de un fluido (gas).Permite observar las variaciones de presin o de temperatura de un gas contenido en unvolumen, y conocer tambin sus movimientos.

SF6 Hexafluoruro de azufre.

Vaco Presin inferior a 10-1 Pascal.


5/17


ndice

La ruptura por auto-expansin

La palabra auto-expansin se aplica

a diversas tcnicas o modos deruptura, segn las documentacionestcnicas y los constructores deinterruptores automticos.

En este Cuaderno Tcnico, despusde haber expuesto las notablesdiferencias que pueden escondersedetrs de un mismo trmino, tantosobre los principios de la rupturacomo sobre sus particularidades, elautor presenta la ruptura por auto-expansin en SF6. Hoy por hoy,solamente Merlin Gerin lo usa en losinterruptores automticos. Para

acabar se presentan los modelos deinterruptores automticos cuyasprestaciones muestran todo elinters de este sistema de ruptura.

1 Resea histrica sobre las Las tcnicas de ruptura en AT-A p. 6tcnicas de ruptura y AT-B

Las tcnicas particulares de p. 7ruptura en SF6

2 La ruptura por autoexpansin La autoexpansin: un nuevo p. 9nivel tcnico

La realizacin p. 9

3 Interruptores automticos por El interruptor automtico p. 14autoexpansin en el SF6 de la RM6 200 A 24 kV / 16 kA

El interruptor automtico SB6 p. 142 000 A - 72 kV/31,5 kA

4 Conclusin p. 16

5 Bibliografa p. 17


6/17


1 Resea histrica sobre las tcnicas de ruptura

En el nmero de diciembre de 1 992de la Revue Gnrale del'Electricit, J. CLADE, controlergeneral de EDF, escriba:

Los materiales electrotcnicos,desde hace ya un centenar de aos,estn en la base del desarrollo delas redes elctricas.

En concreto, los centros detransformacin se habran hechomonstruosos si unos progresos,

poco espectaculares en cadamomento, pero numerosos yconstantes, no hubieran permitidoaumentar constantemente elrendimiento de las prestacionesespecficas de los materiales.

La aparamenta de mando y deproteccin, tanto en Baja Tensin-BT- como en Alta Tensin -AT-, noescapa de esta regla.

Si en BT, la ruptura magntica en elaire que se usa desde el principiotiene todava futuro, la evolucin de laruptura en Media Tensin -MT- o en

alta tensin -AT- se apoya en loscambios del medio dielctrico. Enefecto, cada cambio de fluido,motivado por la mejora de estos trescriterios

n rendimiento,

n seguridad,

n fiabilidad,

y por una disminucin de los costes,ha implicado una modificacin radicalde la tcnica de ruptura.

La tcnica de ruptura, en s misma,presenta poco inters para elusuario, pero interviene en varios delos criterios que se citan acontinuacin:

n el coste global (aparato -instalacin - explotacin),

n el dimensionado,

n los esfuerzos elctricos generadospor la ruptura.

En realidad, para un interruptorautomtico, la tcnica de ruptura esdeterminante en el plano tcnico-econmico.

La historia de la aparamenta est,por este hecho, ntimamenterelacionada con la de la tcnica deruptura y de los medios dielctricosutilizados. Para aclarar mejor lasituacin actual, se impone hacer unrepaso sobre las tcnicas de rupturaque se han ido utilizando a lo largodel tiempo.

Las tcnicas de ruptura en

AT-A y AT-BSe utilizan diversas tcnicas: en aire,en aceite, en SF6 y en vaco.

La ruptura en el aire

Con el aumento en tensin y enpotencia de las redes, este sistemade ruptura ha recurridosucesivamente a las tcnicas:

n de contactos auxiliares del arco,

n de soplado del arco,

n de alargamiento del arco porefecto magntico (principio delSOLENARC). Esta solucin, utilizada

hasta los 20 kV, ya casi no se usahoy en da, debido a las importantesdimensiones de los mecanismosque la componen.

Fig. 1: Evolucin de la rigidez dielctrica del aire y del SF6 en funcin de la presin, en el

interior de un campo dbilmente no homogneo para una distancia de 12 mm entre

electrodos.

