ESCUELA POLITECNICA NACIONAL

INGENIERÍA ELÉCTRICA

CONFERENCIA

EQUIPO DE CORTE INTERRUPTORES DISYUNORES TIPOS CARACTERISTICAS USOS

LUIS ROMERO.SANTIAGO CALLE

12-11-2012

INTRODUCCIONEQUIPO DE CORTE: INTERRUPTORES Y DISYUNTORES

INTRODUCCIÓN.

Las subestaciones eléctricas representan uno de los componentes más importantes en un sistema de transmisión eléctrica. Su correcta operación determina el éxito en el funcionamiento del sistema, y salvaguarda la integridad física de los operadores que se desempeñan en sus emplazamientos.Las subestaciones suelen clasificarse de acuerdo a su nivel de voltaje en subestaciones de bajo voltaje, alto voltaje y distribución; de acuerdo a su función, en subestaciones de corte y seccionamiento, generación, transmisión, transformación, compensación y rectificadoras; de acuerdo a su exposición física, en subestaciones blindadas, exteriores, interiores y mixtas.En cada nivel de tensión, el equipo eléctrico de la subestación está constituido por:- Juego de barras.- CamposCada campo constituye un módulo de corte y contiene en general seccionador, disyuntor, y/o interruptores; para comprender estas denominaciones, es importante destacar sus significados:- Seccionador: Símbolo A B

Este equipo no puede abrir en carga, o sea que no puede interrumpir una corriente, debido a que no está previsto para extinguir el arco que se formaría al separar los contactos.Tampoco puede cerrarse si los puntos A y B se encuentran a distinto potencial.Por razones de seguridad de la instalación y del personal, las instrucciones que se imparten a los operadores es que en ningún caso el seccionador puede abrirse o cerrarse en carga.- Interruptor: Símbolo A B

Este equipo puede maniobrarse en carga en condiciones nominales, o sea circulando la corriente nominal.Se dice que su “poder de corte” coincide con su corriente nominal.- Disyuntor: Símbolo A B (el mismo que el interruptor)

DESARROLLO.

Cuando se abre un circuito eléctrico, entre los dos electrodos que se separan aparece un arco eléctrico que mantiene la continuidad del circuito y permite que siga circulando una corriente.

Este arco está constituido por electrones y gas ionizado a temperaturas muy altas entre 2500 ºC a 10000 ºC); el arco es un conductor gaseoso. Al contrario de lo que sucede en los conductores metálicos ordinarios, la caída de tensión Dv a través del arco disminuye cuando aumenta la corriente i , porque el arco, más caliente y más ionizado, ofrece una resistencia R menor al paso de la corriente: Dv = Ri disminuye con i porque la influencia de R(i) decreciente es más importante que el crecimiento con i .Los interruptores son aparatos de corte que permiten efectuar maniobras voluntarias de apertura y cierre de circuitos en condiciones de carga. Los interruptores se diferencian de los disyuntores, o interruptores de potencia, en que sus contactos están previstos para abrir y cerrar circuitos eléctricos con intensidades nominales y con sobrecargas pero no están preparados para abrir y cerrar sus contactos sobre cortocircuitos, ya que su capacidad de ruptura es menor que la de los disyuntores; por lo general esta capacidad de ruptura es de dos a tres veces mayor que la correspondiente a la intensidad nominal del interruptor. Se distinguen entre otros los siguientes tipos de interruptores:

1. Interruptores generales: destinados al corte en carga y sobrecarga de las redes y transformadores, así como el corte en vacío de transformadores.

2. Interruptores de corte en vacío de transformadores, que no pueden cortar corrientes de carga como los anteriores.

3. Interruptores de corte de baterías de condensadores, que tienen características especiales.

4. Interruptores de motores, destinados a abrir y cerrar los circuitos de alimentación de motores de alta tensión.

5. Interruptores Seccionadores, para uso general y cuya principal característica es que tienen el mismo poder de corte de los interruptores, pero las posiciones de abierto y cerrado de los contactos son visibles a simple vista, como sucede con los seccionadores, por lo que es posible ver si una línea esta abierta a simple vista.

6. Interruptores con fusibles, es decir aparatos de corte combinados en los que el interruptor esta encargado de la apertura y cierre del circuito en condiciones normales de carga y en condiciones de sobrecarga, mientras los fusibles protegen a la instalación contra cortocircuitos.

Un interruptor es un switch eléctrico operado automática-mente diseñado para proteger un circuito eléctrico del daño ocasionado por una sobrecarga o un cortocircuito. A diferencia del fusible, el cual opera una vez y luego debe ser reemplazado, un interruptor se puede resetear (ya sea manual o automáticamente) para reanudar la operación normal.

Los interruptores se fabrican de diferentes tamaños, desde los pequeños dispositivos que protegen los artefactos eléctricos en un hogar, hasta los tableros de interruptores que están diseñados para proteger los circuitos de alta tensión que alimentan a toda una ciudad.

El interruptor de alta tensión tiene tres componentes principales:

Cámara de interrupción: donde ocurre la conducción y la interrupción de la corriente en el circuito de potencia. Generalmente es un volumen cerrado que contiene los contactos de apertura y cierre (make-break) y un medio de interrupción (aire comprimido, aceite, SF6, vacío, etc.) usado para el aislamiento y para apagar el arco.

