INSTITUTO
POLITECNICO
NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD
PROFESIONAL
“ADOLFO
LÓPEZ
MATEOS”
MODERNIZACIÓN
DE
INTERRUPTORES
DE
POTENCIA
DE
400
KV
EN
LA
SUBESTACIÓN
ELÉCTRICA
TEXCOCO
T
E
S
I
S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO
ELECTRICISTA
P
R
E
S
E
N
T
A:
RODRIGO
BARAJAS
ARREOLA
RESUMEN
La cant idad de energía eléct rica que se consum e en el país, es un indicador de su nivel económ ico, las fuentes para crear esa energía y el equipam ient o para desarrollar las redes de t ransform ación, t ransm isión y dist ribución cuando se realiza apropiadam ent e t am bién perm it en reconocer aspectos de la act ualización t ecnológica en su infraest ruct ura industrial y de capit al hum ano.
Operat ivam ent e, para que un Sist em a Eléct rico conserve su est abilidad m ant eniendo la cont inuidad del servicio con calidad a t odos sus consum idores, se requiere que los procesos product ivos de Generación, Transm isión y Dist ribución cuenten con equipos act uales que cum plan y m ant engan las exigencias de dem anda de energía, caract erizada por la acelerada evolución t ecnológica en los diferentes sectores de la econom ía.
En el caso de México la robustez se ha est ado const ruyendo a t ravés del enm allam ient o de las redes eléct ricas. Derivado de que los cent ros de Generación est án lej anos en relación con los grandes núcleos de consum o que se encuent ran en el cent ro de nuest ro t errit orio, por lo ant erior, su control operativo es m ás com plej o en la conexión y desconexión de grandes bloques de energía; así t am bién es m ás vulnerable ant e agent es ext ernos e int ernos que puedan provocar cont ingencias o disturbios, y para m inim izar sus efect os, se requiere aislar adecuadam ent e el punt o de falla, para lograr ese obj et ivo un equipo esencial es el int errupt or, el cual es un elem ent o en un circuit o eléct rico que t iene la responsabilidad del m anej o del fluj o de pot encia y evit ar en ciert a m edida que alt eren los parám et ros fundam ent ales del usuario final com o son t ensión y frecuencia.
Ant e la im port ancia señalada que t iene el int errupt or de pot encia para un sist em a int erconect ado, es elem ent al que este equipo prim ario cuente con los requerim ient os de confiabilidad dent ro de est ándares com pet it ivos, ya que por ser un equipo de gran im portancia, se incorporan nuevas tecnologías t ant o en su diseño com o en sus procesos const ruct ivos y m at eriales de m anufact ura, por lo que se hace im perat ivo el reem plazo de est os equipos cuando se encuent ran cerca del t érm ino de su vida út il, cuando sus características nom inales ya no son las adecuadas para operar dent ro del sist em a al que se encuent ran int erconect ados, así com o cuando sufren una avería grave al int errum pir una falla.
Í N DI CE
RESUMEN - - - i
Í N DI CE - - - ii
Í N DI CE DE FI GURAS - - - vi
Í N DI CE DE TABLAS - - - viii
CAPÍ TULO 1 I N TRODUCCI ÓN 1.1 I NTRODUCI ÓN - - - 1
1.2 ALCANCE DEL PROYECTO - - - 1
1.3 OBJETI VOS GENERALES - - - 2
1.4 OBJETI VOS PARTI CULARES - - - 2
1.5 JUSTI FI CACI ÓN - - - 2
CAPÍ TULO 2 ESTADO DEL ARTE DEL I N TERRUPTOR DE POTEN CI A 2.1 ANTECEDENTES DE LOS I NTERRUPTORES DE POTENCI A - - - 3
2.1.1 REPOTENCI ACI ON - - - 4
2.2 DEFI NI CI ÓN DE I NTERRUPTOR- - - 5
2.3 CLASI FI CACI ÓN DE LOS APARATOS DE CORTE - - - 5
2.3.1 SECCI ONADORES - - - 5
2.3.2 I NTERRUPTORES - - - 6
2.3.3 I NTERRUPTORES SECCI ONADORES - - - 6
2.3.4 DI SYUNTORES O I NTERRUPTORES DE POTENCI A - - - 6
2.3.5 CONCEPTOS RELACI ONADOS CON LOS I NTERRRUPTORES - - - 8
2.4 TAREAS FUNDAMENTALES DE LOS APARATOS DE CORTE - - - 12
2.5 PRI NCI PI O DE OPERACI ÓN DEL I NTERRUPTOR - - - 13
2.6 MÉTODOS DE EXTI NCI ÓN DEL ARCO ELÉCTRI CO - - - 13
2.8 EL CI RCUI TO PRI NCI PAL- - - - - - 16
2.9 EXTI NCI ÓN EN CORRÍ ENTE ALTERNA - - - 17
2.10 PROCESO DE CI ERRE - - - 18
2.11 PROCESO DE APERTURA - - - 19
2.12 CARACTERÍ STI CAS NOMI NALES - - - 20
2.13 TI POS DE I NTERRUPTORES - - - 20
2.14 MEDI OS DE EXTI NCI ÓN DEL ARCO ELECTRI CO - - - 23
2.15 I NTERRUPTORES DE SOPLO DE AI RE ( NEUMATI CO) - - - 24
2.15.1 PRI NCI PI O DE OPERACI ÓN - - - 24
2.16 I NTERRUPTORES EN HEXAFLUORURO DE AZUFRE ( SF6) - - - 25
2.16.1 HEXAFLUORURO DE AZUFRE - - - 26
2.16.2 PRI NCI PALES USOS DEL SF6 POR LA I NDUSTRI A ELÉCTRI CA - - - 28
2.17 MECANI SMOS DE OPERACI ÓN - - - 29
2.18 TENSI ÓN TRANSI TORI A DE RESTABLECI MI ENTO - - - 34
2.19 CONDI CI ONES DE OPERACI ÓN - - - 35
2.19.1 I NTERRUPCI ÓN DE CARGAS CAPACI TI VAS - - - 35
2.19.2 I NTERRUPCI ÓN DE CORRÍ ENTES I NDUCTI VAS - - - 36
2.20 CRI TERI OS DE APLI CACI ÓN - - - 37
2.21 MANTENI MI ENTO Y PRUEBAS A I NTERRUPTORES DE POTENCI A - - - 39
2.22 NORMATI VI DAD DE I NTERRUPTORES DE POTENCI A - - - 42
2.23 I NVENTARI O DE I NTERRUPTORES DE POTENCI A- - - 43
2.24 I NDI CES DE FALLA- - - 44
CAPÍ TULO 3 APLI CACI ÓN DE I N TERRUPTORES DE POTEN CI A A REDES ELÉCTRI CAS
3.1 I NTERRUPTORES DE POTENCI A PARA ALTA TENSI ÓN - - - 49
3.2 VALORES NOMI NALES ESTÁNDARES PARA I NTERRUPTORES DE POTENCI A - - - 51
3.3 VALORES NOMI NALES PARA CI CLOS DE CI ERRE APERTURA - - - 51
3.4 DETERMI NACI ÓN DE VOLTAJES TRI FÁSI COS EQUI VALENTES Y VALORES DE I NTERRUPCI ÓN - - - 52
CAPÍ TULO 4 CARACTERÍ STI CAS DE CAPACI DAD I N TERRUPTI VA DE LA SE TEXCOCO DEBI DO A CAM BI OS DE TOPOLOGÍ A DE LA RED 4.1 CARACTERÍ STI CAS DE LA SE TEXCOCO CON RESPECTO A LA RED ELÉCTRI CA NACI ONAL - - - 54
4.2 NI VELES DE CORTO CI RCUI TO EN LA SE TEXCOCO ANTERI ORES - - - 56
4.3 NI VELES DE CORTO CI RCUI TO DE LA SE TEXCOCO ACTUALES Y FUTUROS - - - 57
4.4 VALORES REQUERI DOS - - - 58
CAPÍ TULO V EL I N TERRUPTOR DE POTEN CI A BBC TI PO DLF Y EL I N TERRUPTOR DE POTEN CI A DE 4 0 0 kV Marca SI EMEN S Tipo 3 AP2 - FI - 4 2 0 5.1 EL I NTERRUPTOR DE POTENCI A BBC TI PO DLF - - - 59
5.1.1 DESCRI PCI ÓN - - - 59
5.1.2 VALORES FUNCI ONALES - - - 61
5.1.3 DESCRI PCI ÓN DE LOS ESQUEMAS Y DI SPOSI TI VOS DE CONTROL Y PROTECCI ÓN DEL I NTERRUPTOR BBC TI PO DLF - - - 62
5.2 EL I NTERRUPTOR DE POTENCI A DE 400 kV Marca SI EMENS TI PO 3AP2 - - - 62
5.2.1 DESCRI PCI ÓN - - - 62
5.2.2 VALORES FUNCI ONALES - - - 63
CAPÍ TULO 6 CRI TERI OS DE SELECCI ÓN DE I N TERRUPTORES EN LA SUBESTACI ÓN ELÉCTRI CA TEXCOCO BASADO EN CÁLCULOS POR CAMBI O DE CAPACI DAD I N TERRUPTI VA Y N ORMATI VI DAD
6.1 I NTERRUPTORES DE C.A - - - 67
CAPÍ TULO 7 AN ÁLI SI S DE RESULTADOS OBTEN I DOS - - - 71
CAPÍ TULO 8 CON CLUSI ON ES - - - 74
Í N DI CE DE FI GURAS