10-8 10-6 10-4 10-2 10-1 1 10

0,1

0,2

0,3

0,6

1

23

6

10

20

30

60

100

200

300

600

1 000

P en bares

tensin en kV

SF6

aire

vaco


7/17


n de aire comprimido: la utilizacinde las propiedades fsicas de estedielctrico (figura 1) ha permitidoprogresos determinantes en la

fabricacin de interruptoresautomticos para muy altastensiones. Pero los aparatos queutilizan esta tcnica son bastantecomplejos y caros, por tanto ya no seutilizan ms que en alta y muy altatensin en pases fros, porque elaire presenta la ventaja de conservarsus propiedades a muy bajastemperaturas.

La ruptura en aceite

Este sistema de ruptura apareci aprincipios de siglo. Ha permitido las

primeras construcciones deinterruptores automticos en AT y,adems, una disminucin en lasdimensiones, gracias a la tcnicaRVA (Reducido Volumen de Aceite).Estos interruptores automticos seencuentran todava en los centros detransformacin de MT y AT, en ciertospases como el Brasil y en algunosde la CEl (antigua URSS). Se vansustituyendo, en Europa y en USA,por interruptores automticos en SF6o en vaco.

Su desaparicin progresiva se debeespecialmente a los peligrosinherentes al aceite (es inflamable yexplosivo), a los trabajos deingeniera civil necesarios para suinstalacin (cubetas de retencin) y almantenimiento preventivo.

La ruptura en SF6y en vaco

Las tcnicas que utilizan estesistema de ruptura, cuya aparicinindustrial data del principio de losaos 60, se caracterizan por lautilizacin de medios extintores delarco (SF6 y vaco) con propiedades

excepcionales, dentro de recintos depolos de corte sellados, cerradoshermticamente, de pequeasdimensiones, formando unas piezasde contacto simples.

En efecto, el SF6 y el vaco presentandos ventajas:

n en rgimen transitorio, tienen unaconstante de tiempo de desionizacinque puede ser cien veces menor que

la del aire comprimido. Esto eliminael riesgo de recebados sin que seanecesario el uso de artificios talescomo resistencias o condensadores

de amortiguacin;n en rgimen permanente, tienenpropiedades dielctricasdestacables, como indica la grficade Paschen, representada en lafigura 1.

Evolucin y margen de empleo

A medio plazo, slo quedarn laruptura en SF6 y en vaco. Por lo quese refiere a los mrgenes deutilizacin, el SF6 y el vaco debernreservarse el mercado de la AT-A,quedando solamente el SF

6en AT

(> 50 kV).

La variacin de la rigidez dielctricaentre electrodos (figura 2) muestraen efecto que, aunque el vaco esmuy eficiente en AT-A, llega a sulmite a 200 kV independientementede la distancia entre electrodos.

Las tcnicas particularesde ruptura en SF

6

Siendo el objeto de este CuadernoTcnico presentar el principio delcorte por auto-expansin, esnecesario situar este principio entrelas otras tcnicas que utilizan el SF6como fluido de corte.

En 30 aos, se ha evolucionado,pasando, poco a poco, de un sopladodel arco provocado mecnicamente(doble presin, golpe de pistn) a unsoplado provocado por la propiacorriente a cortar (arco giratorio,expansin).

Estos trminos corresponden a las

acciones sobre el arco, diferenciadaso combinadas, cuyo objeto es enfriarel arco. De hecho, no tienen siempreel mismo significado, segn losconstructores que las utilizan. Latabla de la figura 3, en la pgina 6,muestra cmo se sopla y/o enfra elarco para cada tcnica.

Fig. 2: Influencia de la distancia entre los electrodos sobre la rigidez dielctrica.

0 10 20 30

distancia entre electrodos en mm

0

50

100

150

200

250

300

aceitevaco

aire a 1 bar

SF6 a 5 bares

SF6 a 1 bar

tensin en kV


8/17


esquema aplicaciones: en este Cuaderno otras descripcin

doble presin neumtico un gas, previamente comprimido en un

recipiente de alta presin, se liberadespus del corte al abrirse una vlvula:el gas sopla el arco al circular a travsde los contactos tubulares (toberas)hacia un recipiente a baja presin.

golpe de pistn autocompresin un gas, comprimido por el movimiento(puffer) autoneumtico de un pistn solidario con el movimiento

autosoplado de abertura de los contactos, sopla elarco dndole salida a travs de un tubode ventilacin.

