ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
“
SIMULACIÓN DE INTERRUPTORES DE POTENCIA CON GAS SF
6EN
ATPDraw
”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
P
R
E
S
E
N
T
A:
CUACUAS GUTIÉRREZ JUAN HIRAM
ASESOR: DR. FERMÍN PASCUAL ESPINO CORTÉS
En un sistema eléctrico de potencia como el que se tiene hoy en día en México es de
suma importancia el contar con interruptores de potencia, capaces de soportar las
condiciones más severas de falla. Lo anterior con la finalidad no solo de proteger el
equipo tan costoso que se tiene conectado al sistema sino además de asegurar la
continuidad del servicio de energía eléctrica con los márgenes de calidad requeridos
mundialmente.
Los interruptores de potencia tienen la función de liberar fallas pero también sirven para
dar seguridad a las personas que se encargan de dar mantenimiento preventivo y
correctivo a las líneas de transmisión. Sería ideal que al desconectar una línea de
transmisión a través de un interruptor de potencia, ésta quedara simplemente
des-energizada y sin problemas, sin embargo, al abrir el circuito existe un reacomodo de la
energía almacenada en los diferentes elementos del sistema que genera procesos
transitorios que dan origen a sobretensiones o sobrecorrientes.
El análisis de transitorios electromagnéticos generados por maniobra de interruptores
resulta de gran ayuda para el proceso de diseño de los sistemas eléctricos de potencia.
Para lo anterior, el contar con modelos que representen de manera más exacta los
fenómenos electromagnéticos que toman lugar con la operación de interruptores es de
suma importancia.
En este trabajo se incorporan dos modelos de arco eléctrico en interruptores de
ii
medio extintor, en este caso el gas SF6. Las ecuaciones de los modelos de Mayr y
Cassie fueron incorporadas en ATPDraw a través de TACS (System Control Analysis
Transient).
Además de actualizar los modelos a una versión más reciente del ATPDraw, se
incorporó el re-cierre, una función fundamental en interruptores de potencia. Para lo
anterior las simulaciones se realizaron en el circuito de una línea de 400 kV que
actualmente está en funcionamiento.
Los resultados muestran el comportamiento de tensión y corriente que se registra
durante los procesos de apertura y cierre del interruptor en condiciones normales y de
corto circuito trifásico.
Finalmente los resultados obtenidos para los diferentes modelos de arco eléctrico en
interruptores con tecnología SF6 se compararon con los que se obtienen con el
iii
Agradecimientos
A Dios, por derramar abundancia de bendiciones en mi vida, sabiendo que tú das la sabiduría, y de tu boca nacen el conocimiento y la inteligencia. Proverbios. 2:6 Gracias por ayudarme a terminar este ciclo conforme a tus propósitos para mi vida. Porque grande es tu amor por mí, es tu amor que me protege, tu mano sobre mí, es tu amor que guarda hoy mi vida, es tu amor que me salvo. Te doy gracias por darme la oportunidad de terminar esta tesis que sin tu ayuda hubiese sido imposible la culminación de la misma.
A Jesús, por amarme tanto y dar tu vida por mí, por sanarme de toda enfermedad y quitar de mi toda iniquidad, gracias Señor por dar el tiempo necesario para que yo concluyera la licenciatura y proseguir a la meta, sabiendo que tú estás conmigo y que puedo confiar en ti. Gracias por perfeccionar tu propósito en mí.
iv
A Juan Cuacuas Olmos, mi padre, que ha estado conmigo desde el inicio de vida en la tierra, que ha sustentado todas mis necesidades, y que gracias a sus consejos eh podido terminar esta etapa de mi vida, ya que ha estado al pendiente de ella en todo momento.
A Socorro Gutiérrez Villafaña, mi madre, que con amor, paciencia y tolerancia a sabido conducirme por caminos rectos, enseñándome a ser un hombre de bien que sirva para cosas productivas y sobre todo por darme la oportunidad de estudiar, dejando muchas cosas con el propósito de hacerme obtener un grado mas de estudios.
A Socorro Catalina Cuacuas Gutiérrez, mi hermana, porque con su temperamento decisivo es para mí, ejemplo para no quedarme en mediocridad, sino buscar lo mejor cada día.
A Diana Jennifer Gutiérrez Villafaña, mi hermana, porque con su amor a los estudios académicos infunde en mi un deseo de seguir superándome, demostrando que cuando se quiere se puede lograr los deseos del corazón.
v
A Ulises Portillo González, Yara Cynthia Cuacuas Gutiérrez y Paola Jocelyn Portillo Cuacuas, porque esta familia ha traído mucho bendición a mi vida y con su ejemplo nos ha enseñando a seguir adelante y no dejar los estudios truncos sino, seguir adelante a pesar de circunstancias difíciles.
A Saúl Gutiérrez Villafaña, Maribel Valderrama y Natalie Gutiérrez Valderrama, porque esta familia ha estado incondicionalmente conmigo, impulsando y dando alientos para proseguir a la realización de esta tesis.
A Isis Inna Ivethe Rodríguez González, mi novia, por ser una gran bendición, que día a día con amor me enseña a explotar lo mejor de mí, exhortándome a seguir siempre adelante y no conformarme con los logros obtenidos. Por ser una persona importante en el desarrollo de esta tesis.
A Carlos Rodríguez Díaz, Guadalupe González Zúñiga, Jorge Luis Rodríguez González, porque esta familia me apoyado incondicionalmente, sin esperar nada a cambio, enseñándome que Dios está conmigo y que no hay barrera alguna que pueda detenerme siempre y cuando este en presencia de Jesús el redentor.
vi
A Juan Carlos Coria, Alma Idalia Rodríguez González y Keila Coria Rodríguez, porque esta familia me ha enseñado que Dios quiere lo mejor para mí, que El siempre me lleva de victoria en victoria, y por estar al pendiente de este trabajo.
Al Instituto Politécnico Nacional que atreves de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, me ha permitido estudiar dentro de sus instalaciones, apoyándome con una educación gratuita, pero sobre todo de reconocimiento mundial, por prepararme en muchas áreas de conocimiento para poder abrirme paso en un mundo competitivo donde la preparación académica es de vital importancia.
Al Dr. Fermín Pascual Espino Cortes, porque gracias a su tiempo invertido y el exhortarme a terminar bien este trabajo de tesis, apoyándome para poder presentar un trabajo que contenga calidad, y sobre todo por enseñarme a estar orgulloso de mí trabajo.
Al Dr. Pablo Gómez Zamorano, que aunque a distancia, sus consejos fueron valiosos y de mucha ayuda para el desarrollo de este trabajo de tesis.
Al M en C Jahel Hernández Ángeles, por su apoyo durante el proceso de investigación en este proyecto de tesis.
vii
Al M en C Carlos Ramírez Pacheco, por sus asesorías importantes para el desarrollo de la programación de los interruptores en este trabajo de tesis.
Al M en C Gilberto Enríquez Harper, por permitirme realizar prácticas profesionales en la Unidad de Ingeniería Especializada de la Comisión Federal de Electricidad, lugar donde se ponen a prueba el conocimiento adquirido en las aulas de clase y sobre todo por los conocimientos adquiridos en el este lugar.