Figura 2.1 Cuchillas AEG t ipo pant ógrafo - - - 5
Figura 2.2 Partes constitutivas de un interruptor de potencia con capacitor de gradiente y resistencias de preinserción --- --- 7
Figura 2.3 Com port am ient o del arco en c.a. ( hist éresis del arco) - - - 14
Figura 2.4 Elongación del arco eléct rico por la acción del em puj e t érm ico - - - 14
Figura 2.5 Represent ación esquem át ica de la t écnica de enfriam ient o del arco en un int errupt or neum át ico - - - 15
Figura 2.6 Represent ación esquem át ica de la división del arco. - - - 15
Figura 2.7 Represent ación esquem át ica de la cont ricción del arco - - - 16
Figura 2.8 Cont act os principales de un int errupt or de SF6- - - 17
Figura 2.9 Com port am ient o de las t ensiones durant e el proceso de int errupción - - 18
Figura 2.10 Proceso de int errupción de la corrient e: a) Ext inción; b) Reencendido - 19 Figura 2.11 I nt errupt or de t anque m uert o - - - 21
Figura 2.12 I nt errupt or t ipo T hidráulico de t anque vivo, con m edio de ext inción de SF6. - - - 22
Figura 2. 13 Curvas de la tensión de ruptura de la rigidez dieléctrica entre dos contactos -- 23
Figura 2. 14 Disyuntores de soplo de aire --- 24
Figura 2. 15 Est ruct ura quím ica del SF6 - - - 26
Fig. 2. 16 Variación de la presión del SF6 en función de la t em perat ura - - - 27
Figura 2. 17 I nt errupción de circuit os en alt a t ensión - - - 29
Figura 2. 18 Aislam ient o de subest aciones encapsuladas en SF6 - - - 29
Figura 2. 19 Funcionam iento del m ecanism o con resorte --- 30
Figura 2. 21 Mecanism o de accionam iento hidráulico --- --- 32
Figura 2. 22 Principio de m aniobra de accionam ient o de gas dinám ico - - - 34
Figura 2. 23 Circuito capacitivo --- --- 35
Figura 2. 24 Transform ador o react or m onofásico - - - 37
Figura 2. 25 Transitorio generado por el recierre de un interruptor en vacío --- 39
Figura 2.26 Fallas por localizacion del interrupt or de pot encia en 400 kV en el año 2008- - - 45
Figura 2.27 Falla de int errupt ores de pot encia por m arca en el año 2008- - - 45
Figura 2.28 Porcent aj e de fallas a int erruptores de pot encia de 400kV por el t ipo de origen de la falla- - - 46
Figura 2.29 Porcent aj e de falla del int errupt or del año 2008 por sus com ponent es- - 46
Figura 2.30 Hist orial de falla de int errupt ores por su ext inción del arco en 400 kV- - - 47
Figura 2.31 Hist orial de porcent aj e de falla de int errupt ores por su m ecanism o en 400 kV- - - 48
Figura 4.1 Diagram a unifilar de la Subest ación Eléct rica Texcoco - - - 55
Figura 4.2 Anillo Met ropolit ano de 400 kV. - - - 56
Figura 5.1 I nt errupt or de pot encia neum át ico BBC Tipo DLF - - - 60
Í N DI CE DE TABLAS
Tabla 2.1 Volt aj es nom inales y volt aj es m áxim os de diseño ( I EC) - - - 9
Tabla 2.2 Valores recom endados de elevación de tem peratura --- --- 10
Tabla 2.3 Tot al de int errupt ores al m es de Diciem bre del 2008- - - 43
Tabla 2.4 Crecim ient o de int errupt ores de pot encia en el año 2008- - - 44
Tabla 2.5 Í ndices de falla nacionales del 2008- - - 44
Tabla 3.1 Corrient es nom inales de operación y corrient es de int errupción - - - 50
Tabla 3.2 Tensiones nom inales y m áxim a de diseño - - - 51
Tabla 3.3 Tensiones nom inales y valores de pruebas dieléct ricas - - - 53
Tabla 4.1 Valores de Corrient e de Cort o Circuit o de la Subest ación Eléct rica Texcoco del año 2006, 2007 y 2008. - - - 57
Tabla 5.1 Dat os de placa del int erruptor BBC Tipo DLF - - - 61
Tabla 5.2 Capacidad de aislam ient o del int errupt or SI EMENS 3AP2 – FI - - - 64
Tabla 5.3 Dat os eléct ricos del int errupt or SI EMENS 3AP2 –FI - - - 65
Tabla 5.4 Tiem pos de conm ut ación - - - 65
Tabla 6.1 Capacidades nom inales preferida para int errupt ores al aire libre ( la base de la capacidad nom inal es la corrient e sim ét rica) - - - 69
CAPÍ TULO 1
I N TRODUCCI ÓN
1 .1 I N TRODUCCI ÓN
El Sistema Eléctrico Nacional está integrado principalmente por las Centrales Generadoras, Líneas de Transmisión y Subestaciones de Potencia, estas últimas desempeñan una función muy importante ya que son los nodos de recepción y envío de los paquetes de energía los cuales se distribuyen y regulan a pequeños y grandes consumidores ubicados en muchos casos a grandes distancias.
Los interruptores de potencia que forman parte del Sistema Interconectado, tienen la misión de conectar y desconectar equipos primarios de la red, así como también tiene la función de aislar a los mismos cuando se encuentren en condiciones anormales y de falla.
Considerando la problemática del Sistema Interconectado Nacional que enfrentan las compañías suministradoras por el crecimiento de la red, y los requerimientos de confiabilidad dentro de estándares competitivos, se hace necesario que todos los Equipos Eléctricos Primarios que la conforman y los sistemas de protecciones, control y comunicaciones, operen y se mantengan en óptimas condiciones de servicio.
Por la importancia que tienen los Interruptores de potencia, constantemente se incorporan nuevas tecnologías tanto en su diseño como en sus procesos constructivos y materiales de manufactura, además el crecimiento de demanda en puntos específicos del sistema se ha incrementado provocando esto un incremento en los niveles de corriente de corto circuito, por lo que se hace necesaria la modernización de los interruptores que ya no cumplen con los requisitos de capacidad y calidad, para que el sistema opere con la suficiente confiabilidad y seguridad.
Por ello en este trabajo se mencionan los criterios principales que se deben considerar para la elección correcta de un interruptor de potencia, analizando de forma mas concreta la elección por aumento de capacidad interruptiva.
1 .2 ALCAN CE DEL PROYECTO
1 .3 OBJETI VOS GEN ERALES
Analizar el marco teórico y práctico para realizar el cambio de capacidad interruptiva en interruptores de potencia de 400kV en la Subestación Eléctrica Texcoco, y probar la eficiencia de su aplicación así como también analizar los beneficios que se obtienen con el cambio de estos interruptores de potencia.
1 .4 OBJETI VOS PARTI CULARES
Comparar las características interruptivas y justificar el cambio de int errupt or de potencia de 400kV, marca BBC Tipo DLF, con otro de la Marca SIEMENS Tipo 3AP2-FI.
1 .5 JUSTI FI CACI ÓN
La aplicación de interruptores de potencia en los sistemas eléctricos de potencia (SEP), es esencial para una operación flexible y confiable de la red eléctrica nacional lo cual es necesario para la continuidad del servicio.