golpe de pistn y autoneumtico el mismo principio que en el casoexpansin trmica expansin trmica anterior pero con dos volmenes de(puffer and (autopuffer- compresin:self pressurise) thermal blast) n un volumen que proporciona una baja

auto-expansin presin para el corte de pequeascorrientes, por lo que se requiere unadbil energa de mando,

n un volumen reducido para el cierreautomtico de vlvulas provocado por laalta presin desarrollada por una energade arco importante (expansin trmica),por tanto, un refuerzo del soplado.

expansin trmica autosoplado el arco se refrigera con un soplidoobtenido por la circulacin de gas atravs del tubo, circulacin debida alaumento de presin de origen trmico,producida por el arco alrededor de loscontactos.

arco giratorio el arco se enfra al girar por la accin de(rotating arc) un campo magntico radial producido

por la corriente a cortar (fuerzas deLaplace).

auto-expansin autosoplado el mismo principio que en el caso(autopuffer anterior, y, adems, con un soplado desel f-blast) arco obtenido por la circulacin de gas

a travs de los contactos; circulacindebida a la subida de presin de origentrmico producida por el arco alrededorde los contactos.

Fig. 3: Las tcnicas de corte en SF6.

volumen total de compresin (para elcorte de un arco con poca energa)

volumen de compresin reducido (parael corte de un arco de gran corriente)

movimiento de los contactos mviles

movimiento de los gases

movimiento del arco

contacto mvil

contacto fijo

zonas de alta presincompresin mecnica y trmica

zona de baja presin


9/17


2 La ruptura por autoexpansin

La autoexpansin: unnuevo nivel tcnico

Al inicio de la dcada de los ochenta,para mejorar las gamas existentesde interruptores automticos yanticiparse a la evolucin de losmateriales concurrentes, losservicios de marketing de laSociedad Merlin Gerin, definieron uncuaderno de cargas mucho msexigente que para una simpleremodelacin de la gama.

Los investigadores y diseadores dela sociedad fueron invitados aestudiar un cambio importante en lastcnicas de ruptura a emplear. Eneste sentido, se fijaron, adems deuna reduccin significativa de loscostes, unos objetivos precisos:

n aumentar la seguridad (fiabilidad,mantenimiento, disponibilidad yseguridad) por reduccin del nmerode piezas en movimiento ydisminucin de la energa necesaria

a la maniobra. Con ello se consigui:

o un aligeramiento global de lasestructuras electromecnicas,

o una disminucin de tamao.

n minimizar las perturbacionesinducidas en las maniobrasnormales y en la ruptura de lascorrientes de defecto para lasdiversas cargas:

o motores,

o transformadores,

o

condensadores y lneas en vaco.n emplear una nueva tcnica deruptura, si es posible la misma enAT-A y en AT-B, para mejorar laacumulacin de la experiencia.

Para conseguir estos ambiciososobjetivos, los diseadores dieronpreferencia entonces a una tcnicadependiente de la corriente en smisma, siendo:

n la energa de interrupcin (desoplado) obtenida de la mismacorriente a interrumpir,

n el poder de ruptura se adapta a lacorriente a interrumpir,

n se explotan al mximo lasexcepcionales propiedades del SF6.

La tcnica de la autoexpansinresponde a los objetivos delmencionado cuaderno de cargas. Esla que se est empleando en lamayora de interruptores automticosy corresponde, segn los hechos, aun nuevo nivel en el dominio de los

aparatos de corte.

La realizacin

La autoexpansin asocia:

n el soplado por expansin trmicadel SF6,

n la conduccin del arco y susoplado por efecto electromagntico.

El soplado por expansin

El arco, que nace espontneamenteentre los contactos al producirse suseparacin, disipa una energa:

Fig. 4: Flujo de energa durante el corte de la corriente, obtenido con un modelo.