A la Comisión Federal de Electricidad por permitirme realizar mi servicio social y prácticas profesionales dentro de sus instalaciones, enseñanza fundamental para la realización de este trabajo de tesis.
viii
Índice
Resumen ... i
Índice ... viii
Lista de figuras ... xi
Lista de tablas ... xv
Glosario ... xvi
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ... 1
1.1 Generalidades. ... 1
1.2 Planteamiento del Problema. ... 3
1.3 Objetivos. ... 5
1.4 Justificación. ... 6
1.5 Estado del Arte. ... 7
1.6 Alcances y Limitaciones ... 10
1.7 Estructura de la Tesis. ... 11
CAPÍTULO 2: EL ARCO ELÉCTRICO ... 12
2.1 Introducción. ... 12
2.2 Arco Eléctrico en el Interruptor de Potencia. ... 13
2.3 Re-Ignición del Arco Eléctrico. ... 15
2.4 Re-Encendido del Arco Eléctrico. ... 15
2.5 Importancia Sobre el Estudio del Arco Eléctrico. ... 16
2.6 Modelos de Arco Eléctrico. ... 17
2.6.1 Modelo de A. M. Cassie. ... 17
2.6.2 Modelo de Mayr. ... 18
ix
2.8 Parámetros Importantes en el Uso de los Modelos de Arco Eléctrico. ... 22
CAPÍTULO 3. INTERRUPTORES DE POTENCIA. ... 25
3.1 Introducción. ... 25
3.2 Medio de Extinción para el Arco Eléctrico. ... 27
3.3 Mecanismos de Operación. ... 28
3.4 Aguante Eléctrico y Mecánico. ... 29
3.5 Interruptores que Utilizan la Tecnología del Gas SF6. ... 30
3.5.1 Descomposición del Gas SF6. ... 31
3.5.2 Características Físicas y Eléctricas del Hexafluoruro de Azufre. ... 32
3.5.3 Contaminación del Gas SF6. ... 33
3.5.4 Normas que Rigen al SF6... 33
3.5.5 Primer Interruptor con Gas SF6. ... 34
3.6 Primera Generación de Interruptores en SF6. ... 35
3.6.1 Interruptores de un Soplo una Presión. ... 35
3.6.2 Interruptores de Soplo. ... 36
3.6.3 Interruptores de Auto Soplado ... 37
3.7 Segunda Generación de Interruptores en SF6. ... 37
3.8 Tercera Generación de Interruptores en SF6. ... 38
3.9 Re-cierre Automático. ... 40
3.10 Re-cierre del Interruptor. ... 41
3.11 Tiempos de Operación. ... 42
3.12 Efectos Causados por la Interrupción de Corriente... 44
3.13 Transitorios. ... 44
x
CAPÍTULO 4. IMPLEMENTACIÓN Y SIMULACIÓN DE MODELOS DE ARCO
ELÉCTRICO EN ATPDRAW. ... 46
4.1 Introducción. ... 46
4.2 Implementación del Modelo de Arco Eléctrico Propuesto por Cassie. ... 47
4.3 Implementación del Modelo de Arco Eléctrico Propuesto por Mayr. ... 52
4.4 Modelo de Cassie-Mayr. ... 56
4.5 Línea de Transmisión San Jerónimo-Ortiz. ... 59
4.6 Simulación de los Interruptores de Potencia para Diferentes Condiciones de Operación. ... 62
4.6.1 Apertura del Interruptor de Potencia (ideal, Cassie, Mayr, Cassie-Mayr). ... 62
4.6.2 Apertura del Interruptor de Potencia (ideal, Cassie, Mayr y Cassie-Mayr) en Condición de Falla Monofásica a Tierra ... 76
4.6.3 Apertura de un Interruptor de Potencia ( Ideal, Cassie, Mayr, Cassie-Mayr) en Condición de Falla Monofásica a Tierra liberada y Re-cierre de la Línea. ... 85
4.6.4 Apertura de Interruptor de Potencia (ideal, Cassie, Mayr, Cassie-Mayr) en Condición de Falla Monofásica Permanente y Re-cierre Automático. ... 95
CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES GENERALES Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS. ... 104
5.1 Conclusiones ... 104
5.2 Recomendaciones para Trabajos Futuros. ... 106
Referencias ... 107
xi
Lista de figuras
Figura. 2-1Descripción grafica del modelo de Cassie. ... 17
Figura. 2-2 Representación grafica del modelo de Mayr. ... 19
Figura. 3-1Descomposición del gas SF6. [8] ... 32
Figura. 3-2 Interruptor en SF6 de un soplo una presión, [13]. ... 36
Figura. 3-3 Interruptor de de auto soplado en SF6 [14]. ... 37
Figura. 4-1Diagrama en bloques que describe el funcionamiento del modelo de arco eléctrico propuesto por Cassie [2]. ... 48
Figura. 4-2 Modelo de Cassie utilizando la herramienta de TACS en ATPDraw. ... 48
Figura. 4-3 Icono representando un interruptor con tecnología SF6 utilizando el modelo de arco eléctrico de Cassie. ... 49
Figura. 4-4Ventana para introducir datos requeridos por el interruptor. ... 50
Figura. 4-5 Ventana para simular cierres, aperturas y re-cierres en el interruptor. ... 51
Figura. 4-6 Diagrama en bloques del modelo de arco eléctrico propuesto por Mayr [1]. 52 Figura. 4-7Modelo de Mayr utilizando la herramienta de TACS en ATPDraw. ... 53
Figura. 4-8 Icono representando un interruptor con tecnología SF6 utilizando el modelo de arco eléctrico de Mayr... 54
Figura. 4-9 Ventana para introducir datos requeridos por el interruptor. ... 55
Figura. 4-10 Diagrama en bloques de la fusión de los modelos de arco eléctrico de Cassie y Mayr [2]. ... 56
xii
Figura. 4-12 Icono representando un interruptor con tecnología SF6 utilizando el modelo
de arco eléctrico de Cassie-Mayr. ... 58
Figura. 4-13Ventana para introducir datos requeridos por el interruptor. ... 59
Figura. 4-14Ubicación geográfica de la línea de transmisión Jerónimo Ortiz[14]. ... 60
Figura. 4-15 Diseño en ATPDraw del tramo de línea de transmisión San Jerónimo-Ortiz. ... 61
Figura. 4-16 Modelo de línea utilizando interruptor ideal. ... 63
Figura. 4-17 Corriente en el interruptor ideal. ... 64
Figura. 4-18 Tensión en el interruptor ideal. ... 65
Figura. 4-19 Modelo de línea utilizando interruptor en SF6 con modelo de Cassie. ... 66
Figura. 4-20 Corriente en el interruptor modelo de Cassie. ... 67
Figura. 4-21Tensión en el interruptor modelo de Cassie. ... 68
Figura. 4-22 Modelo de línea utilizando interruptor en SF6 con modelo de Mayr. ... 69
Figura. 4-23 Corriente en el interruptor modelo de Mayr. ... 70
Figura. 4-24Tensión en el interruptor modelo de Mayr. ... 71
Figura. 4-25 Modelo de línea utilizando interruptor en SF6 con modelo de Cassie-Mayr. ... 72
Figura. 4-26 Corriente en el interruptor modelo de Cassie-Mayr. ... 73
Figura. 4-27Tensión en el interruptor modelo de Cassie-Mayr. ... 74
Figura. 4-28Corriente en el interruptor ideal en falla monofásica a tierra. ... 76
Figura. 4-29 Tensión en el interruptor ideal en falla monofásica a tierra. ... 77
xiii
Figura. 4-33 Tensión en el interruptor modelo de Mayr en falla monofásica a tierra. .... 81
Figura. 4-34Corriente en el interruptor modelo de Cassie-Mayr en falla monofásica a
tierra. ... 82
Figura. 4-35 Corriente en el interruptor modelo de Cassie-Mayr en falla monofásica a
tierra. ... 83
Figura. 4-36 Corriente en el interruptor modelo de ideal en falla monofásica a tierra
liberada y re-cierre automático. ... 86
Figura. 4-37 Tensión en el interruptor ideal en falla monofásica a tierra liberada y
re-cierre automático. ... 87
Figura. 4-38 Corriente en el interruptor modelo de Cassie en falla monofásica a tierra
liberada y re-cierre automático. ... 88
Figura. 4-39Tensión en el interruptor modelo de Cassie en falla monofásica a tierra
liberada y re-cierre automático. ... 89
Figura. 4-40 Corriente en el interruptor modelo de Mayr en falla monofásica a tierra
liberada y re-cierre automático. ... 90
Figura. 4-41Tensión en el interruptor modelo de Mayr en falla monofásica a tierra
liberada y re-cierre automático. ... 91
Figura. 4-42 Corriente en el interruptor modelo de Cassie-Mayr en falla monofásica a
tierra liberada y re-cierre automático. ... 92
Figura. 4-43Tensión en el interruptor modelo de Cassie-Mayr en falla monofásica a
tierra liberada y re-cierre automático. ... 93
Figura. 4-44 Corriente en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor ideal con