La aplicación de cada tipo de interruptor depende en gran medida de las condiciones de operación del punto de la red donde se va a instalar, por lo tanto influyen varios factores para su diseño como son el nivel de tensión, tipo de dispositivos primarios conectados, capacidad interruptiva, etc. Aunque existen bastantes tipos de interruptores, sin duda los más utilizados son los de medio de extinción SF6 y en
vacío. En este trabajo el interruptor considerado es del tipo de SF6 en 400 kV.
El interruptor de potencia es el elemento encargado de interrumpir la corriente eléctrica en condiciones normales o de falla y en ambos casos debe de cumplir con características especiales para lograr su objetivo, esto es, su diseño, funcionamiento, aplicación, etc. que en mucho depende del lugar y condiciones en que se vaya a operar.
CAPÍ TULO 2
ESTADO DEL ARTE DEL I N TERRUPTOR DE POTEN CI A
2 .1 AN TECEDEN TES DE LOS I N TERRUPTORES DE POTEN CI A
Desde el momento en el que un flujo de la corriente eléctrica se estableció por primera vez, los efectos producidos por los mismos fueron notorios, por lo que hubo la necesidad de crear un dispositivo que fuera capaz de detener y reanudar el flujo de la corriente eléctrica. Fundamentalmente existen dos formas por las que el flujo de la corriente puede ser detenido, una es reducir el potencial de conducción a cero y la otra es físicamente, colocando un par de contactos creando una brecha entre los conductores que transportan la corriente eléctrica.
El interruptor de potencia es un elemento de un sistema eléctrico de potencia fundamental, ya que en caso de falla o condiciones normales de operación de ser capaz de interrumpir la corriente que fluye sobre el mismo. Este dispositivo debe de funcionar en diversas condiciones de operación, lo que implica una gran cantidad de configuraciones del interruptor – línea o equipo primario, por ello desde que el interruptor comenzó a utilizarse, siempre ha sido un elemento de preocupación, debido a que hay que prever su funcionamiento en cualquier condición. Por lo tanto en la puesta en servicio de un interruptor de potencia hay que considerar todos los factores, como son: capacidad interruptiva, el medio de interrupción, mecanismo de operación, etc. Debido a que el diseño de los interruptores depende de cada fabricante, hay que tener presentes todos los resultados de las pruebas que se les aplicaron y los resultados que se obtuvieron para garantizar un óptimo desempeño de los interruptores.
Cuando un interruptor abre un circuito con carga o por despejar una falla es inevitable la presencia del arco eléctrico, lo que sin duda es una condición desfavorable, en la operación de interruptores. Durante la presencia del arco se mantiene la circulación de corriente en el circuito de potencia. Las características del arco dependen, entre otras cosas de:
• La naturaleza y presión del medio ambiente donde se induce.
• La presencia de agentes ionizantes o des ionizantes.
• Sistema de extinción del arco.
La generación del arco se debe a la ionización del medio entre los contactos, haciéndolo conductor, lo que facilita la circulación de corriente. La presencia de iones se origina por la descomposición de las moléculas que conforman el medio entre los contactos, producto de colisiones entre éstas y los electrones aportados por la corriente.
2 .1 .1 REPOTEN CI ACI ÓN
Se entiende como repotenciación, al incremento en una subestación existente, tanto en los equipos como en los sistemas existentes.
La ampliación se define como el incremento en circuitos (alimentadores) y los equipos relacionados.
La factibilidad para repotenciar o ampliar una subestación eléctrica está determinada normalmente por el costo, como un primer factor cuando se compara entre la construcción de una nueva subestación y la repotenciación o ampliación de una subestación existente.
Cuando se considera la repotenciación del equipo, sólo se incrementa la capacidad, el nivel de volt aj e perm anece igual, normalmente la localización de los circuitos entrantes y salientes es la misma, aún cuando se pueden cambiar los calibres de conductor para incrementar su ampacidad.
La repotenciación del equipo primario contempla los siguientes elementos:
• Al transformador de potencia
• Interruptores
• Transformadores de corriente
• Trampas de onda
• Transformadores de potencial tipo capacitivo
• El sistema de barras (buses)
• Cuchillas desconectadoras
• Sistemas de canalizaciones
• Protección y medición
2 .2 DEFI N I CI ÓN
El interruptor es un dispositivo, cuya función es asegurar el flujo continuo de corriente en una red eléctrica bajo condiciones normales de operación e interrumpirlo cuando se presentan condiciones anormales o fallas. Se utiliza para controlar el flujo de corriente y como medio de protección para el personal y el equipo. Se conecta en serie con el circuito que se va a proteger.
2 .3 CLASI FI CACI ÓN DE LOS APARATOS DE CORTE
2 .3 .1 SECCI ON ADORES
Son los dispositivos utilizados para abrir o cerrar un circuito cuando no es recorrido por una corriente y destinado específicamente para aislar una red bajo tensión, una máquina eléctrica, un conjunto de equipos o la sección de una línea, ya sea para fines de mantenimiento o reparación [4].
[image:15.612.171.470.396.632.2]En el caso de una subestación un tipo de seccionador son las cuchillas de línea, de bus o de transferencia, en la fig. 2.1 se muestran unas cuchillas de línea tipo pantógrafo.
2 .3 .2 I N TERRUPTORES
Es el equipo encargado de interrumpir y conectar circuitos en condiciones normales de carga nominal o en caso de falla.
2 .3 .3 I N TERRUPTORES SECCI ON ADORES
Es aquel tipo de interruptor que en posición de apertura, responden a las condiciones impuestas por los seccionadores (combinación de ambos) [4].
2 .3 .4 DI SYUN TORES O I N TERRUPTORES DE POTEN CI A
La función de un disyuntor (interruptor) consiste en conectar e interrumpir, una o repetidas veces, en condiciones normales y anormales de trabajo, diferentes circuitos eléctricos (Ver fig.2.2). Al establecer o deshacer el contacto de los elementos de interrupción, hay una etapa transitoria de arqueo entre los contactos, regida por las descargas eléctricas que ocurren entre ellos. Si la corriente está pasando por un circuito, antes de que esté sea abierto por el interruptor en el instante de separación se forma un arco entre los contactos y la corriente puede continuar por el circuito hasta que cese la descarga.
La descarga en los disyuntores de corriente alterna, que generalmente se efectúa en forma de arco, ocurre en dos formas. Cuando se están separando los contactos, el arqueo es posible aún cuando la fem del circuito se encuentre considerablemente abajo del voltaje mínimo de la interrupción, esto a causa del gran incremento local del voltaje debido a la auto inductancia del circuito. En el segundo método el arco se extingue cada vez que la corriente pasa por cero y puede restablecerse solamente si el voltaje transitorio de recuperación entre los electrodos ya separados, que continúan separándose, alcanza un valor lo suficientemente alto, conocido como voltaje de interrupción.
Figura 2.2 Partes constitutivas de un interruptor de potencia con capacitor de gradiente y resistencias de preinserción [14].
A continuación se mencionan las partes constitutivas del interruptor, de acuerdo a la fig. 2.2:
1. Tapa de resistencias de preinserción 2. Cámara de resistencias de preinserción 3. Discos metálicos de soporte de resistencias 4. Calotas de contactos de resistencias
5. Barra de accionamiento contacto móvil de resistencia de preinserción 6. Distanciador de Al de resistencias
7. Cilindro de cerámica
8. Contacto móvil de resistencia de preinserción 9. Cilindros de las resistencias de preinserción 10. Resorte de paquete de resistencias
11. Cámaras de extinción
15. Contacto móvil principal 16. Tobera aislante
17. Contacto fijo principal 18. Tapa de contacto principal 19. Filtro
20. Brida guía de barra aislada 21. Barra de maniobra aislada 22. Columna soporte
23. Brida se sujeción
24. Barra metálica de accionamiento 25. Cilindro del sistema neumático 26. Anillo de retención
27. Pistón de accionamiento neumático 28. Tuerca - seguro de fijador de pistón 29. Indicador de posición
2 .3 .5 CON CEPTOS RELACI ON ADOS CON LOS I N TERRRUPTORES
Un interruptor de C.A. tiene los siguientes conceptos de capacidad nominal:
1 . Tensión nom inal, corrient e nom inal
La t ensión nom inal es el voltaje eficaz (R.M.S.) de operación del sistema entre fases en volts a la frecuencia nominal.
En condiciones normales de operación, el voltaje no es constante en ningún punto de la red, por lo se debe garantizar la correcta operación del interruptor al voltaje nominal máximo o voltaje máximo de diseño.
