SIMULACION DIGITAL DE INTERRUPTORES DE POTENCIA EN GAS SF6 EN ESTADO TRANSITORIO

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ESSCCUUEELLAASSUUPPEERRIIOORRDDEEIINNGGEENNIIEERRÍÍAAMMEECCÁÁNNIICCAAYYEELLÉÉCCTTRRIICCAA

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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QUE PARA OBTENER EL TITULO

DE INGENIERO ELECTRICISTA

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A Dios por proveerme de salud y fuerza para lograr los objetivos anhelados.

A mis padres Modesto y Rosalía por su gran esfuerzo, por su guía durante esté camino de la vida, por sus

sabios consejos, por su apoyo moral e incondicional en momentos difíciles y sobre todas las cosas por su formidable cariño y confianza que me manifiestan día con día.

A mis hermanos Eduardo y Diana por su apoyo moral e incondicional y por los maravillosos momentos

que hemos gozamos en nuestras vidas.

A ustedes.

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A mis abuelitos y tíos por su apoyo moral e incondicional durante mí formación académica.

A mis compañeros y amigos: Sergio, Claudia, Israel, J. Antonio, Héctor G. y demás compañeros que

lograron que disfrutara de una placentera instancia durante la licenciatura.

Al Ing. Guillermo Basilio Rodríguez que con su ayuda y apoyo fue posible consumar esté trabajo.

Al Ing. Evaristo Velázquez Cazares por haber sido el autor intelectual de esté proyecto.

A mis Profesores que me guiaron de forma estricta y razonable durante mi estancia, entregándome sus

conocimientos, lecciones profesionales y desarrollo personal, por proporcionarme los instrumentos para salvaguardar a mi amada ESIME.

Un enorme agradecimiento al Instituto Politécnico Nacional por haber permitido pisar sus gloriosos

recintos, brindándome el conocimiento y una gran calidad académica en mi formación.

Y a mí amada ESIME, mi alma mater por abrirme sus gloriosas puertas a la educación que sus profesores

imparten con gran ímpetu y sobre todo por darme tantas satisfacciones y vivencias todo ese tiempo durante mi estancias en tan hermosa escuela.

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Con cariño a:

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MII FFAAMMIILLIIAA..

- A mi mamá: Leticia y Lolita.

- A mis hermanas: Ingrid y Leticia M.

- Para mis tío(a)s: Pedro, Paz y Teresa.

- A mi primo: Rodrigo.

M

MIISS MMAAEESSTTRROOSS..

- Ing. Guillermo Basilio Rodríguez.

- Dr. Miguel Jiménez Guzmán.

- Ing. Edgar René Mendoza Rivas.

M

MIISS AAMMIIGGOOSS..

- José Antonio A.

- Diego A.

- Isabel A.

- Luís Manuel A.

- Juan E. V.

Ya que el objetivo ahora alcanzado es el fruto de su apoyo a este proyecto individual que expresa la búsqueda de nuevas metas.

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Quiero dar gracias a:

Dios por haberme permitido darme cuenta de que mi propia vida y los logros que he obtenido se han

construido gracias al trabajo de las personas que me rodean.

A mi familia por el apoyo brindado a lo largo de mis estudios y por enseñarme que con voluntad,

perseverancia y venciendo el temor al fracaso se alcanza el éxito.

A mis maestros por enseñarme que la confianza no es tener respuestas, sino estar abierto a todas las

preguntas.

A mis amigos por que a lo largo del camino enmendaron mis errores y reprobaron mis desaciertos.

Y a todos aquellos que de alguna manera me ayudaron a culminar mi carrera, teniendo en cuenta que el

objetivo ahora logrado también es de ustedes y que la fuerza que me ayudo a conseguirlo fue su apoyo.

C

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Este trabajo y logro se los dedico a todas las siguientes personas por su apoyo, su confianza y sus consejos, ya que fueron parte importante para haber realizado y conseguido este éxito en mis estudios y de mi vida.

PARA MI FAMILIA.

‐ A mis papás: Antonio y Bertha.

‐ A mis hermanos: Jessica y Francisco.

‐ Para mi abuelito: Marcos.

‐ Para mis tíos: Raúl y Luz.

PARA MIS MAESTROS.

‐ Ing. Guillermo Basilio Rodríguez.

‐ Dr. Miguel Jiménez Guzmán.

‐ Ing. Edgar René Mendoza Rivas.

‐ Ing. Evaristo Velásquez Cazares.