xiv
Figura. 4-45 Tensión en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor ideal con falla
monofásica permanente. ... 96
Figura. 4-46 Corriente en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Cassie con falla monofásica permanente. ... 97
Figura. 4-47Tensión en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Cassie con falla monofásica permanente. ... 98
Figura. 4-48 Corriente en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Mayr con falla monofásica permanente. ... 99
Figura. 4-49Tensión en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Mayr con falla monofásica permanente. ... 100
Figura. 4-50 Corriente en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Cassie-Mayr con falla monofásica permanente. ... 101
Figura. 4-51 Tensión en apertura, re-cierre y re-apertura de un interruptor con modelo de Cassie-Mayr con falla monofásica permanente. ... 102
Figura A-1 Diagrama en bloques de la ecuación de Cassie………..109
Figura A-2 Primer bloque en ATPDraw………..110
Figura A-3 Segundo bloque en ATPDraw……….111
Figura A-4 Tercer bloque en ATPDraw………...112
Figura A-5 Cuarto bloque en ATPDraw………..113
Figura A-6 Quinto bloque en ATPDraw………..114
Figura A-7 Sexto bloque en ATPDraw………...115
Figura A-8 Elementos utilizados en el interruptor con modelo de arco eléctrico………116
Figura A-9 Ventana para comprimir el circuito………..116
xv
Lista de tablas
Tabla 2-1 Comparación del modelo de Cassie y Mayr. ... 20
Tabla 2-2 Forma de utilización de los modelos de arco eléctrico. ... 21
Tabla 2-3Método Amsinck en el modelo de Mayr. ... 22
Tabla 2-4Método de Amsinck en el modelo de Cassie. ... 22
Tabla 2-5 Método Asturiano en el modelo de Mayr. ... 23
Tabla 2-6 Método Asturiano en el método de Cassie. ... 23
Tabla 2-7 Valores para la implementación de modelos en ATPDraw. ... 24
Tabla 3-1Clasificación de transitorios electromagnéticos. ... 44
Tabla 4-1Resultados de la apertura de interruptores. ... 75
Tabla 4-2 Resultados de la apertura de interruptores en condición de falla monofásica a tierra. ... 84
Tabla 4-3 Resultados de apertura y re-cierre de interruptores en condición de falla monofásica y re-cierre. ... 94
xvi
Glosario
Arco eléctrico.- Es la descarga eléctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocados en el seno de una atmósfera gaseosa enrarecida, normalmente a baja presión, o al aire libre.
Átomo.- Es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.
ATP.- Es un programa para computadora creado para el análisis de circuitos eléctricos, permite modelar matemáticamente sistemas eléctricos mecánicos y de control, monofásicos y polifásicos. La diferencia con EMTP es que ATP es de licencia libre.
Carga eléctrica.- Es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas.
Conductancia.- En un conductor a la inversa de la oposición que dicho conductor presenta al movimiento de los electrones en su seno, esto es, a la inversa de su resistencia eléctrica (R).
Conductividad.- Es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones (y huecos en el caso de los semiconductores) pueden pasar por él. Varía con la temperatura.
Corriente eléctrica.- Es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material.
Electrón.- Comúnmente representado por el símbolo: e−, es una partícula subatómica de tipo termiónico. En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y neutrones.
EMTP.- Es un programa de computadora destinado al análisis de circuitos eléctricos, especialmente en régimen transitorio. El programa permite modelar matemáticamente sistemas eléctricos, mecánicos y de control, monofásicos y polifásicos. Su nombre proviene del acrónimo inglés Electro Magnetic Transients Program.
Hexafluoruro de azufre (SF6).- Es un gas inerte artificial que tiene excelentes
propiedades de aislamiento, así como una estabilidad térmica y química excepcionalmente altas.
xvii
Neutrón.- Es un barión neutro formado por dos quarks abajo y un quark arriba. Forma, junto con los protones, los núcleos atómicos.
Protón.- Es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva (1,602 176 487 × 10–19 culombios) y una masa de 938,272 013 MeV/c2 (1,672 621 637 × 10–27 kg) o, del mismo modo, unas 1.836 veces la masa de un electrón.
Simulación.- Es una técnica numérica para conducir experimentos en una computadora digital. Estos experimentos comprenden ciertos tipos de relaciones matemáticas y lógicas, las cuales son necesarias para describir el comportamiento y la estructura de sistemas complejos del mundo real a través de largos periodos de tiempo.
Sobretensión.- Esuna solicitación variable en el tiempo cuyo máximo valor es superior al valor de pico de la tensión nominal del sistema en estudio.
TACS.- simplificación de la programación ya que en el interior de ellos se llevan a cabo las operaciones matemáticas que requiere el diseño desarrollados en el lenguaje Fortran.
Tensión eléctrica.- La tensión, voltaje o diferencia de potencial es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, provocando el flujo de una corriente eléctrica.
1
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
1.1 Generalidades.
Cuando la humanidad comenzó a utilizar la energía eléctrica a gran escala,
iniciaron una serie de investigaciones para crear diferentes equipos con
características específicas que satisficieran las necesidades en la generación,
trasmisión, distribución y uso de este recurso.
Conforme la población fue creciendo, fue necesario crear equipos eléctricos de
mayor potencia y más robustos, la demanda de la energía eléctrica creció a gran
escala. El satisfacer las crecientes necesidades del mercado eléctrico ha sido
hasta el día de hoy un reto para las empresas generadoras de energía en nuestro
país.
La actividad industrial sigue creciendo día con día, además los usuarios
domésticos continúan adquiriendo una gran cantidad de electrodomésticos,
situación que se traduce en un crecimiento constante de la carga eléctrica. Este
2
transmisión y distribución del sistema nacional. La expansión del sistema eléctrico
de potencia y/o el incremento de la capacidad de los sistemas ya instalados,
requiere de estudios que aseguren cubrir la demanda de energía eléctrica sin
comprometer el funcionamiento correcto del sistema.
En caso de una falla en un sistema de gran potencia, la liberación se debe realizar
en forma adecuada y en el menor tiempo posible buscando el no dañar al equipo
que se encuentra interconectado en sistema. Esta necesidad dio lugar a una serie
de investigaciones para crear un equipo que tuviese las características necesarias
para poder controlar la corriente eléctrica en caso de una contingencia, tal es el
caso de una falla eléctrica por corto circuito. De esta necesidad nació la idea del
interruptor, el cual inicialmente se creó de una forma muy rudimentaria si se
compara con los que conocemos hoy en día; sin embargo, estos primeros
dispositivos fueron la base para crear interruptores los cuales utilizan diversas
tecnologías para obtener un mejor desempeño. En la actualidad existen varios
tipos de interruptores, desde el más sencillo de un polo un tiro que se utiliza en
baja tensión hasta los sistemas más complicados como son los interruptores de
potencia utilizados en media y alta tensión.