TABLA 2.1 VOLTAJES NOMINALES Y VOLTAJES MAXIMOS DE DISEÑO (IEC)
VOLTAJE NOMINAL (KV),
VOLTAJE MAXIMO DE DISEÑO (KV)
2.2 2.2
4.16 4.16
13.8 15.5
23.0 24.6
34.5 38.0
69.0 72.5
115.0 123.0
138.0 145.0
161.0 170.0
230.0 245.0
400.0 420.0
Tabla 2.2 Valores recomendados de elevación de temperatura
COMPONENTE TEMPERATURA MÁXIMA
CONTACTOS Temperatura total (°C) Elevación de temperatura con temperatura ambiente menor a 40°C (°C)
En aire 75 35
En SF6 105 65
Cobre sin recubrimiento
En aceite 80 40
En aire (notas 1.2) 105 65
En SF6 105 65
De plata, niquelados o plateados
En aceite (nota 2) 90 50
En aire 90 50
En SF6 90 50
Estañado
En aceite 90 50
CONEXIONES
En aire 90 50
En SF6 115 75
Cobre
En aceite 100 60
En aire 115 75
En SF6 115 75
De plata, niquelados o plateados
En aceite 100 60
En aire 105 65
En SF6 105 65
Estañado
En aceite 100 60
TERMINALES EXTERNAS A CONDUCTORES
Sin recubrimiento 90 50
Plata, níquel o estañadas 105 65
PARTES METALICAS QUE ACTÚAN COMO RESORTE Ver nota 4 Ver nota 4
MATERIALES AISLANTES (nota 5)
Clase Y (materiales no impregnados) 90 50
Clase A (materiales impregnados o sumergidos en aceite) 105 65
Clase E 120 80
Clase B 130 90
Clase F 155 115
Clase H 180 140
Base aceite 100 60
Sintético en aire 120 80
Esmalte
Sintético en aceite 100 60
METAL O MATERIAL AISLANTE EN CONTACTO CON ACEITE,
EXCEPTO CONTACTOS 100 60
N OTAS DE LA TABLA 2 .2
1) Cuando se aplica una elevación de temperatura de 65°C se debe asegurar que no se ha causado daño a los materiales aislantes adyacentes.
2) La calidad de la cubierta de plata será de tal clase que después de las pruebas de cortocircuito y mecánicas, todavía tenga una capa de plata en los puntos de contacto y debe considerarse como “NO CUBIERTO DE PLATA".
3) Los valores de temperatura y de elevación de temperatura son válidos para conductores con o sin recubrimiento.
4) La temperatura no debe alcanzar un valor donde se afecte la elasticidad del material (reblandecimiento). Para cobre puro el límite de temperatura es de 75°C.
5) Se utilizan las siguientes clases de materiales aislantes: CLASE "Y" (90 °C) Algodón, seda y papel sin impregnación.
CLASE “A” (105 °C) Algodón, seda y papel impregnados, cubiertos o sumergidos en un líquido dieléctrico como el aceite. CLASE “E” (120 °C) Barnices de terminación e impregnación, compuestos de poliuretano, compuestos epóxicos y resinas. CLASE “B” (130 °C) Mica, fibra de vidrio, asbesto, etc., o combinación de ellos, construidos con varias sustancias orgánicas. CLASE “F”(155 °C) Mica, fibra de vidrio construidos con varias substancias de otros materiales no necesariamente inorgánicos. CLASE “H” (180 °C) Nomex, Mylar laminado, mica, fibra de vidrio, barniz, resilam, DMD 180, Kapton, Pyromid, Pyroglas y Pyrolam.
2 . Frecuencia nom inal
La frecuencia nominal de un interruptor es la frecuencia de la red para la que el interruptor fue diseñado y a la que corresponden las otras características nominales. En nuestro país a partir de 1976 se normalizo 60 hertz.
3 . Capacidad nom inal de int errupción, sim ét rica y a sim ét rica.
Se define como la máxima intensidad de corriente, medida en el instante en que se separan los contactos, que puede ser interrumpida por el interruptor con una tensión de recuperación de frecuencia fundamental.
La capacidad nominal queda definida por dos valores:
La capacidad int errupt iva sim ét rica, Expresada por el valor eficaz (rm s) de la componente de corriente alterna de la corriente total interrumpida por el interruptor. Y se obtiene con la sig. Formula:
4 . Tensión t ransit oria de rest ablecim ient o ( TTR)
Es el límite de la TTR prevista de los circuitos que el interruptor debe poder interrumpir en caso de un cortocircuito en sus terminales. La forma de onda de las TTR varía de acuerdo con la configuración de los circuitos.
5 . Corrient e nom inal de t iem po cort o o m áxim a duración del cort o circuit o
Es el tiempo máximo de sostenimiento de la corriente de corto circuito para el cual fue diseñado el interruptor.
6 . N ivel Básico de Aislam ient o al I m pulso ( N BAI )
Este requerimiento está basado en el hecho de que las sobretensiones producidas por rayos son una de las causas principales de salidas del sistema y de fallas en el equipo de potencia. La magnitud y la forma de la onda del impulso dependen del nivel de aislamiento de la línea y de la distancia entre el punto de origen del impulso y el punto de la línea que está bajo consideración.
7 . Secuencia nom inal de operación.
La secuencia nominal de operación de un interruptor de potencia consiste en una serie de operaciones de apertura (desconexión) y cierre (conexión) o ambas a la vez. Los tiempos asociados a las maniobras son de gran importancia, tanto desde el punto de estabilidad del sistema, como desde de las condiciones por calentamiento severo de los contactos. Mientras más tarde el interruptor en despejar la corriente de falla, mayor será el daño que la misma causará al sistema o así mismo.
2 .4 TAREAS FUN DAMEN TALES DE LOS APARATOS DE CORTE
Se requiere que cualquier aparato de corte, sin considerar su aplicación, efectué cuatro operaciones fundamentales:
1. Cerrado, debe de ser un conductor ideal
2. Abierto, debe ser un aislador ideal
3. Cerrado, debe de ser capaz de interrumpir la corriente a la que fue diseñado, rápidamente y en cualquier instante, sin producir sobretensiones peligrosas que afecten al sistema
2 .5 PRI N CI PI O DE OPERACI ÓN DEL I N TERRUPTOR
La operación de los contactos de un interruptor se realiza por medios mecánicos.
Cuando los contactos se separan se forma un entrehierro entre ellos, constituido de un medio dieléctrico e interruptivo (aire, gas SF6, vacío, aceite). En este medio se forma
el arco eléctrico, a través del cual la corriente fluye de un contacto a otro. En este 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 e interruptivo, cuando se logra disminuir la conductividad de esta trayectoria hasta extinguir el arco, la corriente deja de fluir.
Por lo tanto, la interrupción de un circuito eléctrico comprende dos pasos consecutivos:
En el primero se consigue intercalar un entrehierro a la trayectoria original, y el segundo, consiste en eliminar la conductividad del entrehierro. El principio fundamental de este proceso es la velocidad de restablecimiento del medio dieléctrico en el entrehierro. Para un entrehierro con un medio aislante gaseoso, el gas es semiconductor a altas temperaturas y en función de su enfriamiento se vuelve aislante.
2 .6 MÉTODOS DE EXTI N CI ÓN DEL ARCO ELÉCTRI CO
En términos generales, se conocen tres métodos de extinción del arco eléctrico en los interruptores:
• Interrupción por alta resistencia.
En este caso, el objetivo es incrementar la resistencia del arco en función del tiempo y reducir la corriente hasta lograr la extinción. La desventaja principal de este método de interrupción es la gran cantidad de energía disipada, por lo tanto, sólo se usa en interruptores de baja y mediana tensión, así como en interruptores de corriente directa [4].
• Interrupción por baja resistencia.
Figura 2.3 Comportamiento del arco en c.a. (histéresis del arco)
• Interrupción en vacío
El vació tiene dos propiedades sobresalientes:
1).- Rigidez dieléctrica mayor que cualquier otro medio, y
2).- Cuando se interrumpe un circuito de CA mediante la separación de contactos en vació, la interrupción ocurre en el primer cruce por cero de la onda de corriente, presentándose inmediatamente un incremento de rigidez dieléctrica a través de los contactos, mucho mayor a la del interruptores en aire, gas SF6 o aceite.