PARA MIS AMIGOS.

‐ Claudia Paola C.

‐ Héctor G.

‐ Guadalupe.

‐ Diego A.

I

(8)

Primero que nada le quiero dar las gracias a dios por haberme dado la oportunidad de llegar hasta este

momento y poder lograr una meta más de mi estudios y de mi vida, así mismo le pido que ilumine mi

camino para seguir cosechando mucho más éxitos en mi vida y como profesionista.

En seguida le doy las gracias a mis padres por ser un pilar importante para mi, por inculcarme los

principios y valores que hasta ahora los he llevado a cabo lo mejor posible que he podido y ya que sin su

apoyo, consejos y confianza me hubiera sido mas difícil lograr esto. A mis hermanos, a mi abuelito y

demás familiares por estar conmigo en todo momento; y principalmente a mis abuelitos que ya no se

encuentran físicamente pero que se que desde donde se encuentren están felices de verme realizado.

A los profesores que tuve a lo largo de este camino, pues con sus conocimientos y paciencia siempre

estuvieron ahí poder resolver mis dudas transmitir. A mis compañeros de la escuela, a (Héctor) por

brindarme su amistad, confianza, concejos y hacerme ver mis errores.

A Claudia, por sus consejos, por su ayuda y por estar con migo en todo momento, espero que los muchos

o pocos consejos y ayuda que le brinde le hayan servido, se los di sin intereses y sin esperar nada a

cambio.

Por último a las personas que creyeron en mí, que me estiman y que de alguna manera siempre me

supieron escuchar en los momentos que más los necesite, gracias por sus consejos pues estos me

sirvieron mucho para cambiar algunas cosas en mí.

I

(9)

(10)

ÍNDICE

ÍNDICE

RESUMEN I

ABSTRACT II

LISTA DE FIGURAS III

LISTA DE TABLAS VIII

LISTA DE SÍMBOLOS IX

GLOSARIO XII

OBJETIVOS 1

JUSTIFICACIÓN 2

CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN 3

(11)

CAPITULO 2 MARCO TEÓRICO 9

2.1 INTERRUPTORES EN HEXAFLUORURO DE AZUFRE (SF6) 9

2.2 MÉTODO DE INTERRUPCIÓN ACTUAL 11 2.3 MÉTODO DE DOBLE PRESIÓN 11 2.4 MÉTODO DEL IMPULSO 14 2.5 BOQUILLAS PARA INTERRUPTORES EN SF6 18

2.6 CRITERIOS GENERALES PARA LA SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE INTERRUPTORES 20 2.7 FUTUROS DESARROLLOS DE INTERRUPTORES EN SF6 21

CAPITULO 3 MODELOS MATEMÁTICOS 22

3.1 MODELADO DEL ARCO ELÉCTRICO 22 3.2 MODELO DE CASSIE 23 3.3 MODELO DE MAYR 27 3.4 MODELO COMBINADO DE CASSIE-MAYR 30 3.5 METODOLOGÍA PARA EL MODELADO DE INTERRUPTORES 31 3.6 INTERRUPTOR IDEAL 32

CAPITULO 4 ANÁLISIS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PARA

TRABAJOS FUTUROS 33

4.1 REPRESENTACIÓN DE INTERRUPTORES EN EL ATP 33 4.2 INTRODUCCIÓN 35 4.3 INTERRUPTOR MONOFÁSICO 36 4.4 INTERRUPTOR TRIFÁSICO 44 4.5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS 58

REFERENCIAS 60

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ANEXOS 64

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En este trabajo se analiza el comportamiento transitorio en interruptores de potencia.

Aplicando el modelo combinado de Cassie – Mayr y utilizando el programa EMTP/ATP en su

herramienta gráfica ATPDraw. Se modela el circuito eléctrico para realizar simulaciones

digitales a Interruptores de Potencia en gas SF6.

Una vez obtenido el circuito eléctrico se introducen en el ATPDraw los parámetros obtenidos

mediante pruebas realizadas al interruptor y se observa el comportamiento transitorio al

presentarse una falla, gráficamente se observan las magnitudes de las tensiones y las corrientes

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The transient behavior of power circuit breakers is analyzed using the Cassie and Mayr

combined model. The EMTP/ATP graphic tool, ATPDraw is used for making digital

simulations of the model of the in order to carry out the electric circuit digital simulations of

circuit breakers in gas SF6.