Mecanismo de Operación: donde se inicia la energía requerida para cerrar o abrir los contactos y para apagar el arco.

Control: donde se monitorea el estado y las órdenes que se generan para operar al interruptor.

CONTACTOS ELÉCTRICOS EN INTERRUPTORES

Como ya se mencionó antes, la corriente pasa a través del material conductor en la cámara de interrupción (Fig. 2). Se unen varias partes para formar el material conductor. Las diferentes uniones forman los contactos eléctricos.

El contacto eléctrico se obtiene colocando dos objetos conductores en contacto físico. Esto se puede llevar a cabo de varias formas. Aunque hay una gran variedad de diseños de contactos en las cámaras de interrupción, éstos se pueden agrupan en cuatro categorías principales:

1. Contactos de abrir y cerrar (Make-break) - los que pueden abrir o cerrar bajo carga; 2. Contactos deslizantes (sliding) - los que mantienen el contacto durante el movimiento relativo3. Contactos fijos - los que se pueden enganchar permanentemente por años y nunca ser abiertos 4. Contactos desmontables - los que pueden abrir o cerrar sin carga. Usados generalmente en tableros de interruptores blindados de media tensión

La Figura 3 es un esquema simbólico de una arquitectura típica de contacto y claramente muestra el flujo de corriente a través de tres de los tipos principales de contactos durante la secuencia de eventos de una operación de apertura. En los tres tipos, se realiza el contacto tocando las superficies de contacto de cada componente.

CONTACTOS DE APERTURA Y CIERRE

El tipo de contacto de apertura y cierre (make-break) se puede subdividir de acuerdo a su nivel de potencia, empezando de mayor a menor:

Los contactos de interruptores de alta tensión con elevada corriente que desconectan las grandes cargas eléctricas y producen arcos, están contenidos en cámaras de arco especiales. Pueden estar a la presión normal o en un soplado de aire, en Sulfuro Hexafluoro (SF6), en aceite o en otro medio de extinción del arco, incluyendo el vacío.

Incluye un contacto móvil y uno estacionario. Generalmente uno de ellos es un anillo de dedos de contactos de cobre armado con resortes (del tipo de inserción como en la Figura 4 o de tipo tope), o la otra es de una varilla sólida de cobre. Los contactos pueden ser revestidos con un material resistente al arco para resistir la erosión de un arco de elevada potencia, y las superficies enchapar (por ejemplo con plata) para mejorar la conductividad.

Las propiedades mecánicas del cobre combinado con su excelente conductividad eléctrica y su buena resistencia al arco en aceite lo vuelven el metal preferido en esta aplicación.

En los interruptores en vacío, los contactos también son usualmente de cobre, mezclado con tungsteno y modelado especialmente para asegurar una adecuada distribución del campo eléctrico y el movimiento del inicio del arco.

Los interruptores de aire más pequeños (media tensión), usan el cobre en todas las partes conductoras internas, pero se aplican a los contactos una aleación de plata para resistir la soldadura.

Siendo estos interruptores, dispositivos de protección, raramente abren o cierran.

CONTACTOS DESLIZANTES (figura 5)

Estos pueden ser de diferentes tipos.

Los contactos deslizantes de alta velocidad y elevada corriente, se encuentran generalmente en las cámaras de interrupción de potencia.

Estos contactos deben tener una alta resistencia al desgaste mecánico, dado que su velocidad puede alcanzar hasta 10 metros por segundos o más.

CONTACTOS FIJOS

Estos contactos incluyen un amplio rango de contactos empernados y engarzados.

Una unión empernada evita la reducción de la sección cruzadas ocasionadas por el taladrado para insertar los pernos y brinda una distribución más uniforme de la fuerza de contacto, haciendo al contacto más eficiente y por ello funciona a menor temperatura. Se usa el empernado porque es barato y es conveniente.

Las uniones engarzadas emplean la mayor fuerza para el cierre del contacto, lo que ocasiona que el metal fluya y que se realice una conexión permanente.

La naturaleza libre de problemas de estas uniones y la simplicidad y rapidez de la operación de engarzado lo convierte en un tipo de unión muy atractivo para las conexiones permanentes.

Los contactos empernados o los engarzados se usan en las cámaras de interrupción para asegurar y para mantener la integridad de los componentes eléctricos.

CONTACTOS DESMONTABLES

Se encuentran en los interruptores blindados de media tensión. Ayudan a tomar al interruptor fuera de la red deslizando fácilmente de las barras de distribución para el mantenimiento. Esto debe realizarse sin carga.

Estos contactos, como los contactos de apertura y de cierre, pueden transportar elevadas corrientes a elevados voltajes (por ejemplo, los aisladores de alta tensión o los contactos

fusibles de media o alta tensión). Deben transportar confiable-mente la corriente por períodos más largos, sin un sobrecalentamiento o una pérdida del contacto, pero no realizan el cierre o la apertura de la corriente. No se les somete al esfuerzo del arco; por lo tanto no logran la acción de limpieza inherente asociado con éste. Se diseñan frecuentemente para que tengan una acción de fricción en el cierre para retirar el óxido superficial o las películas de corrosión que pueden impedir el contacto, y el cobre y sus aleaciones son los materiales más frecuentemente usados para el grueso de los contactos desmontables.