Fig. 5: Principio de corte por expansin

en SF6.

energa

disipada =

= 75 a 80%

paredes

y

electrodosconduccin

= 5 a 10%

conduccin

= 5 a 10%

conveccin + conduccin

= 15 a 20%

radiacin = 70 a 80%

arco

durante el perodo del arco:

al aumentar la temperatura, aumenta su presin

=> la energa interna aumenta

su velocidad aumenta

=> la energa cintica aumenta

energa almacenada = 20 a 25% de la que 1/3 se emplea

en el aumento de presin en el volumen de expansin.

gas

energa absorbida por

el gas fro = 10 a 15%

energa absorbida por los

materiales = 60 a 65%

energa adquirida por

efecto Joule100%

contacto fijo

contacto mvil

movimiento del contacto mvil

movimiento del gas en expancin


10/17


=t

0dt)i.Ua(W

siendo: Ua = cada de tensin de arcoEsta energa se evaca, directa oindirectamente, por:

n conduccin,

n radiacin,

n conveccin.

La figura 4 ilustra esta disipacin.

En los aparatos con tcnica deautoexpansin es alrededor de 1/4 dela energa de arco la que setransmite al SF6, que se calienta.

Si los contactos estn encerrados enun volumen estanco (volumen aguas

arriba, figura 5) el aumento de latemperatura provoca el aumento de lapresin del gas:

TV

RP D=D

siendo R la constante termodinmicade los gases perfectos.

Si al menos uno de los contactosest vaco o es tubular, lasobrepresin provoca el escape delgas hacia las zonas fras en elconjunto del aparato (volumen abajo).

Al escapar, el gas enfra el arco quese ha establecido entre los contactoshuecos, utilizando las toberas deescape.

La conduccin del arco

La descripcin precedente muestrauna situacin un poco idealizada. Sino se toman precauciones, el arcopuede escaparse de la posicin axial,por ejemplo bajo la accin de lasfuerzas electrodinmicas (figura 6).

Se encuentra, entonces, fuera deltrayecto de los gases de escape o al

menos en una zona en la que lavelocidad es mucho menor, con loque la influencia es tambin menor.

Para evitar este defecto, convieneguiar o conducir el arco.

Se pueden usar dos formas deconduccin: mecnica y magntica.

n la conduccin mecnica

Es la ms eficaz, la ms segura y lamenos delicada de poner en prctica.Deriva directamente (figura 7) de ladisposicin adoptada en los

interruptores automticos a pistn.Pero presenta, al menos, un ciertonmero de inconvenientes en elterreno de la ruptura:

o la presencia de la pieza aislantede guiado (tobera) deforma el campoelctrico y lleva a unas distancias deapertura y a unas velocidades de loscontactos importantes, aumentandola energa necesaria para el mandomecnico.

o slo una pequea parte del arcose sita en el volumen de arriba, enuna zona muy descentrada,quedando el resto del arco situado enla tobera.

Por ello, el rendimiento energtico se

reduce, al igual que la sobrepresin yel soplado, sobre todo paracorrientes de pequea intensidad.

n la conduccin magntica

El arco, situado en el campomagntico de un imn permanente ode una bobina, se centra con lacomponente axial y gira bajo laaccin de la componente radial(figura 8).

Comparada con la conduccinmecnica, presenta ciertasdificultades de estudio y de puesta a

punto:o la barrera magntica es inmaterial,difcil de delimitar y, sobre todo,comporta unas zonas deinestabilidad delicadas que deben

aclararse. Slo se consiguecomprenderlas con clculos,medidas y simulaciones.

o las distancias entre contactosestn limitadas (el campo magnticodisminuye fuertemente con elalejamiento de la bobina).

Pero, por el contrario, ofrece unasventajas determinantes:

Fig. 6: Ejemplo de un arco no guiado.

Fig. 8: Guiado del arco mediante el

campo magntico de una bobina (medio

corte).

Fig. 7: Guiado mecnico mediante un

aislante.

bobina

contacto fijo

contacto mvil



zona de

guiado

paredes

aislantes

contacto fijo

contacto mvil




11/17


o el campo elctrico no quedaperturbado por la presencia de unapieza aislante y los valores de rigidezdielctrica son importantes para

distancias cortas debido a:- la posibilidad de utilizar el SF6 abaja presin,

- una ruptura facilitada de corrientescapacitativas,

- una posibilidad de minimizacinde las carreras de los contactos y conello una necesidad de menosenerga de mando,

o el cambio de energa arco-gasqueda facilitada.

n la rotacin del arco

Disminuye considerablemente laerosin de los contactos lo queaumenta el nmero de maniobras(endurancia elctrica); esta tcnica,muy interesante, se utiliza en losinterruptores automticos ycontactores modelos Fluarc y Rollarc(Cuaderno Tcnico n 123). Es unade las consecuencias importantes dela conduccin magntica del arco.