Un interruptor de potencia es un dispositivo eléctrico que fue creado para
satisfacer la necesidad de controlar el flujo de la corriente eléctrica ya sea para
protección del personal que labora dando mantenimiento para ofrecer el
funcionamiento óptimo de las redes, o para la protección de los equipos que
3
condiciones se puedan cumplir sin problema, el interruptor debe contar con un
buen diseño mecánico y eléctrico, además de contar con medio de extinción del
arco eléctrico, de los cuales los más comunes son: aire, vacío, aceite o el SF6.
1.2 Planteamiento del Problema.
Hoy en día la industria eléctrica requiere una gran cantidad de pruebas para
asegurarse que el equipo estará funcionando de manera adecuada cuando éste
sea instalado en el sistema. Existe una gran variedad de pruebas que se realizan
en laboratorios especializados para prueba a interruptores, algunas de las cuales
son: prueba de resistencia de contactos, prueba de resistencia de aislamiento,
pruebas de tiempo de cierre, apertura y simultaneidad de contactos. De esta
manera se obtiene información necesaria sobre el equipo para poder tener un
criterio amplio y decidir si es apto o no para su instalación en el sistema eléctrico.
Además de estas pruebas se requiere tener conocimiento de cómo reaccionará el
interruptor una vez que ha sido instalado en la línea al momento de presentarse
una falla severa, ¿qué nivel de sobretensión generará al momento de abrir la
línea?, y en caso de requerir un re cierre, ¿qué nivel de sobre tensión tendrá al
momento de cerrar los contactos del interruptor y encontrarse con las llamadas
cargas atrapadas? De estas interrogantes han surgido ideas para poder reducir el
costo que requiere el hacer este tipo de pruebas, que en muchos casos es
4
Existen en la actualidad programas para computadora tales como el EMTP o el
ATP, los cuales son programas para simulación de transitorios, en ellos se permite
elaborar modelos de línea de transmisión que se asemejan mucho a los diseños
reales y debido a esto se pueden utilizar los datos obtenidos de líneas, cables o
equipos.
Actualmente estos programas son ampliamente utilizados en nuestro país por la
Comisión Federal de Electricidad, con este tipo de paquetería simulan fallas en las
diferentes líneas que están interconectadas en el sistema eléctrico de potencia
mexicano. Los resultados de estas simulaciones ayudan a tener una referencia de
cómo se comportarían las líneas o los equipos que se encuentran conectados en
caso de ocurrir una falla, sin necesidad de exponer al personal y a los equipos.
Con el objetivo de hacer cada vez más real la simulación, trabajos anteriores han
aportado mejoras a este tipo de programas. En muchas ocasiones se requiere de
la utilización de ciertas características en los modelos de los equipos que se
consideran en la simulación, sin embargo, no siempre es posible debido a que
estas características no han sido incluidas. Ambos programas, ATP y EMTP
cuentan con un diseño propio del interruptor de potencia, pero con la desventaja
que solo consideran un modelo simplificado de la apertura de la línea sin tomar en
cuenta el medio de extinción o fenómeno del arco eléctrico presente en la
5
En los últimos años se han desarrollado varios modelos de interruptores para este
tipo de programas, lo cual ha sido bastante útil, sin embargo la desventaja es que
se han hecho sólo para algunos casos tales como liberación de fallas kilométricas,
desconexión de generadores o desconexión de líneas con compensación
capacitiva.
En trabajos más recientes han desarrollado modelos de arco eléctrico, los cuales
en un inicio fueron programados en ATP/EMTP y últimamente auxiliados con la
interfaz ATPDraw los llamados de caja negra o TACS. Estos modelos de arco
eléctrico fueron tomados de ideas de investigadores como Mayr o Cassie quienes
modelaron matemáticamente la física del arco. Sin embargo los modelos
realizados no fueron simulados con datos reales de líneas, y no tienen la
capacidad para considerar re-cierres.
1.3 Objetivos.
Tomando en cuenta los problemas anteriores, los objetivos principales de este
trabajo de tesis son:
Objetivo General
Aplicar los modelos de interruptores con tecnología de gas SF6 y modelos de arco
eléctrico, aportando la función de re-cierre para observar su comportamiento en
6
Objetivos Particulares
a) Adicionar al interruptor de potencia los modelos de arco eléctrico para las
versiones más actuales de ATPDraw considerando el medio de extinción
con tecnología de gas SF6.
b) Tomando un modelo de línea que actualmente se encuentra en
funcionamiento en el sistema eléctrico mexicano, realizar operaciones de
apertura y re-cierre en los interruptores bajo diferentes condiciones.
c) Comparar datos de salida de las simulaciones realizadas con los modelos
de interruptor ideal.
1.4 Justificación.
El uso de paquetería para realizar el modelado y análisis de transitorios
electromagnéticos busca obtener un ahorro significativo en tiempo y costo en
comparación con pruebas de equipo y redes. Por tal motivo el crear y enriquecer
programas como ATP o EMTP es de mucha importancia para el sector eléctrico
nacional ya que a través de ellos se podrían obtener datos semejantes a los que
se obtendría en un laboratorio de pruebas.
Se han desarrollado un sin número de aplicaciones de este tipo de programas,
pero el sistema eléctrico mexicano es muy complejo y requiere de constantes
actualizaciones o desarrollo de nuevos elementos que ayuden a las simulaciones
a obtener resultados lo más cercano a los obtenidos en pruebas de campo.
El desarrollar un modelo de interruptor de potencia con tecnología de gas SF6 para
7
del mecanismo de interrupción, que aporta mejoras respecto a cuando se utiliza
un interruptor ideal. Hay que tomar en cuenta que muchas ocasiones cuando hay
una interrupción de energía, se llega a quedar cierta cantidad de ella atrapada, lo
cual ocasiona que en el interruptor, al producirse el re-cierre de contactos, exista
un re-encendido del arco eléctrico.
Por lo que el continuar con el desarrollo de los modelos de interruptores
anteriormente realizados en ATP es de gran importancia, ya que adicionando la
función de re-cierre, considerando una parte de la red del sistema eléctrico
mexicano, utilizando datos reales y monitoreando el comportamiento del
interruptor, ayudara a verificar que los elementos aportan información de datos
reales o lo más cercano posibles a estos.
1.5 Estado del Arte.
El ATP es un programa ampliamente usado por las personas encargadas de
simular transitorios electromagnéticos. Antes del ATP existió el EMTP que de igual
forma sirve para simular efectos electromagnéticos en el sistema eléctrico,
originalmente se creó para ser de dominio público por Bonneville Power
Administration (BPA) de Portland, sin embargo en 1984 el grupo de coordinación,
desarrollo e investigación del Instituto eléctrico de potencia (EPRI) comercializó el
8
Ante la desaprobación de los doctores W Scot Meyer y Tsu-huei Li, comenzaron a
trabajar en un nuevo programa de dominio público, desde entonces el ATP ha
tenido aportaciones importantes de todo el mundo. Por lo que ATP está disponible
para cualquier persona que desee utilizarlo, libre de licencia.
El ATP cuenta hoy en día con muchos modelos a disposición, tales como:
maquinas rotatorias, transformadores, líneas de transmisión y diferentes aparatos
de medición para voltaje, corriente y potencia; que el usuario puede utilizar para
llevar a cabo un diseño de red así como las simulaciones que le sean necesarias
para su estudio.