2 .7 TÉCN I CAS PARA AUMEN TAR LA RESI STEN CI A DEL ARCO
Para incrementar la resistencia del arco se emplean las técnicas siguientes:
Elongación del arco. Como la resistencia del arco es aproximadamente proporcional a su longitud, alargando el arco su resistencia aumenta, ver Fig. 2.4
Enfriam ient o del arco. La tensión requerida para mantener la ionización aumenta cuando la temperatura disminuye, por lo que enfriándolo su resistencia aumenta, ver Fig. 2.5
Figura 2.5 Representación esquemática de la técnica de enfriamiento del arco en un interruptor neumático
[image:25.612.230.408.421.593.2]División del arco. Cuando se establece un arco, existe una tensión apreciable entre las superficies de los contactos. Si el arco se divide en arcos pequeños, en serie, se reduce la tensión de la columna, ver Fig. 2.6
Figura 2.6 Representación esquemática de la división del arco.
Figura 2.7 Representación esquemática de la contricción del arco
2 .8 EL CI RCUI TO PRI N CI PAL
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 éste conjunto está contenido dentro de un recipiente que los mantiene ensamblados. En el caso de los Interruptores tanque vivo este contenedor es de porcelana (llamado cámara interruptiva); y en el caso de los 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.
Los interruptores en vacío, carecen de contactos auxiliares de arqueo.
Figura 2.8 Contactos principales de un interruptor de SF6 [14]
Contacto fijo
Contacto fijo Contacto móvilContacto móvil
Partes cámara de extinción Partes cámara de extinción
Un elemento importante a considerar es el a isla m ie nt o int e r no y a t ie r r a. El aislamiento interno, es el medio aislante que existe entre los contactos cuando están separados, en posición de abiertos, 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 encuentre abierto.
El aislamiento a tierra, es el medio aislante que existe entre el circuito principal y la referencia de tierra. Dicho aislamiento, además de evitar la fuga de energía a tierra, permite que el personal esté expuesto a niveles de tensiones no soportables por el ser humano.
2 .9 EXTI N CI ÓN EN CORRÍ EN TE ALTERN A
La extinción del arco eléctrico en corriente alterna está relacionada con el cruce por cero de la corriente. La recuperación de la rigidez dieléctrica del entrehierro, inicia en el momento en que el arco se extingue (cuando la corriente cruza por cero). La rigidez crece linealmente en función del tiempo, hasta alcanzar su estabilización.
suelen tener reactores en derivación o bancos de capacitores en serie. Además, la desconexión de un transformador operando en vacío representa una inductancia.
En los circuitos inductivos o capacitivos, el cruce por cero de la corriente coincide, según el caso, con el valor máximo de la tensión. En este tipo de circuitos es común que se presenten reencendidos. Esto se debe al extinguirse el arco al cruzar la corriente por cero, la tensión del circuito excede a la tensión de recuperación.
Estos circuitos tienen un comportamiento oscilatorio por la presencia simultánea de inductancias y capacitancias. La tensión transitoria tiende a oscilar y puede alcanzar a la tensión de recuperación. Sin embargo, la mayoría de las veces se logra la de-ionización del entrehierro y, por lo tanto, la interrupción exitosa [5].
Figura 2.9 Comportamiento de las tensiones durante el proceso de interrupción
2 .1 0 PROCESO DE CI ERRE
Los interruptores deben cerrar e interrumpir los circuitos, esto puede ocasionar ciertos problemas, particularmente, si el interruptor cierra en condiciones de falla.
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 máximo de la 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.
El caso más crítico se presenta cuando el interruptor cierra en condiciones de falla de máxima asimetría [5].
2 .1 1 PROCESO DE APERTURA
Si estando cerrado el interruptor se desea interrumpir el circuito, se libera el mecanismo de apertura el cual permite que los contactos principales se separen. La separación de los contactos genera el arco eléctrico.
La potencia de corto circuito que el interruptor es capaz de interrumpir, está dada por el producto de la corriente de corto circuito simétrica y la tensión de restablecimiento, un ciclo después de la interrupción.
El tiempo de interrupción está dado desde el momento en que se energiza la bobina de apertura hasta la extinción del arco eléctrico. Este tiempo consta de 2 partes: el tiempo propio desde la energización de la bobina de apertura hasta la separación física de contactos y el tiempo de arco y se expresa en milisegundos o en ciclos.
La interrupción de la corriente consiste en convertir un espacio altamente ionizado en el entrehierro en un buen aislante con el objeto de que la corriente no fluya a través de él. A medida que la corriente senoidal se aproxima al cruce por cero, el medio aislante ionizado pierde rápidamente temperatura con lo que recupera sus condiciones aislantes. En esta última condición aparece la tensión del sistema en las terminales del interruptor. La velocidad de transición del medio aislante depende de los parámetros eléctricos de la red.
2 .1 2 CARACTERÍ STI CAS N OMI N ALES
Las características nominales de un interruptor de potencia están establecidas en las normas nacionales e internacionales aplicables. Estos parámetros nominales se consideran los límites mínimos de funcionamiento que el dispositivo debe cumplir. Tales límites se aplican solamente dentro de condiciones de operación específicas.
Para este caso se consideraron las características nominales más importantes contenidas en las especificaciones CFE-V5000-01, que están inscritas en la placa de datos de los interruptores de potencia y otras características, de valor conceptual importante, mencionadas en las normas IEC, ANSI y en las Normas NMX [5].
Las características nominales más importantes de un interruptor son las siguientes:
a) Tensión nominal y tensión máxima de diseño. b) Corriente nominal.
c) Frecuencia nominal.
d) Presión nominal de operación del gas para maniobra e interrupción. e) Capacidad interruptiva nominal.
f) Capacidad de cierre o de conexión nominal. g) Corriente nominal de tiempo corto.
h) Secuencia de operación nominal.
Asimismo, existen otros parámetros de importancia que pueden ser tomados como nominales para cada equipo. Entre estos parámetros se tienen:
a) Tensión transitoria de restablecimiento (TTR) nominal por falla en terminales. b) Corriente capacitiva nominal de interrupción.
c) Nivel básico se aislamiento al impulso (NBAI). d) Niveles de contaminación.
2 .1 3 TI POS DE I N TERRUPTORES
Los interruptores se pueden clasificar de acuerdo al: nivel de tensión, lugar de instalación, características externas de diseño, mecanismo de accionamiento y método y medio usado para la interrupción de la corriente.
Tipos de int errupt ores por nivel de t ensión
a) Interruptores de baja tensión, son los diseñados para usarse en tensiones de hasta 1000 volts
Cada uno de esos grupos puede subdividirse. Para el caso de los interruptores de alta tensión estos se subdividen en interruptores de 123 kV y mayores e interruptores de 72.5 kV y menores. Frecuentemente, estos dos grupos son relacionados como interruptores para transmisión e interruptores de distribución respectivamente.
I nt errupt ores por lugar de inst alación
Los interruptores de alta tensión pueden ser usados en instalaciones tipo interior y tipo exterior o intemperie. La única diferencia entre los interruptores tipo interior y tipo exterior es la envolvente externa o gabinete.
I nt errupt ores por caract eríst icas ext ernas de diseño
Desde el punto de vista de su diseño físico estructural, los interruptores para intemperie pueden ser clasificados como interruptores de tanque muerto e interruptores de tanque vivo.
Los interruptores de tanque muerto están definidos por las normas ANSI como un dispositivo de desconexión en el cual la envolvente o tanque está sólidamente aterrizada y aloja las cámaras interruptivas y el medio aislante en la parte inferior del interruptor.
[image:31.612.220.410.429.679.2]El interruptor de tanque vivo está definido como un dispositivo de desconexión, en el cual las cámaras interruptivas se encuentran soportadas en columnas aislantes y éstas quedan aislando la parte energizada del potencial a tierra [5]. En la figura 2.12 se observa un interruptor de tanque vivo.
Figura 2.12 Interruptor tipo T hidráulico de tanque vivo, con medio de extinción de SF6.
I nt errupt ores por m ecanism o de accionam ient o
Los principales mecanismos de accionamiento utilizados en interruptores son los siguientes:
- Mecanismo de accionamiento a resorte - Mecanismo de accionamiento neumático - Mecanismo de accionamiento hidráulico - Accionamiento con gas dinámico
I nt errupt ores por m ét odo y t ipo de m edio de int errupción
• De aire, la energía del arco se disipa por enfriamiento de 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 se disipa aplicando una fuerte inyección de aire comprimido
• De vacío, la energía del arco es disipada al mantener en el estado de vapor los materiales metálicos provenientes de los contactos.