La asociacin de esta conduccin alsoplado por expansin permitemejorar notablemente lascaractersticas de los aparatos: los

interruptores automticos porautoexpansin pueden as trabajar enAT contrariamente a los que noutilizan el arco giratorio.

En efecto, la expansin realiza unbarrido eficaz de la zona entre loscontactos y bajo la accin del chorrode gas:

o las partculas metlicasprovinentes de los electrodos sonevacuadas fuera de las toberas,

o al acercarse al cero de corriente,las races del arco son repelidashacia el interior de los electrodostubulares (toberas) y se enfranrpidamente (figura 9).

Los medios de puesta a punto

La voluntad de no utilizar msenerga que la desarrollada por elpropio arco y las fuerzas magnticasinducidas por la corriente a cortar hanecesitado, en la puesta a punto, elempleo de tiles sofisticados.

Fig. 9: Centrado del arco en los intantes prximos al cero de la intensidad.

Fig. 10: Dispositivo ptico de estrioscopia.

Fig. 11: Visualizacin de la circulacin de gas cuando se abren los contactos (a la

derecha de la fotografa estn los filamentos resistivos destinados a calentar el gas

ambiente).

1: laser2: espejo esfrico

200 mm3: filtro espacial

4: interruptorautomtico

5: filtros6: diafragma

7: cmara ultra-rpida8: modulador

acstico-ptico765

1 8 2

3

3

4


12/17


A ttulo de ejemplo:

n para el estudio de losdesplazamientos gaseosos y lavisualizacin del arco, ha sidonecesario apoyarnos en la ptica.Los desplazamientos de gas, enpresencia o no del arco elctrico sehan visualizado por estrioscopia.Esta tcnica utiliza la desviacinaportada por un medio de ndice derefraccin variable al trayecto de unhaz luminoso que lo atraviesa.

De los mltiples montajes posibles,los diseadores han utilizado el de lafigura 10.

El modulador acstico-ptico situadoa la salida del lser de argn permite

aumentar artificialmente lasprestaciones de una cmaramecnica de prisma giratorio. Si seutiliza sin el prisma, el moduladortiene el mando directamente deltiempo de exposicin y de la cadenciade las exposiciones (tpicamente 0,5y 20 s respectivamente). De estamanera es posible observar elcentrado del arco y su alargamientohacia las toberas al aproximarse alcero de corriente (figura 9).

El estudio estrioscpico en gasesfros (sin arco elctrico) ha permitido

ver con claridad las zonas deturbulencia, de desprendimiento delas ondas de choque y, comomuestra la figura 11, las lneas dedesplazamientos gaseosos.

El mtodo de interferometradiferencial, mucho ms sencillo deemplear que los montajes clsicos(Michelson, Mach-Zender ...) y menossensible a los defectos de alineaciny a las vibraciones, permite compararlas velocidades de escape de losgases en diversas geometras,simtricas y asimtricas (figura 12).

La presencia de un arco disminuyebastante el inters de ciertosmtodos precedentes, en particular lainterferometra, debido a la aparicinde regiones fuertemente turbulentas.Las bandas de interferencias sedeforman, se interrumpen, y hastadesaparecen completamente.

En cambio, se pueden realizar otrasobservaciones directas sobre el arco:la medida de su radiacin o de sutemperatura por espectrografa. Lanotable reproductibilidad obtenida

Fig. 14: Densidad electrnica n del arco cerca del cero de intensidad.

Fig. 13: Temperatura del arco.

Fig. 12: Velocidad radial de desplazamiento del SF6, medida con el interfermetro

diferencial.