Once the electric circuit is obtained it is introduced in the ATPDraw using as parameters the

results carried out by tests to the switch in order to observe its behavior when a flaw appears in

a graphic form. The magnitudes of tensions and arch currents generated are observed and the

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IPPNN--EESSIIMMEE--ZZAACC III

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CAPITULO 2

Figura 2.1 Interruptor de potencia Tripolar en SF6.

Figura 2.2a Interruptor de Potencia en SF6 de un polo doble presión para 15 000 MVA, 230

kV del tipo Tanque muerto (Westinghouse).Tanque de los Interruptores y

termínales de la carga.

Figura 2.2b Interruptor de Potencia en SF6 de un polo doble presión para 15 000 MVA, 230

kV del tipo Tanque muerto (Westinghouse). Corte de la sección longitudinal de

la unidad de interrupción.

Figura. 2.3a Unidad de polos tipo doble presión en SF6 para 12 000 MVA, 230 kV de la

construcción modular de un Interruptor tipo Siemens. Vista vertical

Figura. 2.3b Unidad de polos tipo doble presión en SF6 para 12 000 MVA, 230 kV de la

construcción modular de un Interruptor tipo Siemens. Vista del diseño

Figura 2.4a Unidad de interrupción de doble presión en SF6 de la construcción modular de

un Interruptor tipo Westinghouse. Sección transversal longitudinal.

Figura 2.4b Unidad de interrupción de doble presión en SF6 de la construcción modular de

un Interruptor tipo Westinghouse. Diagrama que ilustra la secuencia de cierre

(a-b-c) para dos resistencias de paso en el equipo de la unidad de corte.

Figura 2.5 Unidad .modular en SF6 con capacidad de interrupción de 31 kA a 107 kV.

(16)

Figura 2.6b Secuencia de apertura en una unidad modular. Los contactos comienzan a

separarse, presentándose el arco.

Figura 2.6c Secuencia de apertura en una unidad modular. Los contactos continúan

separados, el gas es expulsado a través del arco.

Figura 2.6d Secuencia de apertura en una unidad modular. Los contactos abren

completamente, se extingue el arco.

CAPITULO 3

Figura 3.1 Columna de arco eléctrico de acuerdo a Cassie.

Figura 3.2 Columna de arco de acuerdo a Mayr.

Figura 3.3 Diagrama de bloques del modelo combinado de Cassie - Mayr.

Figura 3.4 Interruptor Ideal.

CAPITULO 4

Figura 4.1 Estructura del Circuito de Prueba (Interruptor Monofásico).

Figura 4.2 Representación del Circuito de Prueba (Interruptor Monofásico) en el

ATPDraw.

Figura 4.3 Curvas de Tensión y Corriente de Arco en la interrupción exitosa.

Figura 4.4 Curva de Tensión de Arco en la entrada del interruptor y en la salida del

(17)

Figura 4.5 Curva de Tensión de Arco medido en la entrada del interruptor.

Figura 4.6 Curva de Tensión de Arco medido en la salida del capacitor Cs.

Figura 4.7 Curva de Corriente de Arco en la entrada del interruptor y en la salida del

capacitor Cs.

Figura 4.8 Curva de Corriente de Arco medida en la salida del circuito paralelo y la

entrada del interruptor.

Figura 4.9 Representación del Circuito de Prueba (Interruptor Monofásico) en el

ATPDraw.

Figura 4.10 Curvas de Tensión y Corriente de Arco en la interrupción exitosa de corriente

con un valor pico de 60 kA.

Figura 4.11 Curva de Tensión de Arco en la entrada del interruptor y en la salida del

capacitor Cs.

Figura 4.12 Curva de Tensión de Arco medido en la entrada del interruptor.

Figura 4.13 Curva de Tensión de Arco medido en la salida del capacitor Cs.

Figura 4.14 Curva de Corriente de Arco en la entrada del interruptor y en la salida del

capacitor Cs.

Figura 4.15 Curva de Corriente de Arco medida en la salida del circuito paralelo y la

entrada del interruptor.

Figura 4.16 Estructura del Circuito de Prueba (Interruptor Trifásico).

I

(18)

Figura 4.17 Representación del Circuito de Prueba (Interruptor Trifásico) en el ATPDraw.

Figura 4.19 Curvas de Tensión de Arco en la entrada del interruptor de la fase A; B y C.

Figura 4.20 Curva de Tensión de Arco en la entrada del interruptor de la fase A.

Figura 4.21 Curva de Tensión de Arco en la entrada del interruptor de la fase B.