La característica de estos contactos es que tienen una gran fuerza de contacto, mucho mayor que otros interruptores de similar capacidad de corriente, pero no tanto como la fuerza de contacto de un contacto empernado, dado que podría ocurrir un excesivo desgaste mecánico al separar los contactos.

RESISTENCIA DE CONTACTO

Como ya se dijo, el contacto ocurre cuando dos superficies se tocan. Para la corriente eléctrica, si es un material conductor, es un camino por el cual fluirá.

La observación a nivel microscópico muestra que la superficie de contacto es realmente áspera aunque parezca suave al ojo sin entrenamiento.

De hecho, como se muestra en el microscopio, el verdadero contacto entre dos superficie ocurre a través de una serie de pequeños dispositivos llamados micro contactos (Figura 7), distribuidos aleatoriamente dentro de los límites del área visible de contacto.

Es la suma de las áreas de todos los micro contactos que constituyen el área eficaz de contacto.

Dado que la resistencia del contacto eléctrico es inversamente proporcional al área de contacto, cuanto menor sea el área eficaz, mayor será la resistencia (Figura 8).

EFECTO DE LA RESISTENCIA DE CONTACTO

Cuando una corriente I pasa a través de un área A que tiene una resistencia R, la energía E absorbida por A es:

E = R I2 t

donde t es la duración del tiempo de I.

Sabemos que la temperatura T de A es directamente relacionada a E por la siguiente ecuación:

E = λ T

 λ es una función de la velocidad de disipación de calor

Para una corriente constante Io, si R aumenta, entonces E aumentará, lo que nos llevará a un incremento de la temperatura del contacto. Si T continúa en aumento, el material del contacto puede alcanzar su punto de fundición, llevando a su destrucción (Figura 9).

ELEMENTOS QUE AFECTAN LA RESISTENCIA DE CONTACTOS

OXIDACIÓN

Una delgada capa de óxido aislado que cubre el área de un sólo micro contacto podría tener poco efecto en la conductividad de los contactos en total. Pero apenas la capa de óxido se extiende hasta un número significativo de micro contactos, el área relacionada con la corriente se reducirá, incrementando de esta manera su resistencia. Un aumento en la resistencia aumentará la temperatura de contacto, llevando a su destrucción.

Todos los ambientes que contengan gases capaces de reaccionar con el material del contacto, tales como O2, SO2, H2O, H2S, etc., serán favorables para producir capas de óxido aunque se cierre el contacto. Con el tiempo, el gas logrará penetrar y reaccionar con la superficie de contacto para degradar sus características y incrementará su resistencia.

WILLIAMSON estudió este fenómeno. La Figura 10 muestra el aumento del valor de la resistencia con el tiempo. Como se puede ver, el cambio de la resistencia no es significativo hasta un cierto punto en el tiempo donde la degradación aumenta rápidamente. LEMELSON obtuvo resultados similares para los contactos de cobre en aceite.

Estos resultados muestran un comportamiento interesante e indican la urgencia de una intervención en el mantenimiento cuando la resistencia del contacto empieza a incrementarse.

DESGASTE DE CONTACTOS

Mecánicamente, puede deberse al movimiento y a la fricción de los contactos y eléctricamente debido al efecto de arco (principalmente el contacto de cierre y apertura). El desgaste del contacto afecta directamente la resistencia de contacto y hace que aumente dramáticamente si el desgaste está en un estado avanzado (Figura 11).

FROTAMIENTO

Una forma de oxidación acelerado es posible, si las superficies de contacto experimentan un movimiento cíclico entre ellos. Por ejemplo, si los contactos no se cierran cada vez en la misma área.

Este fenómeno fue observado hace tiempo pero su magnitud no fue reconocida hasta hace poco. Cuando se mueve un contacto de su posición anterior, una parte está expuesta al ambiente. Luego se forma una capa de oxidación. Cuando el contacto regresa a su posición, rompe la delgada capa y lo empuja a un lado. Este fenómeno se repite varias veces hasta que la capa de oxidación tiene un espesor lo suficientemente significativo para incrementar su resistencia.

BRAUNOVIC experimentó con el fenómeno del frotamiento (fretting) con bajas corrientes en el aluminio, y JOHNSON & MOBERLY lo estudiaron en altas corrientes y lograron resultados similares.

La resistencia se incrementa rápidamente luego de empezar a cambiar. La Figura 13 muestra un caso similar a la Figura 10, pero acelerado.

FUERZA DEL CONTACTO

Como es conocido, la resistencia R es una función de la resistividad ρ y del área S del material de contacto, (R = ρ / S).

S es la suma de todas las áreas de los puntos de contacto. Las áreas de los puntos de contacto son una función de la fuerza aplicada F y de la dureza del material H (k es una constante).

Si F disminuye, S también disminuye y entonces R aumentará.