0 2 4 6,5 8 10

16

32

48

64

r (mm)

v (m.s-1) geometra

simtrica

geometra

asimtrica

r

Z0

rint

rint

R y Z0 posicin del punto de medida

0 1 2 3 4 5 6 7

12

14

16

18

8 9 10 11 12

20

t (ms)

T (x 103 K) temp rature de l'arc

courant

( max. = 6,4 kA)

800 600 400 200 0 (mA)

n.e (x 1017 cm-3)

0,5

1

2

1,5 17 000 K

15 000 K

11 000 K

lmite de resolucin


13/17


sobre la maqueta de estudio hapermitido la obtencin de las figuras13 y 14. Estas experiencias hanpermitido observar la temperatura y la

densidad electrnica justo en losinstantes cerca del paso por cero dela corriente.

n para optimizar ciertos parmetrostermodinmicos que influyen sobre laruptura se ha utilizado la informticacientfica.

En efecto, las diferentes medicionesu observaciones realizables nopueden tener en cuenta el conjuntode fenmenos por su propiacomplejidad. Adems, la mayora deestas medidas no son precisas y no

pueden efectuarse sobre lasmaquetas concebidas para elensayo. No se prestan a un estudiocon variacin de parmetros.

Para experimentar las principalesmagnitudes: velocidad, presin delos gases, temperatura,... en funcinde la geometra del aparato y de lacorriente que lo recorre, se hadiseado un modelo termodinmico.

Las mediciones, tanto con el gas frocomo en presencia de arco, sirvenpara catar el modelo (y con ellomejorar el conocimiento de los

fenmenos fsicos en juego!).Los resultados de clculo puedenverificarse indirectamente yrecuperarlo eventualmente para sucomparacin con la experiencia,cuando ello es posible. Es el casopara la tensin de arco y la presin,magnitudes ambas calculables ymedibles (figuras 15 y 16).

La concordancia entre mediciones yclculos permite alcanzar un gradode confianza suficiente cuando losresultados se obtienen, por ejemplo,en los campos de la velocidad o elescape, prcticamente inaccesibles ala experimentacin.

Esta modelizacin conduce, adems,a una reduccin sensible de lostiempos y costes de desarrollo.

Fig. 15: Comparacin entre los resultados de las experiencias y de los clculos

cientficos (programa NS2) con tensin de arco.

Fig. 16: Comparacin entre los resultados de las experiencias y los clculos cientticos

(programa NS2) sobre el aumento de la presin en el volumen aguas arriba.

0 2

100

150

200

t (ms)

tensin de arco (V)

4 6 8 10

solucin calculada resultados experimentales

50

0

0 2

19

22

25

t (ms)

presin (104.Pa)

4 6 8 10

solucin calculada resultados experimentales

16

13


14/17


3 Interruptores automticos por autoexpansin en el SF6

El dominio de la tcnica de laautoexpansin ha permitido lacomercializacin, tanto en AT-A comoen AT-B, de productos adaptados alas necesidades. El interruptorautomtico de la RM6 y el interruptorSB6 son una demostracin de ello.

El interruptor automticode la RM6 200 A24 kV / 16 kA

El bloque RM6 es un equipo todoSF6 (aparamenta GIS dentro de lanorma CEl 298), con funcionesintegradas, de reducidasdimensiones. Est diseado parapermitir una continuidad de serviciomxima de las redes de distribucinen anillo.

Consta de dos interruptores de anillo yun interruptor automtico (o uninterruptor-fusible) cuya funcin esrealizar una derivacin sobre el anillo yasegurar la conexin y la proteccin de

un transformador MT/BT (figura 17).

El interruptor automtico integrado enla RM6 tiene como caractersticasasignadas 200 A, 24 kV. La aplicacinde la tcnica de la autoexpansin leaporta una serie de ventajas tcnicasdeterminantes:

n est ubicado, al igual que losinterruptores de anillo, en un recintolleno de SF6 a presin atmosfrica(figura 17),

n el nmero de piezas es muy

reducido, por ejemplo una piezanica garantiza las funciones:

o paso de corriente,

o interrupcin (contacto mvil delinterruptor automtico),

o aislamiento y puesta a tierra(interruptor automtico abierto),

n la energa total de accionamiento(cerrado-abierto) no llega a los 100julios,

n el volumen es menor que el delconjunto interruptor+fusible. Seinstala en el sitio del interruptor de

salida.

Los objetivos propuestos, (captulo2), se han conseguido en el cuadrode esta aplicacin de AT-A con uninterruptor automtico simple,compacto, econmico y que tiene unpoder de corte de 16 kA a 24kV 20 kA a 17,5 kV.