2 .1 4 MEDI OS DE EXTI N CI ÓN DEL ARCO ELÈCTRI CO
El m edio de ext inción es aquel elemento del interruptor donde se desarrolla la dinámica del arco eléctrico, que se presenta al separarse mecánicamente los contactos.
En este caso se dará prioridad a los interruptores de hexafluoruro de azufre (SF6) y de
soplo de aire, que son los dos tipos de interruptores que están presentes en este proyecto, ver Fig. 2.13
Figura 2.13 Curvas de la tensión de ruptura de la rigidez dieléctrica entre dos contactos
[image:33.612.175.416.293.507.2]2 .1 5 I N TERRUPTORES DE SOPLO DE AI RE ( N EUMATI CO)
En estos se requiere de la utilización de energía exterior para soplar y apagar el arco. Todos los interruptores de soplo de aire siguen el principio de separar sus contactos en una corriente de aire que se establece al abrir una válvula de soplado. El arco generalmente se sitúa con rapidez en un lugar central a través de una boquilla en la que se mantiene a una longitud fija y se sujeta a un arrastre máximo que ejerce la corriente de aire. Los arreglos varían, pero pueden agruparse en tres tipos, como se ilustra en la Fig. 2.14
Figura 2.14 Disyuntores de soplo de aire
En los interruptores de soplo de aire o neumáticos, además de que utilizan la propiedad que tiene el aire comprimido para extinguir el arco al expandirse, también se le emplea para el mando de ellos mismos. El corte del arco por aire comprimido puede utilizarse para todas las tensiones y para todas las potencias de ruptura.
2 .1 5 .1 PRI N CI PI O DE OPERACI ÓN
En todos los diseños de interruptores de soplo de aire el proceso de interrupción se inicia con la formación del arco entre dos contactos, y simultáneamente con la apertura de una válvula neumática que permite un flujo turbulento de aire a alta presión que alarga la columna del arco, sometiéndola a los efectos de enfriamiento del flujo de aire.
El aire comprimido arrastra al arco a través de la tobera y ésta ayuda a expulsar el aire caliente y los productos del arqueo, hacia la atmósfera.
ocasionado por la interposición de la capa aislante de aire entre los contactos, puede ser pequeño, lo que reduce el tamaño del dispositivo. La energía suministrada para la extinción del arco se obtiene del aire a alta presión y es independiente de la corriente que se va a interrumpir. [5]
2 .1 6 I N TERRUPTORES EN H EXAFLUORURO DE AZUFRE ( SF6)
En este tipo de interruptores también se utiliza la energía exterior para soplar y apagar el arco. A partir de 1975, se instalan en nuestro país los primeros interruptores que utilizan el gas SF6 como medio de aislamiento y extintor de arcos eléctricos. Hasta la fecha, este es el único gas que posee las propiedades físicas, químicas y dieléctricas favorables para la extinción del arco eléctrico, motivo por el cual se analizan brevemente sus propiedades más sobresalientes. Los interruptores en hexafluoruro de azufre, se pueden dividir de la siguiente manera:
INTERRUPTORES EN GAS SF6 DE UNA PRESION (AUTOSOPLADO)
Como su nombre lo indica, estos interruptores utilizan una sola presión (por lo general de tres a siete bars). Algunas modalidades constructivas emplean con gran acierto el movimiento del contacto móvil para crear una presión elevada y momentánea durante el proceso de la maniobra.
El interruptor en SF6, tipo monopresión, se emplea satisfactoriamente hasta tensiones de 525 KV. En las subestaciones encapsuladas se le usa en forma exclusiva.
INTERRUPTOR EN SF6 DE DOS PRESIONES
Estos interruptores consisten básicamente en un aislamiento a base de SF6, el cual garantiza el aislamiento contra tierra de las partes energizadas, con una presión comprendida entre 3 y 6 Bars, y de una presión superior (hasta 18 y 22 Bars), la cual se utiliza en la cámara de extinción para combatir el arco eléctrico.
INTERRUPTORES EN GAS SF6 (CON CAMARA RUPTORA DE AUTOCOMPRESIÓN DINÁMICA)
Este tipo de interruptor en gas SF6 es la tecnología más reciente, la diferencia básica en comparación con los diseños anteriores es que en estos tienen la particularidad de retraer el contacto fijo de arqueo en la fase final del movimiento de apertura. Y al cierre regresar a su posición original.
2 .1 6 .1 . HEXAFLUORURO DE AZUFRE
El SF6 es un compuesto químico sintético muy estable, de alta densidad, no tóxico, no
inflamable, considerado como no biodegradable, con excelentes propiedades dieléctricas. Presenta la siguiente estructura química mostrada en la Fig. 2.15
Figura 2.15 Estructura química del SF6
Sintetizado por primera vez en 1890, Se obtiene a partir de una reacción electrolítica: S + 3 F2 → SF6 + 262 kcal
Subproductos de reacción:
Fluoruros de azufre de valencia inferior, tales como: SF4, SF2, S2F2, S2F10 [1]
PROPIEDADES FISICAS
Puesto que su temperatura crítica es de -45.6 °C, puede ser licuado por compresión a temperatura ambiente. En la Fig. 2.16 se observa el efecto que ejerce la temperatura sobre la presión del SF6. [5]
Fig. 2.16 Variación de la presión del SF6 en función de la temperatura
PROPIEDADES QUÍMICAS
El SF6 es químicamente estable hasta los 2000 °C, condición bajo la cual no reacciona con metales, plásticos u otros materiales, normalmente utilizados en la construcción de los interruptores. A la temperatura del arco eléctrico, el gas SF6 se descompone en fluoruros de azufre inferior, pero el grado de descomposición es muy pequeño, que generalmente se recombinan para formar SF6. Durante el paso del arco, se producen fluoruros metálicos, los cuales se depositan como polvo blanco, pero debido a que poseen una gran rigidez dieléctrica, no causan perturbación desde el punto de vista eléctrico.
Los productos de descomposición, reaccionan con el vapor de agua y el oxígeno, produciendo ácidos que reaccionan con los componentes de la cámara, por ejemplo con los contactos de cobre-tungsteno, con el teflón de las toberas y empaquetaduras. [5]
PROPIEDADES DIELÉCTRICAS
La rigidez dieléctrica del SF6, a presión atmosférica es más del doble de la del aire, la rigidez dieléctrica es un 30% menor que la del aceite a presión atmosférica, pero aumenta rápidamente con el incremento de la presión. La rigidez dieléctrica del SF6 es
movilidad, es decir, energía cinética insignificante de estos iones negativos, se puede afirmar que los electrones capturados dejan de participar en el proceso de ionización del medio. Es esta cualidad excepcional del SF6, la que le otorga sus excelentes propiedades dieléctricas y también su gran poder de extinción del arco, ya que su carácter electronegativo se mantiene aun a temperaturas muy elevadas (varios miles de °K).También el SF6 tiene una característica térmica favorable que es función de la temperatura, es decir, la conductividad térmica es baja, entre 3000 °K y 7000 °K, mientras que es alta debajo de 3000 °K. [5]
2 .1 6 .2 PRI N CI PALES USOS DEL SF6 POR LA I N DUSTRI A ELÉCTRI CA
Es un gas inerte químicamente estable, no tóxico, no inflamable, incoloro e inodoro, se utiliza como aislamiento en equipos como interruptores (volumen mínimo) y subestaciones aisladas en gas SF6 (gran volumen).
Otra función es la de extinguir el arco eléctrico durante la interrupción de corrientes (involucra volumen mínimo de SF6). Este proceso se efectúa esporádicamente y en
periodos de corta duración (aprox. 50 milisegundos). Los procesos de llenado, vaciado y tratamiento, del gas SF6 se hacen mediante equipos especiales que evitan fugas de
gas al medio ambiente. Además del aire atmosférico el Hexafluoruro es preferido por la industria eléctrica para el aislamiento eléctrico y para la extinción del arco eléctrico y la interrupción de corriente en equipo usado en la transmisión y distribución de la energía eléctrica.
Generalmente existen cuatro tipos de equipos que utilizan SF6 para su aislamiento y/o propósito de interrupción:
Interruptores de circuitos aislados en gas y equipo para interrupción de corriente, transformadores aislados en gas, líneas de transmisión aisladas en gas y subestaciones encapsuladas en SF6. Se estima que para estas aplicaciones la industria utiliza cerca del 80% del gas producido mundialmente, siendo la aplicación en interrupción de circuitos la que lleva el mayor porcentaje.