Existen un par de herramientas importantes dentro de ATP, TACS y MODELS. Los
TACS han servido para simulaciones más exactas, sabemos que muchas veces
en los programas de computación, se utilizan herramientas de forma ideal, tales
como interruptores, transformadores, líneas etc., pero también es necesario tener
elementos que asemejen a los que se tienen de forma real ya que las
características pueden variar de forma significativa. Para reducir este problema
nacen los TACS, con ayuda de ellos se puede introducir datos más precisos a
través de ecuaciones, por ejemplo, para un interruptor, tomar en cuenta la
resistencia que varia a través del tiempo de apertura. Por otro lado, los MODELS
aunque tiene la misma función, en ellos se pueden programar el elemento y tener
los valores y características necesarias por el usuario, con lo que se puede
obtener un elemento más apegado a las necesidades del programador.
9
En trabajos de tesis anteriores se han desarrollado modelos de arco eléctrico,
primeramente en la tesis del M en C. Carlos Ramírez se desarrollo los modelos de
arco eléctrico que en un principio fueran propuestos por Cassie y Mayr, esto se
desarrollo en ATP por lo que se tuvo que desarrollar un diagrama en bloques para
la solución de ambas ecuaciones y posteriormente llevar a cabo la programación
en lenguaje fortran. En ese trabajo se realizaron simulaciones con modelo de línea
y generador de Haginomori, para observar el comportamiento del interruptor bajo
la presencia de arco eléctrico. Así también comprobar la respuesta de cada uno de
los medios de extinción tales como el aceite, aire y SF6. Comprobando que el
hexafluoruro de azufre tiene mayor capacidad de extinción. Además de estos
modelos, utilizó el modelo de arco eléctrico de Kopplin, al igual que los modelos
de Cassie y Mayr, el modelo muestra un comportamiento similar al incorporarlo a
los interruptores, a excepción del SF6 cuyo comportamiento es diferente al
extinguirse más rápidamente [1]. También realizó pruebas a bancos de capacitores
en diferentes casos, desconexión de reactores y la combinación del los modelos
de Cassie y Mayr.
En trabajos más recientes como en la tesis para grado de maestro del M. en C de
Jahel Hernández Ángeles fueron desarrollados los modelos de arco eléctrico de
Cassie y Mayr, ahora con la diferencia de utilizar la interfaz grafica del programa
ATP. De esta manera hizo más visible el modelo del interruptor agregándole los
modelos de arco eléctrico, utilizando la herramienta de TACS que facilitan la
entrada de datos ya que se hace algebraicamente, desarrollo iconos de cada uno
10
que realizan cada una de las operaciones necesarias para el desarrollo de un arco
eléctrico en sus etapas de pre-encendido, encendido y extinción. Con el objetivo
de representar una región más amplia de corriente, pueden emplearse de manera
combinada los modelos de Cassie y Mayr conectando en serie las resistencias
dadas por ambos modelos [2]. Además se añadió el modelo de Kopplin, Kema y
un modelo general del arco eléctrico. Realizó aplicaciones de estos modelos en la
desconexión de una falla trifásica y falla kilométrica.
De esta manera los programas de simulación se han ido enriqueciendo con
elementos cada vez más complejos y precisos para un mejor desempeño y la
obtención de datos más exactos que ayuden a tener un mejor conocimiento del
sistema que se analice.
1.6 Alcances y Limitaciones
Los alcances de este trabajo de tesis se pueden resumir en lo siguiente:
a) Incorporación de tres modelos de interruptores de potencia en el programa
ATPDraw, los cuales contienen información del gas SF6.
b) Incorporación de la herramienta de re-cierre para los modelos de
interruptores.
c) Incorporación de la información del arco eléctrico proporcionada por las
ecuaciones de Cassie y Mayr a los modelos de interruptores.
d) Incorporación de los modelos de interruptores a un modelo de línea de
transmisión utilizada actualmente para estudios en la Comisión Federal de
11 Las limitaciones con las que se encuentra son:
a) Existe escases de información referente a resultados de pruebas a
interruptores, ya que al no contar con estos datos es muy difícil saber si los
modelos desarrollados en ATPDraw arrojan valores cercanos a los
obtenidos en pruebas.
b) Debido a que el tema de interruptores es muy extenso es muy difícil
incorporar información a los modelos de interruptores de distintos medios
de extinción en un solo trabajo.
1.7 Estructura de la Tesis.
A continuación se da una breve descripción de lo que trata cada uno de los
capítulos que componen este trabajo de tesis: en el Capítulo 1, se describen los
objetivos de este trabajo se justifica la importancia de trabajos como este y se
describen trabajos previos. En el Capítulo 2 se describe el mecanismo del arco
eléctrico y los diferentes modelos matemáticos existentes para su modelado. Los
tipos de interruptores más comunes son presentados en el Capítulo 3,
describiendo con mayor profundidad el interruptor de SF6, también en este
capítulo se mencionan los diferentes tipos de re-cierre y sus consecuencias. La
implementación de los modelos de arco en ATPDraw se presenta en el Capítulo 4,
se muestran los resultados de simulación para diferentes casos de aplicación.
Finalmente en el Capítulo 5 se dan las conclusiones derivadas de este trabajo y se
12
CAPÍTULO 2: EL ARCO ELÉCTRICO
2.1 Introducción.
Para poder entender el funcionamiento de un interruptor de potencia que utiliza el
gas con tecnología SF6 como medio de extinción del arco eléctrico, primero es
necesario comprender lo que es un arco eléctrico.
Recordemos que la materia está constituida por átomos, éstos a su vez están
formados por neutrones, protones y electrones. En condiciones normales las
carga neta de un átomo se encuentran en perfecto balance, sin embargo, existen
fenómenos que pueden dar lugar a un proceso en el cual se desprenden uno o
más electrones del átomo, dando lugar a la producción de partículas
eléctricamente cargadas. Los procesos más probables para la generación de
partículas cargadas en gases son:
a) Electrones e iones positivos: colisión electrónica, colisión de ion positivo,
radiación, átomos excitados.
b) Iones negativos: captura disociativa, captura asociativa, producción de
13
Estas cargas libres bajo ciertas condiciones pueden verse multiplicadas dando
origen a un proceso conocido como arco eléctrico.
2.2 Arco Eléctrico en el Interruptor de Potencia.
El arco eléctrico se presenta en un interruptor de potencia cuando se inicia la
separación de los contactos de un interruptor y existen portadores de carga libres
en el medio aislante, usualmente electrones. La fuerza ejercida por el campo
eléctrico presente sobre los electrones inicia un proceso de ionización por colisión
de electrones en forma de avalancha que va creciendo y encadenándose con
otras hasta conectar ambos electrodos.
Al inicio de la apertura de los contactos en el interruptor, la distancia entre ellos es
muy pequeña lo que provoca la ionización por impacto, que se debe básicamente
al desprendimiento de los electrones de la superficie de los contactos. Una vez
que los contactos se han separado aun más, aparece una ligera capa de aislante
que trata de ponerse entre ellos, existe una elevada ionización del medio por lo
que se crea una columna de forma cilíndrica de gas ionizado lo que se llama arco
eléctrico con una temperatura de 3726°C a 34726°C, esto dependiendo de las
condiciones que estén presentes en ese momento y de la cantidad de corriente
que se encuentre circulando. A medida de que la distancia entre los contactos
aumenta, provoca en el gas la deionización por tanto se detiene el flujo de
14
Las características principales del arco van a depender de diferentes factores que
en el momento de formarse estén presentes, como son:
a) Naturaleza y presión del medio ambiente.
b) Presencia de agentes ionizantes o de-ionizantes.
c) Tensión que existe entre los contactos y la variación de ésta.
d) La forma, separación y estructura química de los contactos.
e) El sistema que se emplea para extinguir el arco.