F puede disminuir debido a los siguientes factores, por ejemplo:

1. Excesivo desgaste de la superficie de contacto; 2. Fatiga de los resortes de contactos con el tiempo; 3. Reacción química del material de resorte con el ambiente; 4. Contacto suelto o desalineado, etc.

Los materiales de resorte por lo tanto son elementos importantes a tomarse en cuenta. Usando la misma lógica, una precaución importante a tomar es evitar dejar que el resorte sea un camino de corriente, dado que el incremento de su temperatura ocasionará una debilidad de la fuerza F resultante.

TEMPERATURA

Para un aumento de la temperatura T de los contactos, el material de los contactos se puede suavizar hasta el punto en que se reducirá la fuerza del contacto, lo que lleva a un rápido incremento de la resistencia de contacto.

PRUEBAS

Hemos visto que la oxidación, el desgaste, el frotamiento, la fuerza y la temperatura afectan directamente al valor de la resistencia R (en micro ohmios) de los contactos.

De modo que para evaluar fácilmente las condiciones de los contactos del interruptor, se han establecido dos tipos de pruebas, ambos miden la resistencia R estática y dinámicamente y se usan ampliamente.

MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE CONTACTOS

La medición de la resistencia de contacto se realiza usualmente usando los principios de la ley de Ohm: V = R I;

V es el voltaje a través del contacto;

I es la corriente;

R es la resistencia.

Si aplicamos una corriente I y medimos el voltaje V, la resistencia R se puede obtener directamente dividiendo V por I.

R = V / I

Como se ve en la Figura 14.

Dado que la cámara de interrupción es un contenedor cerrado, sólo tenemos acceso a los conductores de entrada y de salida; la R medida entre estos dos puntos sería la suma de

todas las resistencias de contacto halladas en serie (contactos fijos, de cierre y apertura y los deslizantes).

De acuerdo a la norma IEC 694, artículo 6.4.1, el valor de la corriente a usar debería ser lo más cercana a la corriente nominal para la que fue diseñada la cámara de interrupción. Si esto es imposible de lograr, se pueden usar corrientes más pequeñas pero no menos a 50 A para eliminar el efecto galvánico que podría afectar las lecturas.

Se deben observar precauciones especiales cuando se mide:

1. Los puntos medidos deben estar limpios y libres de oxidación; 2. Los puntos de medición siempre deben tener los mismos cada vez; 3. Realizar varias pruebas consecutivas y calcular el promedio.

La unidad usada es micro ohmio (µ Ω).

1 µ Ω = 10-6 ohms (Ω)

Podemos tener en cuenta que el rango de los valores de la resistencia en micro ohmios que se pueden encontrar en los interruptores se divide en forma general de acuerdo a la capacidad de transporte del voltaje y de la corriente:

-25 kV – 100 hasta 350 µ Ω; -120 kV – 80 hasta 200 µ Ω; -120 hasta 330 kV – 100 µ Ω máx. -735 kV – 20 hasta 80 µ Ω.

MEDICIÓN DINÁMICA DE LA RESISTENCIA DE CONTACTOS

El micro ohmímetro descrito antes se usa para medir la resistencia de contacto con la cámara de interrupción en la posición cerrada, pero no da ninguna indicación de la condición de los contactos de arco.

Una opción es realizar una inspección interna pero esto toma bastante tiempo. En el caso de los interruptores SF6, se deben estrictamente los procedimientos de mantenimiento para manejar de forma segura el gas SF6 y los subproductos del arco.

Por ello se ha desarrollado la medición dinámica de la resistencia de contactos.

Por definición, como sugiere su nombre, empieza desde una posición cerrada, y a medida que se mueve a su posición de apertura, se inyecta una corriente y se mide el voltaje. Esto nos dará el valor de la resistencia en todo su recorrido desde la posición cerrada hasta la posición abierta.

Esta prueba requiere de un equipo especial (Figura 15) y un procedimiento más complicado que el método estático.

La información recogida es de una naturaleza diferente y nos da un mayor entendimiento de la condición del contacto que no está disponible en la prueba estática.

No es relevante discutir la prueba dinámica en este artículo. Pero podemos tener en cuenta que esta prueba es capaz de darnos buena información del valor de la resistencia del contacto de arco y de la parte erosionada.

Esta información es crucial para ciertos interruptores, donde la calidad del apagado del arco es influenciado en gran medida por este hecho.

El efecto sería tan grande que podría llevar a la explosión de la cámara de interrupción.

También debemos saber que al realizar una medición dinámica de la resistencia de contacto en los contactos de tope no tiene sentido.

Una simple prueba estática con un micro ohmímetro es suficiente debido a la arquitectura de los contactos.

Así que antes de realizar la prueba dinámica de la resistencia de contacto, necesita verificar los tipos y la arquitectura mecánica de su interruptor. Este tema se discutirá con mayor detalle en nuestro próximo artículo.

RESUMEN

El contacto eléctrico es un componente crucial en los interruptores de potencia. Un incremento en la resistencia de contacto puede ocasionar la falla del interruptor. Se pudo observar que todos los elementos que afectan la resistencia de contacto alcanzarán el mismo resultado. Si la resistencia de contacto empieza a incrementarse significativamente, el incremento en el valor crecerá exponencialmente.