En lo que se refiere al objetivo desobretensin mnima de maniobra,el rendimiento obtenido despus dela conexin a tensin de un trans-

formador poco cargado es muchomejor que lo que exige la norma CEl298 (figura 18) y sita al interruptorautomtico de la RM6 entre losmejores productos del mercado.

El interruptor automticoSB6 2 000 A - 72 kV/31,5 kAEste interruptor automtico, destinadoa equipos de centros detransformacin de AT-B, se puedeutilizar en los centros clsicos deintemperie (figura 19) o estarintegrado en un centro bajo envolvente

metlica (centro blindado).

Fig. 17: Equipo de proteccin con interuptor automtico, para distribucin AT-A y una

vista con la tapa quitada que muestra el interruptor automtico colocado en el centro

(RM6 - Merlin Gerin)

Fig. 18: Resultado de las pruebas

efectuadas segn la norma UTE C 64-115

con un interruptor automtico de

autoexpansin en SF6 (interruptor

automtico de un equipo RM6 - Merlin

Gerin).

30

40

50

60

70

74 sobretensin mxima admitida

segn la norma UTE C 64-115

sobretensin mxima registrada

(en 16 ensayos de ruptura trifsica)

valor medio de las 10sobretensiones mayores

(de 48 medidas efectuadas)

media de las 48 medidas

(kV)


15/17


An as, la simplicidad de esteinterruptor automtico se nota, a ttulode ejemplo:

n en el plano electromecnico, por

una energa de accionamiento(cerrado-abierto) de 520 J, (valortradicional en AT-A), resultando de uninters evidente por su fiabilidaddebido a lo corto de su carrera y a lolibiano de su parte mvil,

n en cuanto a la ruptura, por unaconexin muy suya de lneas envaco, como lo muestra la figura 20,en la que no se aprecia ningunasobretensin visible, a pesar de laeleccin de un instante de aberturamuy desfavorable (0,5 ms antes delcero de la alimentacin). Lo decisivo

es el crecimiento muy rpido de larigidez dielctrica entre contactosjunto con la distancia de abertura. Ladistribucin del campo elctrico ascomo la ausencia de piezas aislantes(sin el tubo de soplado) en el espacioentre contactos permite conseguireste resultado.

Este ensayo de ruptura de una lneaen vaco es parte de las pruebas decertificacin previstas por las normaspara un interruptor automtico.

Ensayos de desarrollo ycertificacin

Antes de comercializar un interruptor

automtico, su constructor debe:n realizar numerosos ensayosdurante su desarrollo. Y esto a pesarde haber hecho prototipos y habersimulado en ellos los fenmenosfsicos que contribuyen eficazmente ala puesta a punto y as a la reduccindel nmero de ensayos,

n verificar que, durante los ensayos,se han respetado las normas,mediante el empleo de un banco depruebas acreditado por uno o variosorganismos nacionales (lxico).

Estos ensayos permiten obtener uncertificado de conformidad condiversas normas.

En AT-A y en AT-B las normas dereferencia son las CEl 56, 694 y

Fig. 20: Prueba de corte de una lnea no cargada hrcha con un interruptor automtico de

autoexpansin en SF6; el sistema de medida tiene una banda pasante de 10 Mhz

(interruptor automtico SB6 - Merlin Gerin).

Fig. 19: Interruptor automtico para un

centro de transformacin de AT-B

(interruptor automtico SB6 - Merlin

Gerin).

ANSI C37-04 y siguientes. EDF exigeen otros casos ensayossuplementarios segn sus propiasespecificaciones.

A ttulo de ejemplo, para poder ponera la venta el interruptor automticoSB6, se han necesitado un centenarde ensayos de corte para conseguirla relacin completa de permisos.

n ms all de los certificadosoficiales, la experiencia lleva a losconstructores serios a efectuarnumerosos ensayoscomplementarios. stos deben decomprobar que, para configuracionesparticulares de la red o para ciertascargas, el interruptor automtico nofalle.

Cuando se trata de una nueva tcnicade ruptura, estos ensayos sontodava mucho ms numerosos.

(kV)300

- 200

Ut

5 ms/div.

(kV)300

- 300

Ut 5 ms/div.

(kV)300

- 200

Ut

5 ms/div.