En el sistema eléctrico de potencia mexicano se maneja corriente alterna por tal
motivo la corriente que origina un arco eléctrico es de la misma naturaleza, una
vez que los contactos del interruptor de potencia se encuentran lo bastante
separados y la corriente tenga un paso por valor cero, el arco eléctrico será
extinguido. Sin embargo queda un medio con temperatura alta, y con cierta
conductividad que permitirá el paso una pequeña cantidad de corriente, a ésta se
le llama corriente de post-arco, por lo cual es necesario tener un interruptor que
sea capaz de bajar esa temperatura para evitar las corrientes de post-arco, de lo
15
2.3 Re-Ignición del Arco Eléctrico.
Una vez que la temperatura del medio permite la corriente post-arco, ocurre la
re-ignición del arco que tiene dos posibles orígenes:
a) Re-ignición térmica: debido a que existe ionización residual y elevada
temperatura, las corrientes post-arco resurgen.
b) Re-ignición dieléctrica: una vez abiertos los contactos, si existe tensión entre
ellos y esta tensión es muy grande, el medio dieléctrico es incapaz de
soportarla, lo cual causara una ruptura del medio aislante y su colapso. [4]
Estos dos posibles orígenes de la re-ignición ocurren por lo regular dentro de los
primeros microsegundos posteriores a que la corriente pasa por cero.
2.4 Re-Encendido del Arco Eléctrico.
Una vez que la corriente del arco eléctrico pasa por cero, comienza la
recuperación tanto de la tensión como de las propiedades del medio aislante. Por
lo que se inicia una carrera para restablecer los valores dieléctricos del medio y la
(TTR), si el proceso de restablecimiento del arco ocurre después de cuatro ciclos
16
La TTR es la tensión que el circuito impone entre los contactos del interruptor,
para que una apertura de un interruptor de potencia sea considerada un éxito,
necesitan tomar en cuenta que la TTR debe ser menor a cierto valor para que el
medio aislante pueda detener y evitar que exista un re-encendido del arco.
2.5 Importancia Sobre el Estudio del Arco Eléctrico.
El estudio del arco eléctrico es de mucha importancia en los sistemas de potencia
debido a su frecuente aparición y a los valores de corriente que manejan (en el
orden de kA). Las empresas de generación invierten grandes cantidades de dinero
para comprar equipo que pueda controlar el fenómeno del arco eléctrico
reduciendo el riesgo para las personas que lo operan o inclusive daños al equipo.
En este capítulo hemos visto a grandes rasgos lo que es un arco eléctrico, el cómo
se forma y el por qué la importancia de saber controlarlo para evitar que alcance
dimensiones que pueden ser peligrosas.
Hemos visto que los interruptores de potencia juegan un papel importante en un
sistema de potencia eléctrico (SEP), por lo que el fenómeno que producen al abrir
sus contactos, llamado arco eléctrico, es motivo de investigación a nivel mundial. A
continuación se describen algunos de los modelos utilizados actualmente para el
17
2.6 Modelos de Arco Eléctrico.
2.6.1 Modelo de A. M. Cassie.
A. M. Cassie en 1930 presentó uno de los primeros intentos por modelar el arco
eléctrico durante el proceso de interrupción de corriente. Consideró al arco
eléctrico como un canal con densidad de corriente y temperatura constante, en
presencia de un fuerte campo eléctrico y con un área transversal que varia
directamente con la corriente. La pérdida de energía por convección (energía en
forma de calor) es proporcional a la energía almacenada por unidad de volumen y
[image:36.612.105.500.355.689.2]la conductancia proporcional a la sección transversal [2].
18
En base a estas consideraciones se llevo a cabo la siguiente ecuación:
Donde:
G =conductancia, = constante de tiempo, = tensión dinámica y 0= voltaje del
arco en estado estable.
2.6.2 Modelo de Mayr.
En la década de los años cuarenta O. Mayr propuso que la transferencia de calor
al medio se realiza en toda la periferia por conducción (transferencia de calor por
contacto directo) y que la conductancia varía exponencialmente con la energía
19
Figura. 2-2 Representación grafica del modelo de Mayr.
Basándose en estas consideraciones, Mayr obtuvo la siguiente ecuación:
Donde:
= conductancia, = constante de tiempo, 0= potencia refrigerante, =
20
2.7 Comparación de los Modelos de Arco Eléctrico.
En la tabla 2-1 se comparan las principales características de los modelos de Mayr
y Cassie.
Tabla 2-1 Comparación del modelo de Cassie y Mayr.
Característica Mayr Cassie
Densidad de corriente Variable con la distancia al
centro del arco
Constante
Temperatura Variable y proporcional a
la densidad de corriente
Constante
Sección transversal Constante Función de la corriente
Conductancia Función de la energía
almacenada
Proporcional a la sección
transversal
Transferencia de calor Conducción Convección
Expresión dinámica
21
Tabla 2-2 Forma de utilización de los modelos de arco eléctrico.
Modelo de arco Utilización
Mayr Donde se tenga magnitud de corriente
baja menor a 100 kA. (Transformadores
en vacío y Líneas en vacío)
Cassie Donde se tenga valores de corriente
mayores a 100 kA. (fallas monofásicas y
trifásicas)
Sin duda existen más modelos que con el paso del tiempo se han ido
desarrollando gracias al conocimiento que se ha adquirido sobre este fenómeno;
sin embargo, en la actualidad estos dos modelos son considerados básicos ya que
los actuales son en la mayoría de los casos una variación de ellos. Es por esto
que este trabajo se enfocara solamente a los modelo de arco eléctrico de Cassie y
22
2.8 Parámetros Importantes en el Uso de los Modelos de Arco
Eléctrico.
Existen dos parámetros importantes en el diseño de modelos de arco eléctrico los
cuales son: (constante de tiempo) y la amplitud de la tensión del arco eléctrico.
Estudios anteriores con oscilogramas reales han determinado estos parámetros
utilizando dos métodos como son el Amsinck y el Asturiano para interruptores en
SF6, de doble presión y auto compresión, los cuales arrojaron los siguientes
resultados: [4]
Tabla 2-3Método Amsinck en el modelo de Mayr.
Potencia en kW [µs]
121.414 0.503001
102.514 0.636376
Tabla 2-4Método de Amsinck en el modelo de Cassie.
Tensión en kV [µs]
5.41427 0.513443
23
Tabla 2-5 Método Asturiano en el modelo de Mayr.
Potencia en kW [µs]
227.363 1.16638
250.942 1.02880
377.865 1.18315
237.762 1.06051
282.772 1.05900
229.054 1.44134
154.436 1.24594
Tabla 2-6 Método Asturiano en el método de Cassie.
Tensión en kV [µs]
2.76731 0.589640
3.01653 0.372715
3.82073 0.482354
3.87988 1.21427
3.45588 0.394829
4.91810 2.39217
3.13999 1.89147
De los valores anteriores se toma un promedio para así obtener solo dos valores
para el caso de Mayr y dos para Cassie para la su utilización en este trabajo de
24
De esta manera obtenemos los siguientes resultados los cuales serán usados
para la implementación de estos modelos en ATPDraw:
Tabla 2-7 Valores para la implementación de modelos en ATPDraw.
Modelo Amplitud [µs]
Cassie 4.01986 (kV) 0.822502
25
CAPÍTULO 3. INTERRUPTORES DE
POTENCIA.