La norma internacional IEC 56 establece como una lectura aceptable hasta un 20% de incremento con respecto al valor de prueba original. Por encima de este valor, es necesario realizar una inspección de apertura.

Interruptores de gran volumen de aceite

Ventajas:

- Construcción sencilla,- Alta capacidad de ruptura,- Pueden usarse en operación manual y automática, - Pueden conectarse transformadores de corriente en los bushings de entrada.

Desventajas:

- Posibilidad de incendio o explosión.- Necesidad de inspección periódica de la calidad y cantidad de aceite en el estanque.- Ocupan una gran cantidad de aceite mineral de alto costo.- No pueden usarse en interiores.- No pueden emplearse en conexión automática.- Los contactos son grandes y pesados y requieren de frecuentes cambios.- Son grandes y pesados.

Interruptores de pequeño volumen de aceite

Ventajas:

- Comparativamente usan una menor cantidad de aceite.- Menor tamaño y peso en comparación a los de gran volumen.- Menor costo.- Pueden emplearse tanto en forma manual como automática.- Fácil acceso a los contactos.

Desventajas:

- Peligro de incendio y explosión aunque en menor grado comparados a los de gran volumen.- No pueden usarse con reconexión automática.- Requieren una mantención frecuente y reemplazos periódicos de aceite.- Sufren de mayor daño los contactos principales.

Interruptores Neumáticos

Se usan principalmente en alta tensión y poseen las siguientes características:

Ventajas:

- No hay riesgos de incendio o explosión.- Operación muy rápida.- Pueden emplearse en sistemas con reconexión automática.- Alta capacidad de ruptura.- La interrupción de corrientes altamente capacitivas no presenta mayores dificultades.- Menor daño a los contactos.- F ácil acceso a los contactos.- Comparativamente menor peso.

Desventajas:

- Poseen una compleja instalación debido a la red de aire comprimido, que incluye motor, compresor, cañerías, etc., - Construcción más compleja, - Mayor costo,

 Interruptores en vacío

La alta rigidez dieléctrica que presenta el vacío (es el aislante perfecto) ofrece una excelente alternativa para apagar en forma efectiva el arco. En efecto, cuando un circuito en corriente alterna se desenergiza separando un juego de contactos ubicados en una cámara en vacío, la corriente se corta al primer cruce por cero o antes, con la ventaja de que la rigidez dieléctrica entre los contactos aumenta en razón de miles de veces mayor a la de un interruptor convencional (1 KV por µs para 100 A en comparación con 50 V/µs para el aire). Esto hace que el arco no vuelva a reencenderse. Estas propiedades hacen que el interruptor en vacío sea más eficiente, liviano y económico.

La presencia del arco en los primeros instantes después de producirse la apertura de los contactos se debe principalmente a:

•  Emisión termoiónica.

•  Emisión por efecto de campo eléctrico.

Ventajas

- Tiempo de operación muy rápidos, en general la corriente se anula a la primera pasada por cero.- Rigidez dieléctrica entre los contactos se restablece rápidamente impidiendo la reignición del arco.- Son menos pesados y más baratos.- Prácticamente no requieren mantención y tienen una vida útil mucho mayor a los interruptores convencionales.- Especial para uso en sistemas de baja y media tensión.

Desventajas:

- Dificultad para mantener la condición de vacio. - Generan sobre-tensiones producto del elevado di/dt.- Tienen capacidad de interrupción limitada.

Es importante destacar la importancia que tiene el material con que se fabrican los contactos de los interruptores en vacío. La estabilidad del arco al momento de separarse los contactos, depende principalmente de la composición química del material con que fueron fabricados. Si el arco es inestable, significa que se apaga rápidamente antes del cruce natural por cero de la corriente, generando elevados di/dt con las consiguientes sobre tensiones. Para evitar esta situación, se buscan materiales que presenten baja presión de vapor en presencia de arco. Estos materiales no son fáciles de encontrar, pues tienen propiedades no del todo apropiadas para uso en interruptores en vacío. Por ejemplo materiales con buena conductividad térmica y eléctrica, tienen bajos puntos de fusión y ebullición, y alta presión de vapor a altas temperaturas. Sin embargo, metales que presentan baja presión de vapor a altas temperaturas son malos conductores eléctricos. Para combinar ambas características se han investigado aleaciones entre metales y materiales no metálicos como Cobre-Bismuto, Cobre-Plomo, Cobre-Tantalio, Plata-Bismuto, o Plata-Telorium.

Interruptores en Hexafluoruro de Azufre:

El SF 6 se usa como material aislante y también para apagar el arco. El SF 6 es un gas muy pesado (5 veces la densidad del aire), altamente estable, inerte, inodoro e inflamable. En presencia del SF 6 la tensión del arco se mantiene en un valor bajo, razón por la cual la energía disipada no alcanza valores muy elevados. La rigidez dieléctrica del gas es 2.5 veces superior a la del aire (a presión atmosférica). La rigidez dieléctrica depende de la forma del campo eléctrico entre los contactos, el que a su vez depende de la forma y composición de los electrodos. Si logra establecerse un campo magnético no uniforme entre los contactos, la rigidez dieléctrica del SF 6 puede alcanzar valores cercanos a 5 veces la rigidez del aire. Son unidades selladas, trifásicas y pueden operar durante largos años sin mantención, debido a que prácticamente no se descompone, y no es abrasivo.