Este ofrece un ahorro considerable en el uso de terreno, estéticamente aceptable, tiene emisiones de ruido muy bajas y permite la instalación de subestaciones en ares pobladas cercanas a la carga por ser de un tamaño pequeño.
Figura 2.17 Interrupción de circuitos en alta tensión
Figura 2.18 Aislamiento de subestaciones encapsuladas en SF6
2 .1 7 MECAN I SMOS DE OPERACI ÓN
Mecanismo de accionamiento de un interruptor, se considera al conjunto de elementos electromecánicos que permiten almacenar y disponer energía, útil para transmitir un movimiento, logrando posiciones finales de los contactos de potencia, ya sea abierto o cerrados dentro de valores de tiempo de maniobra especificados, que favorezcan la operación correcta del equipo.
Resorte
El accionamiento a base de resorte de un interruptor de potencia contiene los siguientes elementos Fig. 2.19:
• Fuente de energía, a través de motor eléctrico en sistema reductor de velocidad formado por corona y tornillo sin fin.
• Acumulador de energía a base de resortes.
• Dos mecanismos, uno de cierre y otro de apertura. que retienen la energía proporcionada por los resortes automáticamente y la liberan a voluntad, bien por control local manual, ó bien a distancia, eléctricamente mediante electroimanes.
• Elemento amortiguador, hidráulico generalmente que después de las maniobras del interruptor absorbe la energía sobrante, producto de la inercia de los resortes.
• Elemento de protección y control mecánico que impiden maniobras falsas, tales como maniobra de cierre durante el período de tensado de los resortes de mando, límites de carrera de tensado de los resortes, inversión de giro de la manivela cuando se desea tensar el resorte manualmente.
[image:40.612.231.437.414.672.2]• También cuenta con elementos que automáticamente obligan de nuevo al tensado del resorte (por motor) inmediatamente después del cierre del interruptor, dejando el mando dispuesto en pocos segundos para realizar una maniobra de cierre.
Neum ático
Las partes principales de un sistema de accionamiento neumático son las siguientes:
• Fuente de energía formada por un grupo motor-compresor.
• Depósito de almacenamiento de aire comprimido.
• Conjunto principal de accionamiento: válvulas de accionamiento, válvulas de conexión, válvulas de desconexión, émbolo de accionamiento, etc
• Electroimanes de conexión y desconexión.
• Elementos de control y protección para la operación integral del interruptor.
• Elementos para señalización de posición del interruptor.
Los mecanismos neumáticos son los usados comúnmente en interruptores de soplo de aire, debido a que usan aire comprimido como medio aislante e interruptivo. Esto no significa que este tipo de mecanismos se usen sólo en este tipo de interruptores, ya que también se usan para operar interruptores en aceite y en SF6. Esos mecanismos generalmente abren y cierran neumáticamente y en algunos casos hay solamente una conexión neumática entre mecanismos y contactos en lugar de conexiones sólidas.
Para el cierre de contactos se aplica aire a alta presión en el pistón a través de una válvula de tres vías. El pistón se mueve hacia arriba transmitiendo la fuerza de cierre a través del varillaje del mecanismo.
La apertura del interruptor se realiza a través de la energización de un solenoide de disparo que libera el trinquete de disparo provocando la descarga de los resortes de apertura que hacen que los contactos se abran.
Hidráulico
Un sistema de accionamiento hidráulico consta de los siguientes elementos:
• Cilindro de doble efecto diferencial (2), en el cual el lado de menor superficie está de manera permanente en comunicación con el acumulador de energía (1).
• Fuente de energía compuesta por grupo moto-bomba hidráulica (4).
• Acumulador de energía (1).
• Válvula principal de conmutación (3) para control de la posición del interruptor.
• Conjunto de electroimanes de cierre y disparo Y1, Y2 / Y3.
• Recipiente en aceite (5).
• Sistema de control y protección (6) del accionamiento hidráulico, así como para la integridad misma del interruptor.
• Señalizadores ópticos de la posición del interruptor.
[image:42.612.108.551.445.650.2]Se representa un circuito básico de accionamiento hidráulico en la Fig. 2.21
FUN CI ON AMI EN TO
Del acumulador hidráulico (1) parte una tubería de aceite sometida permanentemente a presión, que conduce al cilindro de accionamiento (2).
En el lado de desconexión del émbolo (2) existe siempre presión y en el lado conexión también se establece una presión conmutando la válvula principal (3); la fuerza ejercida para la conexión resulta de la diferencia entre las superficies sometidas a presión. La superficie del lado desconexión es menor que la del lado conexión, siendo la diferencia entre ambas igual a la sección del vástago del émbolo. Por tal razón, el interruptor está siempre dispuesto para abrir. Poco antes de alcanzar cada posición final se amortigua, por vía hidráulica, el movimiento de maniobra. Estos sistemas se proveen mediante válvulas esféricas auxiliares, de mando y principal, para asegurarse que durante el movimiento de maniobra ocurra cualquier interrupción o discontinuidad de las operaciones de conexión y desconexión.
Gas dinám ico
Cada polo del interruptor tiene un mecanismo de maniobra integrado, impulsado por gas SF6.El SF6 de alta presión de la cámara de interrupción se usa para aislar partes bajo
tensión, para extinguir el arco y para maniobrar el interruptor.
La energía de impulsión, que es necesaria para mover los contactos, es producida por la diferencia de presión entre los compartimentos de alta presión-cámara de interrupción (HP) y baja presión-compartimento del accionamiento (LP).
El SF6 “HP” se usa para mover un pistón que está conectado mecánica y axialmente al
contacto móvil del interruptor. Dos grupos de válvulas están diseñadas para permitir el flujo del SF6 presurizado sobre una de las caras del pistón de manera que realiza las
maniobras de abrir o cerrar el interruptor.
La caída de presión que aparece en la cámara de interrupción después de cada maniobra es compensada por un compresor hermético, que recolecta el SF6 en el
compartimento de LP y lo introduce en el compartimento de HP para restablecer la presión nominal.
Normalmente los volúmenes y presiones están proyectados para permitir, aún sin la contribución del compresor, un ciclo de maniobra acumulado A – CA – CA.
Está equipado con 3 contactos:
1. Contactor de arranque y paro del compresor
2. Contacto de bloqueo de cierre por baja presión (LP) 3. Contacto de bloqueo de apertura por baja presión (LP)
[image:44.612.144.497.210.453.2]Un densímetro es suficiente para controlar los compartimentos de polos (HP y LP) a partir del hecho que debe examinar una cantidad fija de gas introducido en el polo. Ver Fig. 2.22
Figura 2.22 Principio de maniobra de accionamiento de gas dinámico [14]
2 .1 8 TEN SI ÓN TRAN SI TORI A DE RESTABLECI MI EN TO
Inmediatamente después de la extinción del arco, se presenta una tensión entre los contactos, que trata de restablecer la conducción. A esta tensión se le ha designado como tensión de restablecimiento, y por ser de duración extremadamente corta, del orden de fracciones de ciclo, también se le denomina transitoria.
En ciertos casos, particularmente en las redes de tensión superior a 100 kV y para corrientes de cortocircuito relativamente pequeñas, comparadas con la corriente de cortocircuito máxima en el punto considerado, la TTR comprende un periodo inicial en el que la velocidad de crecimiento es elevada, y un periodo posterior durante el cual la velocidad de crecimiento es más reducida.
En otros casos, particularmente en las redes de tensión inferiores a 100 kV o bien en las redes de tensión superiores a 100 kV para corrientes de cortocircuito relativamente pequeñas respecto a la corriente de cortocircuito máxima, la TTR tiene una forma semejante a la de una oscilación amortiguada de una sola frecuencia.
2 .1 9 CON DI CI ON ES DE OPERACI ÓN
2 .1 9 .1 I N TERRUPCI ÓN DE CARGAS CAPACI TI VAS
Interrumpir este tipo de cargas puede ser difícil para el interruptor, por lo general estas cargas son generadas por: La carga de una línea larga o cable en vacío o la corriente de carga estática de un banco de capacitores, teniendo en la mayoría de los casos un valor máximo de unos cientos de amperes.