3.1 Introducción.
La necesidad de proteger al personal que labora en sistemas eléctricos de
potencia así como a los equipos conduce a la necesidad de investigar sobre
nuevos y mejores sistemas de desconexión que permitan un mejor manejo de la
energía eléctrica.
De estas necesidades ha nacido el interruptor de potencia que en su inicio era un
dispositivo muy rústico, sin embargo con el paso del tiempo se fue mejorando su
diseño hasta llegar los equipos que conocemos en la actualidad en el sistema
eléctrico de potencia mexicano.
Una definición común para este tipo de dispositivo es la siguiente “Dispositivo
mecánico de conmutación capaz de permitir la conducción o interrupción de
corriente en un circuito bajo condiciones normales de carga o condiciones de falla
26
Hay muchas diferencias entre los tipos de interruptores, por ejemplo existen para
baja tensión que se emplean para casas habitación (127 V), los utilizados en
media tensión (hasta 23 kV), y los de alta tensión (hasta 400 kV).
La diferencia principal en los interruptores es la manera en que extinguen el arco
eléctrico que se presenta cuando hay separación de sus contactos móviles de los
fijos, por los cuales circula la corriente.
Existen interruptores que su cámara de extinción es en aire, por sus propiedades
naturales dieléctricas es un excelente medio de extinción del arco eléctrico, pero
también encontramos en el mercado interruptores de potencia que en su cámara
de extinción utilizan gran volumen de aceite, pequeño volumen de aceite, aire
comprimido, gas SF6 o vacío.
En los últimos años de la década de los cincuenta nacen dos tecnologías, la de
vacío y la de gas hexafluoruro de azufre, las cuales se colocaron muy por delante
de las demás tecnologías utilizadas para extinguir el arco eléctrico.
Actualmente la tecnología más usada en México, es la del SF6, según datos de la
Comisión Federal de Electricidad; sin embargo, aun se mantienen en operación
27
Debido a las diferentes tecnologías que se han utilizado para diseñar interruptores
de potencia y a las investigaciones de nuevos y mejores mecanismos que ayuden
a tener un dispositivo eléctrico que cumpla con las necesidades que va
demandado el mercado. De los cuales los interruptores de potencia se clasifican
según su medio de extinción, mecanismos de operación, aguante eléctrico y
mecánico. A continuación se describen con más detalle las clasificaciones
existentes.
3.2 Medio de Extinción para el Arco Eléctrico.
Se han realizado un gran número de investigaciones encaminadas a desarrollar
nuevos y mejores diseños de interruptores. El medio de extinción del arco es una
parte importante dentro del diseño dependiendo el nivel tensión al cual estará
operando el interruptor se define que material es el más indicado para el óptimo
funcionamiento. Los medios de extinción son:
a) Gran cantidad de aceite.
b) Pequeño volumen de aceite.
c) Aire comprimido.
d) Vacío.
28
3.3 Mecanismos de Operación.
El mecanismo de operación es aquel que realiza la operación de apertura y cierre
de los contactos del interruptor sin tener una dependencia directa de las fuentes
de alimentación. Los mecanismos de operación son:
a) Mecanismo de operación neumático.
b) Mecanismo de operación hidráulico.
c) Mecanismo de operación resorte.
d) Mecanismo de operación combinado.
El número de mecanismos que se utilizan en los interruptores de potencia son
dos: monopolar y tripolar. El tipo monopolar es básicamente cuando sólo se abre
una sola fase del sistema eléctrico por lo que se utilizan interruptores
independientes para cada fase lo contrario a lo que pasa cuando son tripolares, ya
que independientemente de en qué fase se detecte la falla, el interruptor tripolar
habré las tres fases.
Las compañías eléctricas especifican el tipo de mecanismo que se ha de utilizar
en el sistema eléctrico de potencia, dependiendo de la tensión que se maneje [6]:
a) Tripolar para tensiones hasta 170 kV.
b) Monopolar o tripolar para tensiones de 245 kV.
29
3.4 Aguante Eléctrico y Mecánico.
Estas clasificaciones se encuentran normalizadas en la IEC 62271-100 [7].
1) Por su aguante mecánico
a) Clase M1 aguante mecánico normal (2000 operaciones secuenciales).
b) Clase M2 aguante mecánico extendido (10000 operaciones
secuenciales).
2) Por su aguante eléctrico
a) Clase E1 interruptores fuera de la clase E2.
b) Clase E2 aguante eléctrico extendido (no requiere mantenimiento en
partes de interrupción durante la vida de operación, tensión hasta 52
kV).
3) Por su probabilidad de re-encendido al interrumpir corrientes capacitivas
a) Clase C1. Baja probabilidad de re-encendido.
30
3.5 Interruptores que Utilizan la Tecnología del Gas SF
6.
En el año de 1900 fue creado el hexafluoruro de azufre (SF6) por Henry Moissan,
este gas fue objeto de muchas investigaciones, sin embargo no fue sino hasta
1947 que este producto comenzó a salir al mercado. Debido a los estudios
realizados posteriormente se pudo obtener más información sobre sus
propiedades fisicoquímicas. Una de sus propiedades interesantes es la de tener
una rigidez dieléctrica más grande que la del aire. Esto sirvió para iniciar una serie
de investigaciones para que este gas fuese utilizado en el sector eléctrico.
El SF6 es un gas estable hasta la temperatura de 150 grados centígrados, por lo
que mientras no rebase esta temperatura no reacciona con otros elementos como
plásticos o metales. Sin embargo una vez que alcanza temperaturas superiores
comienza a degradarse.
El SF6 utilizado en la industria eléctrica tiene muchas ventajas sobre otros gases
aislantes, de las cuales se pueden mencionar las siguientes:
a) Reduce las distancias eléctricas.
b) Protege el equipo del deterioro climático.
c) El equipo que utiliza esta tecnología ocupa menos espacio.
d) Se descompone en subproductos, que siguen siendo buenos aislantes,
31
El uso del hexafluoruro de azufre en el sector eléctrico ha traído una serie de
ventajas que hacen que este medio vaya ganando terreno en este sector.
Sin embargo también existen algunas desventajas en el uso de esta tecnología de
las cuales se pueden mencionar las siguientes [5]:
a) Es causa muy importante del efecto invernadero, ya que este gas al ser
liberado a la atmósfera permanece en ella alrededor de unos 700 a 3000
años.
b) En muy altas concentraciones el SF6 es mortal para los seres vivos que lo
inhalen.
c) Se descompone en subproductos peligrosos cuando reacciona en
presencia de un arco eléctrico.
3.5.1 Descomposición del Gas SF
6.
Una vez que se ha efectuado una operación en el interruptor de potencia, el gas
SF6 pierde algunas propiedades que originalmente tenia, esto ocurre durante un
32
Figura. 3-1Descomposición del gas SF6. [8]
Como observamos en la Figura 3-1, el SF6 reacciona con la presencia del arco
eléctrico, formando gases tóxicos, sin embargo al encontrase en presencia de
agua por humedad se sigue descomponiendo hasta que finalmente se tiene un
gas venenoso que por inhalación puede causar la muerte a los seres vivos.
3.5.2 Características Físicas y Eléctricas del Hexafluoruro de
Azufre.
El hexafluoruro de azufre es un gas pesado, incoloro y no tóxico, tiene una rigidez
dieléctrica de 2.5 hasta 3 veces más que la que tiene el aire. Es un gas inerte con
33
eléctrico, también su baja temperatura de ionización lo hacen tener buena
respuesta a la interrupción del arco eléctrico reduciendo considerablemente el
tiempo de extinción comparado con el aire.
3.5.3 Contaminación del Gas SF
6.
Existen contaminantes que se generan en el equipo de interrupción los cuales
provienen del propio manejo del gas SF6, la liberación de humedad y la
descomposición cuando existe presencia del arco eléctrico.