Otra importante ventaja de este gas, es su alta rigidez dieléctrica que hace que sea un excelente aislante. De esta forma se logra una significativa reducción en las superficies ocupadas por subestaciones y switchgear. La reducción en espacio alcanzada con el uso de unidades de SF 6 es cercana al 50% comparado a subestaciones tradicionales. Esta ventaja muchas veces compensa desde el punto de vista económico, claramente se debe mencionar que hay un mayor costo inicial, en su implementación. La presión a que se mantiene el SF 6 en interruptores, es del orden de 14 atmósferas, mientras que en switchgear alcanza las 4 atmósferas.

Ejemplo interruptor en el mercado.

Interruptor SF6 GROUPE SCHNEIDER

( Técnica auto-compresión)

1 a 40.5KV

 

1. Terminal superior de corriente.

2. Superficie aislante.3. Contacto principal fijo.4. Contacto fijo arco.5. Movimiento contacto arco.6. Boquilla aislante. 7. Contacto principal

( movimiento).8. Pistón (movimiento).9. Cámara de presión.10. Terminal inferior de

corriente.11. Barra de conexión.12. Biela. 13. Sello. 14. Ventilación o extracción de

residuos.15. Canasto molecular.

16. Base.

 

INTERRUPTOR SF6 UTILIZADO( TECNICA CON AUTO-COMPRESION SF6 )

OPERACION DEL INTERRUPTOR SF6

Contacto principal y contacto de arco estan inicialmente cerrado (fig.1)

Pre-compresión :Cuando empiezan abrirse,el piston comprime el gas SF6 en la cámara de presión.

Periodo de arco: El arco que se forma entre el contacto.El piston continua en movimiento,una pequeña cantidad de gas es inyectada al arco(boquilla aislante),con esto va disminuyendo la corriente en el arcoy se va enfriando por convección.

 

Elmovimiento de las partes terminay la inyección de gas frio continua hasta estar completamente abierto los contactos.

 

 

 

 

Interruptor SF6: Circuitos menores o igual a 17.5KV

 

Operación

Interruptor cerrado.

 

Contacto principal abierto,corriente transfiriendose por los contactos del arco.

Contacto del arco separados.El arco enfriado por rotación,causado por el campo magnetico creadopor la bobina,cuando la corriente ha disminuido.La sobrepresión de origen termico producido por el arco en la cámara de expansión extingue el arco por la fuerza interna.

 

 

 

Circuito abierto.

 

 

Especificación técnica de un Interruptor de Potencia.

La selección de un interruptor de potencia para una determinada aplicación consiste en definir un conjunto de valores que limitan las condiciones de operación máximas del interruptor. Los parámetros a indicar son algunos de los cuales deben tenerse presente:

•  Tensión nominal.

•  Frecuencia nominal.

•  Corriente nominal.

•  Rigidez dieléctrica (clase de aislación).

•  Ciclo de trabajo.

•  Corriente de cortocircuito momentánea.

•  Corriente de cortocircuito de interrupción.

Uso de interruptores en localidades ubicadas sobre 1000 m de altura

Los interruptores ubicados a alturas superiores a los 1000 m sobre el nivel del mar, modifican sus valores nominales de voltaje y corriente para considerar el efecto de enrarecimiento del aire que afecta las condiciones de ventilación, así como de aislación del interruptor. La relación de los valores nominales en función de la altura de instalación, está dada por cada fabricante.

Interruptores para reconexión automática.

La reconexión automática se usa especialmente en líneas de transmisión radiales y de difícil acceso para aumentar la continuidad de servicio. El tiempo de reconexión del interruptor debe especificarse de acuerdo a las características de operación del sistema eléctrico. También al calcular el tiempo de reconexión se debe considerar la desionización del arco de manera de eliminar la posibilidad de reencendido. Este tiempo muerto depende del nivel de tensión y para sistemas sobre 115 KV es de alrededor de 8 ciclos.

Un interruptor de potencia con reconexión automática, la capacidad de ruptura del interruptor se modifica de acuerdo al ciclo de trabajo con que se utilizará. El cálculo de la nueva capacidad de ruptura debe efectuarse tomando en cuenta las siguientes consideraciones:

•  El ciclo de trabajo no debe tener más de 5 aperturas.

•  Toda operación dentro de un intervalo de 15 minutos se considera parte de un mismo ciclo de trabajo.

•  El interruptor debe usarse en un sistema cuya corriente de cortocircuito no exceda el valor corregido de la corriente de interrupción para la tensión nominal y el ciclo de trabajo especificado.