U red

U salidas

U interruptor

automtico


16/17


4 Conclusin

La tcnica de ruptura porautoexpansin de SF6 permite lafabricacin de interruptoresautomticos de corte suave y auto-adaptables, simples y fiables. Elprincipio de con la propia corrientey la no utilizacin de artificiossustitutivos, tales como: autovlvulaso protectores de sobretensiones,resistencia, condensador, hacen dela autoexpansin la tcnica deruptura que consigue que uno seolvide del interruptor automtico.Recordemos sus cualidades:

n ruptura limpia (con cualquiercarga),

n buena fiabilidad (pocas piezas enmovimiento y poca energa deaccionamiento),

n bajo mantenimiento y poca presinde SF6,

n endurancia elctrica elevada,

n pequeas dimensiones.

No hay ninguna limitacin terica o

tecnolgica que se oponga hoy a lautilizacin de esta tcnica en AT-A o

en AT-B. El principal freno a sugeneralizacin es su duracin y elcoste de su desarrollo y de suspruebas.

Los interruptores automticos deSF6, que utilizan el principio de laauto-expansin asociada a lossistemas digitales de proteccin,mando y control de redes son, ysern ms todava en el futuro, losgarantes de una disponibilidad mejor

de la energa elctrica.


17/17


5 Bibliografa

Normas

n ANSI 037: Circuits-breakersswitchgear substations and fusesstandards.

n CEl 56: Interruptores automticosde corriente alterna de alta tensin.

n CEl 298: Aparellaje bajo envolventemetlica para corriente alterna detensiones asignadas superiores a 1kV e inferiores o iguales a 52 kV( NF C 20-312).

n CEl 694: Clusulas comunes a lasnormas de aparellaje de alta tensin(NF C64-010).

n UTE C 64-115: Interruptoresautomticos tripolares: reglascomplementarias especiales para elcorte de corrientes detransformadores en vaco.

Cuadernos Tcnicos Merlin Gerin

n El proceso de corte con uninterruptor automtico Fluarc o uncontactor Rollarc por medio de arco

giratorio en SF6.Cuaderno Tcnico n 123 - C.DUPLAY

Publicaciones diversas

n Pressure transients in a self-blowncircuit-breaker. Eight InternationalConference on gas discharges.Oxford, september 1 985.

H. DELECROIX et A. GLEIZES.

n La expansin: una tcnica confuturo para los interruptoresautomticos con SF6.

Jornadas de estudio SEE sobreaparellaje de corte en AT y MT. Marzo1 987.

G. BERNARD et P. MALKIN.

n Un interruptor con SF6 que utiliza elprincipio de auto-expansin. IEEEtrad. PWRD, Vol. 3, n 4, octubre1 988.

G. BERNARD, P. MALKIN et W.LEGROS.

n Use of an auto-expansion circuit-breaker in a Ring Main Unit. lEE Proc.Vol. 135, Part. C, n 3,1 988. G.

BERNARD, G. PERISSIN et J.MARZOCCA.

n An SF6 auto-expansion breaker :the correlation between magnetic arccontrol and critical current. IEEESummer meeting, july 1 989.

G. BERNARD, A. GIRARD, P. MALKINet P. SCARPA.

n La ruptura por autoexpansin enalta tensin. Una nueva aproximacina la reduccin de peso y a la

fiabilidad.GIGRE, 1 990.

M. BARRAULT, G. BERNARD, A.GIRARD, A. DELAHOUSSE, O.FILLEAU et J.C. HENRY.

n Simulacin digital de la interaccinarco elctrico-desprendimiento degases en los interruptoresautomticos de AT-A y AT-B.

Tesis doctoral.

INPG, Grenoble, 1 990.

P. CHEVRIER.

n Los interruptores automticos deautoexpansin son el fruto deestudios profundos.

RGE, n 11, diciembre 1 992.

M. BARRAULT, G. BERNARD, P.CHEVRIER, O. FILLEAU, J.P.KERSUSAN, J. MAFTOUL, S. ROWE,et P. SCARPA.

n Post-arc current measurementsdown to the ten milliamperes range.IEEE Winter meeting, Colombus,january and february 1 993.

M. BARRAULT, G. BERNARD, J.

MAFTOUL et S. ROWE.

(CT 171) La ruptura por auto-expansión

Documents

Transcript of (CT 171) La ruptura por auto-expansión