Cuando se realizan maniobras para llenar o vaciar equipos que utilicen esta
tecnología, es probable que se contamine con el aire que queda atrapado en
tuberías, válvulas o simplemente por errores que se presentan durante el manejo.
Para evitar este tipo de contaminación se requiere de procedimientos adecuados
para el manejo del gas, especialmente en el vaciado o llenado de tanques.
Es evidente que se tienen que tomar medidas preventivas para evitar que se
contamine este gas, pues su mal uso puede ocasionar daños en la atmósfera, o
en el peor de los casos, pérdidas humanas.
3.5.4 Normas que Rigen al SF
6.
Existen varias normas que rigen el uso del gas hexafluoruro de azufre, entre las
34
International Electrotechnical Commissión (IEC), y la American Society for Testing
and Materials (ATSM). La cuales tiene por objetivo definir las aplicaciones en las
cuales el SF6 puede ser utilizado y las condiciones que deben existir para ello.
Específicamente algunas normas son:
a) IEC 60376 la cual define los requisitos de calidad y las propiedades de
calidad técnica para el hexafluoruro de azufre (SF6) para su uso en equipos
eléctricos [9].
b) IEC 60480 esta norma internacional se refiere a la reutilización de
hexafluoruro de azufre (SF6) después de su extracción de los equipos
eléctricos (mantenimiento, o al final de la vida útil) [10].
c) ASTMD2472-00(2006) esta norma cubre requisitos para el hexafluoruro de
azufre destinado a ser utilizado como aislante eléctrico [11].
3.5.5 Primer Interruptor con Gas SF
6.El primer interruptor con gas SF6 fue comercializado por Westinghouse en 1959 y
fue diseñado solo para alta tensión [12]. Inicialmente se tomó lo que ya existía, es
decir, un interruptor de soplo en aire al cual se le agregó una trayectoria cerrada
al gas. Esta trayectoria consistía en pasar, en alta presión, el gas por donde se
presentaba el arco eléctrico y después a través de una tobera a un recipiente de
baja presión para evitar que este gas pueda ser liberado a la atmósfera, así el gas
era reciclado a través de filtros, posteriormente comprimido y finalmente
35
El funcionamiento mecánico fue el mismo que el utilizado en los interruptores en
aceite y solo se realizaron algunas adaptaciones, esto fue debido a que la
industria eléctrica estaba acostumbrada a la tecnología en aceite ya que por
muchos años fue la tecnología más utilizada y confiable, por tanto al introducir
interruptores con gas SF6 facilitó su aceptación.
A estos primeros interruptores se les llamó de dos soplos por la manera en que
funcionaban, de los cuales había dos versiones los de un solo tanque y los de tres
tanques, esto dependía básicamente en el nivel de tensión que se estuviese
manejando, y se fabricaban en tanque muerto. La ventaja de utilizar este
interruptor es el uso de mecanismos de operación de baja energía.
3.6 Primera Generación de Interruptores en SF
6.
3.6.1 Interruptores de un Soplo una Presión.
A este tipo de interruptores se le conoce como la primera generación ya que
pertenecen a la familia de auto soplado, la principal operación dentro del
interruptor era la compresión que generaba al momento de la apertura, esta
presión a su vez era aprovechada para operación del gas SF6, así que no era
36
Figura. 3-2 Interruptor en SF6 de un soplo una presión, 1.- Bridas, 2.-
Contacto fijo, 3.- tobera fija, 4.- tubo porta-contacto móvil, 5.- Embolo, 6.- Cilindro, 7.- Contactos móviles, 8.- Barra de maniobra [13].
3.6.2 Interruptores de Soplo.
Este tipo de interruptores tiene una característica muy particular ya que en la
cámara de extinción se encuentra un ensamble de combinación llamado pistón-
cilindro que vienen a ser parte de los contactos móviles.
Al usar este tipo de interruptores en fallas trifásicas se tenía el problema de que el
tiempo de apertura era muy largo ya que al elevarse la temperatura afectaba en
gran manera tanto al pistón como al cilindro por el aumento en el diámetro,
provocando que la salida del gas se detuviera, así ocurría el fenómeno de
37
que el diámetro de la tobera. Sin embargo, cuando se trataba de corrientes
pequeñas el diámetro es pequeño y por lo tanto no bloqueaba la salida del gas.
3.6.3 Interruptores de Auto Soplado
Este tipo de interruptor aprovecha el aumento de la temperatura al momento de la
apertura, ya que calienta el gas y provoca que aumente su presión, de esta forma
el gas es liberado a lo largo del arco.
Figura. 3-3 Interruptor de de auto soplado en SF6 [14].
3.7 Segunda Generación de Interruptores en SF
6.
Cuando los fabricantes de interruptores con tecnología en gas SF6 se
concentraron en crear interruptores con una mayor capacidad interruptiva, mejorar
la compresión de las diferentes técnicas de interrupción, incrementar la vida útil de
los contactos de arqueo y reducir la tasa de degradación de las toberas, nació lo
38
Según las especificaciones de los fabricantes, los interruptores de segunda
generación son libres de mantenimiento, ya que argumentaban que los contactos
de arqueo y toberas estaban diseñados para tener una vida útil mayor, ya que sus
componentes principales eran de una aleación de cobre-tungsteno. Por otro lado
se sabe que la tobera es la pieza más importante de los interruptores de soplo ya
que el tamaño, la forma y el tipo de material con que son construidas definen la
característica de extinción del interruptor. Estos interruptores tenían la
característica de que su capacidad interruptiva oscilaba entre los 50 kA para
tensiones de 420 kV y 63 kA para tensiones de 550 kV.
La característica principal de esta generación de interruptores es que los
fabricantes utilizaron tres tipos de materiales para rellenar las toberas, esto fue
para que a 20 aperturas del interruptor a capacidad plena, el cambio en el
diámetro de la tobera fuese mínimo. Para lograr esto se utilizaron materiales como
el nitruro de boro, molibdeno y oxido de aluminio. También se llegó a utilizar el
teflón relleno que aunque más caro que el teflón puro, presentaba una mejora
notable en la interrupción de corrientes altas.
3.8 Tercera Generación de Interruptores en SF
6.
En los interruptores de potencia se debe de utilizar un mecanismo que se
encargue de mover un cilindro, el cual a su vez comprime al gas SF6, este efecto
produce un aumento de la presión en la tobera debido a la compresión y al
calentamiento del gas cuando se presenta el arco eléctrico. Esto representa un
39
interruptores, lo cual hace que su uso sea poco confiable y su costo sea elevado.
Los fabricantes de este tipo de interruptores se han dado a la tarea de innovar sus
diseños para evitar este problema que ah afectado en las dos últimas décadas y
que en su mayoría producen fallas de carácter mecánico. De la búsqueda de
soluciones a lo que hoy conocemos como la tercera generación de interruptores
con tecnología SF6.
En esencia son los mismos interruptores de la segunda generación pero lo que los
hace diferentes son las mejoras al diseño lo cual hace que sea más económico
que las dos generaciones anteriores.
En resumen, lo que se ha logrado hasta el día de hoy es:
a) Reducción en la energía requerida gracias a la optimización de la cámara
interruptiva.
b) Reducción de energía mecánica utilizada, ya que se utiliza la energía que
produce el arco para calentar el gas SF6, así se produce una presión
suficiente para extinguirlo.
c) Interrupción suave lo cual produce sobre tensiones bajas cuando se habla
de pequeñas corrientes tanto inductivas como capacitabas.
d) Vida útil de al menos 10000 operaciones.