Los interruptores especialmente diseñados para operar con reconexión automática se llaman “Restauradores” o “Reconectadores”. El reconectador es un aparato que al suceder una condición de sobre-corriente abre sus contactos, y una vez que ha transcurrido un tiempo determinado cierra sus contactos nuevamente, energizando el circuito protegido. Si la condición de falla sigue presente, el restaurador repite la secuencia cierre-apertura un número determinado de veces (por lo general son 4 como máximo). Después de la cuarta operación de apertura queda en posición de abierto definitivamente. Cuando un reconectador detecta una situación de falla, abre en un ciclo y medio. Esta rápida operación de apertura disminuye la probabilidad de daño a los equipos instalados en el circuito en falla. Uno o uno y medio segundos después, cierra sus contactos, energizando nuevamente el circuito. Después de una, dos, y hasta tres operaciones rápidas el restaurador cambia a una operación de características retardada

 Interruptores de potencia de 115 KV Interruptor de potencia de 6.6 KV 

DISYUNTOR

Dispositivo eléctrico que, al igual que un fusible , Interrumpe una corriente eléctrica en un circuito cuando la corriente es demasiado alta. La ventaja de disyuntor es que se puede restablecer después de que haya sido disparado; un fusible debe ser reemplazado después de que ha sido utilizado una vez. Cuando un suministro de corriente de energía suficiente para hacer funcionar un dispositivo de gatillo en un disyuntor, un par de contactos conductores de la corriente se separan por medio de muelles precargados o algún otro mecanismo similar. Generalmente, un disyuntor de circuito registra la corriente, ya sea por efecto de calentamiento de la corriente o por el magnetismo que crea en pasar a través de una pequeña bobina. Debido a que es habitual para un motor eléctrico de arco para formar entre los contactos cuando un interruptor se abre, algunos deberán preverse los medios para prevenir la rápida erosión de los contactos. Normalmente esto se hace mediante la apertura de los contactos lo suficientemente rápido como para hacer que el arco de corta duración. 

Funciones de un disyuntor o interruptor

El aparato debe cumplir con dos funciones fundamentales:1. Debe ser capaz de disipar la energía producida por el arco sin que se dañe el equipo.2. Debe ser capaz de restablecer muy rápidamente la rigidez dieléctrica del medio comprendido entre los contactos una vez extinguido el arco, o sea que las rigidez dieléctrica del medio quede en todo momento por encima del voltaje de recuperación (es decir que resulte siempre v (d) < 0).

Acción del disparo con relé

Hacemos un esquema de principio para explicar el funcionamiento de un Disyuntor accionado por un relé de sobre intensidad:

Cuando la corriente en la línea supera un valor preestablecido, esa corriente (a través del transformador de intensidad TI) hace cerrar los contactos a-b del relé, lo cual establece una corriente en el circuito de la bobina de disparo del disyuntor. Se realiza entonces el movimiento del vástago del disyuntor, lo cual provoca la interrupción del circuito principal.

Tipos de disyuntores

Según el medio eléctrico en el cual se encuentran los contactos, los tipos empleados para los disyuntores son los siguientes:

1. En aceite.2. En SF6 (hexafluoruro de azufre).3. De soplo de aire.4. En vacío.

Describimos los diferentes tipos:

1. En aceite:

Se aprovecha la energía desprendida por el arco mismo para apagarlo:La separación de los contactos se hace en baño de aceite, lo cual tiene dos ventajas para aumentar el poder de corte:

a) La rigidez dieléctrica del aceite es mayor que la del aire a presión atmosférica.b) El arco descompone el aceite, generando hidrógeno, que es un medio refrigerante superior al aire.

Los contactos están en un pequeño recipiente, llamado cámara de explosión, provista de orificios de salida. El hidrógeno desprendido por el arco y contenido en la cámara de explosión aumenta la presión, lo cual hace crecer la rigidez dieléctrica del aceite.Además el gas a presión que atraviesa el arco para salir por los orificios de la cámara lo alarga, lo enfría y lo apaga.

2. En SF6:

Desde ya unos cuantos años, el interruptor en aceite se ha reemplazado por el de

SF6, que es un gas inerte que se hace trabajar a la presión de 2 o 3 kg/ . Se

manda SF6 a presión sobre el arco, generalmente a lo largo del eje del arco, lo cual lo adelgaza y lo apaga.

El disyuntor en SF6 es totalmente hermético para mantener la presión, presentando varias ventajas que hacen que sea cada vez más empleado: el SF6 no es tóxico, el disyuntor ocupa poco espacio (ideal en subestaciones compactas) y además no es ruidoso.

3. Con soplo de aire:

Se manda sobre el arco aire comprimido a 15 kg/ , siendo el principio de

funcionamiento similar al de SF6. Pero la presión elevada requiere mayores precauciones para impedir escapes de aire.

4. En vacío:

Estos disyuntores se limitan a la tensión de 30 kV. Los contactos se separan en una cámara donde se ha hecho el vacío. De esta manera, se trata de evitar el nacimiento del arco (no hay gas que se ionice). Aunque esto no se logra totalmente, se disminuye mucho la duración del arco, la energía producida por el arco y la distancia a la que tienen que separarse los contactos.

MAGNITUDES CARACTERÍSTICAS DE LOS DISYUNTORES

Dada la gran variedad de disyuntores ofrecidos por los fabricantes (medio aislante, tensión, amperaje, poder de corte, mecanismo de mando, etc.) es muy importante, a la hora de seleccionar el disyuntor, establecer una especificación muy precisa para caracterizar debidamente el disyuntor a instalar.