La corriente capacitiva es esencialmente interrumpida muy cerca del paso por cero de la misma, enseguida de que se separan los contactos del interruptor. Después de la interrupción, a la frecuencia nominal del voltaje alterno sobre el lado de la fuente, aparece en el interruptor una tensión de restablecimiento entre los contactos del mismo, el cual uno y medio ciclo después de la interrupción puede alcanzar valores de 2 a 3 veces el voltaje pico nominal de línea a tierra. Un rompimiento del dieléctrico entre los contactos durante este intervalo puede producir sobre voltajes transitorios.
A la apertura, la tensión de restablecimiento entre contactos es causada por la diferencia entre los voltajes de la fuente y la capacitancia desconectada.
La tensión de restablecimiento durante la apertura puede alcanzar valores de pico muy altos, sobre:
TTR= C ⎟⎟ V
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ 3 2 3
Siendo V el voltaje trifásico del Banco de Capacitores antes de la interrupción y C el valor del capacitor. El valor pico es obtenido medio ciclo después a la frecuencia de operación y puede exceder la rigidez dieléctrica entre los contactos, dando origen a un reencendido. Estos reencendidos son muy peligrosos porque pueden originar una serie de interrupciones y reigniciones con algunos incrementos de voltaje sobre el sistema en el lado carga hasta provocar la falla del aislamiento; cabe hacer mención que estas sobretensiones pueden limitarse mediante apartarrayos seleccionados adecuadamente. [5]
2 .1 9 .2 I N TERRUPCI ÓN DE CORRÍ EN TES I N DUCTI VAS
El término de corrientes inductivas incluye todas las corrientes que no exceden los rangos de corriente que los interruptores absorben por carga inductiva, la cual puede causar el fenómeno conocido como corriente de interrupción prematura (chopping) y reigniciones múltiples durante la interrupción, que consecuentemente darán picos de sobre voltajes y elevadas frecuencias. Los mejores ejemplos conocidos de pequeñas corrientes inductivas son las siguientes:
Corrientes magnetizantes de transformadores sin carga.
Corrientes de carga de motores de inducción y reactores shunt (Por ejemplo en reactores para la compensación de reactivos en el sistema)
Corrientes de carga de transformadores que alimentan a reactores shunt. Este grupo no incluye por otra parte, las corrientes de cortocircuito limitados por
transformadores que tienen valores más bajos que la corriente normal de cortocircuito. Estas corrientes no causan altos sobrevoltajes como resultado de las corrientes de interrupción. [5]
Cuando un interruptor abre un circuito con corriente magnetizante de un transformador sin carga o con corriente (absorbida) de un motor de inducción en vacío, puede ocasionar sobretensiones extremadamente altas en el lado carga del interruptor. Estas sobretensiones pueden generar descargas que, si ocurren sobre los aislamientos, pueden debilitarlos o provocar falla permanente. La falla permanente se puede manifestar en maniobras de cierre subsecuentes.
En la Fig. 2.24 se muestra el circuito equivalente de un transformador monofásico o un reactor.
Figura 2.24 Transformador o reactor monofásico
2 .2 0 CRI TERI OS DE APLI CACI ÓN
La función principal del interruptor es la de llevar la corriente nominal de carga, interrumpir el circuito con esta misma corriente y con la de corto circuito. Se deben de tener consideradas las características especiales que requieren algunas condiciones de interrupción del sistema, ya que pueden ser criticas en el momento de apertura con falla.
Se deben de tener presentes los requerimientos futuros del sistema, a fin de prevenir la sobrecarga de los circuitos, así como las Icc. El interruptor debe de ser diseñado a la frecuencia del sistema y el tiempo de interrupción debe de ser adecuado para proteger al equipo y mantener la estabilidad del sistema.
El lugar en donde se localizara el interruptor y donde operara, se deben de tomar en cuenta para una selección adecuada del interruptor.
CORRIENTES DE FALLA
El cálculo detallado de corrientes de falla nos dará el alcance del interruptor, los sistemas de potencia están sujetos a los siguientes tipos de falla:
Falla trifásica no aterrizada. Falla trifásica aterrizada
Falla fase a fase no aterrizada. Falla fase a fase aterrizada. Falla de fase a tierra
La falla trifásica no aterrizada crea la condición más severa para el interruptor. La primera fase del interruptor bajo esta condición tiene frecuencia nominal y la tensión de restablecimiento es del 87% del voltaje de fase a fase. Esto es únicamente el 58% para la falla trifásica a tierra. La falla de fase tierra puede producir una gran corriente de falla. Esto se debe considerar en la aplicación del interruptor. Para propósitos de aplicación, suponemos que el cortocircuito en el sistema puede producir el máximo desplazamiento de la onda de corriente.
Esto puede ocasionar un factor importante cuando el cálculo ha sido hecho para una falla cercana al elemento más grande de generación. El interruptor es diseñado para interrumpir en forma satisfactoria la relación de corriente asimétrica a corriente simétrica.
SOBRE VOLTAJES POR MANIOBRA
A los voltajes de transmisión de 362 KV y mayores, los sobre voltajes por maniobra generados por la energización y la reenergización a alta velocidad de líneas de transmisión en vacío por interruptores, introduce un factor importante en el diseño del aislamiento del sistema, los cuales son limitados por la inserción de resistencias que se intercalan en serie con la línea(Y en paralelo con la cámara) aproximadamente entre 9 y 12 milisegundos antes del cierre de sus contactos principales del interruptor.
Figura 2.25 Transitorio generado por el recierre de un interruptor en vacío
Otros efectos pueden tener lugar en la peor condición; la línea puede tener una carga mayor que 1.0 pu. al momento de energizarse y sucede el efecto Ferranti en líneas largas y el acoplamiento capacitivo de las fases adyacentes.
2 .2 1 MAN TEN I MI EN TO A I N TERRUPTORES DE POTEN CI A
El objeto del mantenimiento, es el de asegurar la máxima confiabilidad, disponibilidad y rentabilidad del interruptor para que cumpla con sus funciones operativas nominales, previniendo o corrigiendo cuando sea necesario, condiciones que pueden poner en riesgo la operación del mismo, del equipo o instalación al cual está asociado, así como a los equipos e instalaciones vecinas. Este mantenimiento será efectivo cuando el equipo cumpla con los requisitos de calidad desde su selección, especificación y construcción, complementándose con una adecuada puesta en servicio.
En los interruptores principalmente se realizan 3 tipos de mantenimiento: el preventivo, el correctivo y el predictivo.
MAN TEN I MI EN TO PREVEN TI VO.
cumpla con los requisitos de calidad desde su selección, especificación y construcción, complementándose con una adecuada puesta en servicio.
M AN TEN I MI EN TO CORRECTI VO.
Este mantenimiento no suele programarse y su principal característica es que suele presentarse cuando:
• El equipo ha estado sujeto a un mantenimiento preventivo incorrecto o faltante y por lo tanto dicho equipo pierde una o más funciones operativas que requieren restablecerse mediante la aplicación de este mantenimiento emergente.
• El equipo durante su operación fue sometido a esfuerzos que rebasaron sus capacidades nominales que originaron la pérdida de su confiabilidad o en determinado momento la falla de algún componente o función, y por lo tanto requiere se aplique una acción correctiva para restablecer su operatividad.
• El equipo está operando bajo una condición insegura que se ha determinado mediante experiencias que se tienen con equipos o condiciones similares recientes y que por lo tanto requieren de recursos no programados y en ocasiones emergentes para solventar los riesgos latentes en la instalación.
MAN TENI MI ENTO PREDI CTI VO.
También conocido como sintomático, tiene como fundamento las ventajas que pueden ofrecer
los dos tipos de mantenimiento anteriores, usando el análisis y el control de inspecciones
y pruebas periódicas, así como el historial de mantenimiento correctivo que se haya realizado.
Este tipo de mantenimiento requiere de pruebas más avanzadas para determinar con certeza el estado del interruptor, con el fin de lograr una correcta planeación y efectuar estrictamente los trabajos de manera oportuna y garantizar el buen funcionamiento del equipo.
Principalmente en un interruptor se llevan a cabo 4 pruebas:
• Resistencia de aislamiento
• Factor de potencia
• Resistencia de contactos
![Figura 2.2 Partes constitutivas de un interruptor de potencia con capacitor de gradiente y resistencias de preinserción [14]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4948237.74618/17.612.125.515.62.382/figura-constitutivas-interruptor-potencia-capacitor-gradiente-resistencias-preinsercion.webp)
![Figura 2.8 Contactos principales de un interruptor de SF6 [14]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4948237.74618/27.612.161.432.72.274/figura-contactos-principales-interruptor-sf.webp)