Para eso, en caso de disyuntores de corriente alterna de más de 1000 V, haremos una definición detallada de las principales características que se asocian al disyuntor.

1) Grado de protección contra los agentes externos (en particular, este punto incluye si el disyuntor es para interior o para intemperie).

2) Número de polos (unipolar o tripolar). Para considerar un disyuntor como tripolar, la operación de los 3 polos debe ser prácticamente simultánea.

3) Corriente nominal: Es la mayor corriente que puede circular permanentemente sin que se exceda la temperatura máxima aceptable en las partes conductoras del interruptor.

4) Voltaje nominal: Se debe especificar un valor mínimo y un valor máximo:

V: valor normal de la tensión compuesta en el sitio en que se instala el interruptor.

: Valor máximo de esa tensión compuesta (nivel de aislamiento).

5) Frecuencia (Hz): es la del sistema en que se va a instalar el equipo.

6) Poder de corte nominal: Es la mayor corriente que el aparato puede cortar en condiciones normales de tensión, es decir con una tensión de restablecimiento

correspondiente al voltaje nominal en bornes del interruptor (pueden darse 2 valores: Vmín y Vmáx , ver punto 4). Debe hacerse un estudio detallado del régimen transitorio: si se tienen en cuenta las 2 componentes de la corriente transitoria en caso de corto-circuito, o sea la componente continua amortiguada (corriente propia del circuito) y la componente alterna (corriente forzada), se obtiene el poder de corte asimétrico; si sólo se tiene en cuenta la alterna, se tiene el poder de corte simétrico.El orden del tiempo de apertura del disyuntor es el siguiente:

y entonces, para tiempos del orden de la décima de segundo, la componente continua ya casi desapareció, por lo cual se emplea más el poder de corte simétrico (valor eficaz de la componente alterna).A menudo, el poder de corte se expresa en MVA:

, pero lo más correcto es hablar de la corriente. El valor en MVA es útil para

dar una idea acerca de la potencia del disyuntor.

Hacemos notar que un interruptor (distinguiéndolo del disyuntor) tiene un poder de corte igual a su corriente nominal, ya que sólo se usa como elemento de maniobra en una subestación (no hay relé que lo haga abrir automáticamente), accionándose voluntariamente.

7) Poder de cierre nominal: Cuando se proceda al cierre del aparato, puede suceder que haya aparecido un corto-circuito en la red y que el aparato se cierre sobre el cortocircuito. El valor de la corriente en ese momento (régimen transitorio) puede subir a un valor de cresta muy elevado, ya que todavía no transcurrió tiempo para que haya amortiguación. El régimen es muy severo y puede suceder entonces que sea necesario un poder de cierre del orden del doble del poder de corte.El interruptor (así como el disyuntor) debe poseer un poder de cierre adecuado pues puede ocurrir que la maniobra de cierre se realice sobre un corto-circuito.

8) Sobrecorrientes admisibles durante un corto-circuito: El disyuntor debe poder soportar durante 1 s su pleno poder de corte (valor eficaz) y su pleno poder de cierre como golpe de corriente (valor de cresta). El análisis preciso de estas magnitudes requiere un estudio pormenorizado del régimen transitorio y la definición precisa de la evolución de la corriente durante el corto-circuito.

9) Mecanismo de operación: (tanto para la apertura como para el cierre)

• Para el cierre, el mecanismo puede ser:- de acumulación de energía (por ejemplo, resorte)- eléctrico (solenoide o motor eléctrico)

- de aire comprimido- de líquido a presión

• Para la apertura, la energía acumulada por el aparato en posición cerrada debe ser suficiente para que abra sin que sea necesario suministrarle energía exterior; la energía se libera mediante un dispositivo adecuado:

- mecánicamente- eléctricamente

10) Tiempo de apertura: Es el tiempo que transcurre entre el instante en que el relé ya dió la orden de apertura (excitación de la bobina de disparo) y el instante en que se extinguió totalmente el arco. En general, ese tiempo es del orden de un décimo de segundo.

11) Ciclo de operación en caso de requerirse recierre automático: En caso de un defecto fugitivo, que puede ocurrir en una línea aérea, es conveniente que el aparato abra y luego cierre automáticamente, permaneciendo cerrado al desaparecer el defecto. Un ciclo corriente en la norma europea es:

O3CO3CO

Este ciclo es la sucesión de aperturas y cierres (bajo pleno poder de corte y pleno poder de cierre) que el disyuntor es capaz de realizar automáticamente, sin que sea necesario una inspección posterior o una puesta en condiciones. El significado de los símbolos es el siguiente:

O - el disyuntor abre ("open")3 - queda abierto 3 minutos C - cierraO - abre nuevamente3 - queda abierto 3 minutosC - cierra nuevamenteO - abre definitivamente

Si el defecto es fugitivo, el disyuntor queda cerrado en el primer C o en el segundo.Existen ciclos más rápidos, del orden de los segundos.

BIBLIOGRAFÍA:

- http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/redelec91/redesi_cap7.pdf- http://www.slideshare.net/teoriaelectro/interruptores-de-potencia- http://en.wikipedia.org/wiki/Circuit_breaker