Figura 4.22 Curva de Tensión de Arco en la entrada del interruptor de la fase C.

Figura 4.23 Curvas de Corriente de Arco en la entrada del interruptor de la fase A, B y C.

Figura 4.24 Curva de Corriente de Arco en la entrada del interruptor de la fase A.

Figura 4.25 Curva de Corriente de Arco en la entrada del interruptor de la fase B.

Figura 4.26 Curva de Corriente de Arco en la entrada del interruptor de la fase C.

Figura 4.27 Representación del Circuito de Prueba (Interruptor Trifásico) en el ATPDraw.

Figura 3.29 Curvas de Tensión de Arco en la entrada del interruptor de la fase A; B y C.

Figura 4.30 Curva de Tensión de Arco en la entrada del interruptor de la fase A.

Figura 4.31 Curva de Tensión de Arco en la entrada del interruptor de la fase B.

(19)

Figura 4.33 Curvas de Corriente de Arco en la entrada del interruptor de la fase A, B y C.

Figura 4.34 Curva de Corriente de Arco en la entrada del interruptor de la fase A.

Figura 4.35 Curva de Corriente de Arco en la entrada del interruptor de la fase B.

Figura 4.36 Curva de Corriente de Arco en la entrada del interruptor de la fase C.

ANEXO 4

Figura A4.1 Circuito de Prueba.

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CAPITULO 4

Tabla 4.1 Representación del interruptor en el ATP.

Tabla 4.2 Aplicaciones de los Modelos de Mayr, Cassie y Combinado de arco de acuerdo

a los tipos de fallas más comunes.

ANEXO 2

Tabla A2.1 Comparación de la conductividad térmica del SF6 y otros gases.

ANEXO 3

Tabla A3.1 Tensiones Nominales para Interruptores en Alta Tensión.

Tabla A3.2 Corrientes Nominales para Interruptores en Alta Tensión.

Tabla A3.3 Valores de Corrientes Nominales y de Corto Circuito por Niveles de Tensión

para Interruptores en Alta Tensión.

Tabla A3.4 Tiempos de Interrupción a 60 Hz para Interruptores en Alta Tensión

ANEXO 4

Tabla A4.1 Pruebas para interruptores en SF6 con tanque muerto.

Tabla A4.2 Pruebas para interruptores en SF6 con tanque aterrizado de multicontactos.

Tabla A4.3 Pruebas para interruptores en SF6 con tanque vivo.

Tabla A4.4 Pruebas de mediciones de capacitancia para interruptores en SF6 con tanque

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A Amperes.

AT Área de la sección transversal del canal.

ATP Alternative Transient Program.

CA Corriente Alterna.

CD Corriente Directa.

C0 Capacitor.

Cs Capacitor de salida.

e Exponencial

eb (t) Caída de tensión a través del arco en función de t.

EMTP Electro Magnetic Transient Program.

EMTDC Electromagnetic Transients for Direct Current.

f Frecuencia.

GA Conductancia del canal del arco.

(22)

G0 Conductancia por unidad de volumen.

I Corriente del arco en valores instantáneos.

I (t) Valor instantáneo de la corriente en función de t.

I0 Corriente.

Ib Corriente del arco eléctrico.

Hz Hertz.

ΔHR Calor absorbido o cedido por el sistema durante una reacción.

K Variación exponencial con la temperatura.

kA Kilo Amperes.

kV Kilo Volts.

ms Mili Segundos.

msnm Metros Sobré el Nivel del Mar.

Pin Es la potencia suministrada al arco.

P0 Potencia disipada por unidad de volumen.

Pout Es la potencia disipada por el arco.

(23)

Q0 Energía por unidad de volumen.

L0 Inductancia.

R0 Resistencia.

SF6 Hexafluoruro de Azufre.

t Tiempo de duración del arco.

τ Constante de tiempo

V Volts.

VA Tensión del arco en estado estable.

VF Fuente

v Tensión del arco en valores instantáneos.

V0 Tensión inicial del arco en estado estable.

Vb Tensión del arco eléctrico.

VN Tensión Nominal.

We Energía liberada por el arco, durante el tiempo t.

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Alumina Activa.

Material gelatinoso absorbente y de forma granular que elimina la humedad del refrigerante.

Capacitancia.

Propiedad de un circuito eléctrico de oponerse al cambio en la magnitud de tensión a través

del circuito. También se refiere a la característica de un sistema que almacena carga eléctrica

entre sus conductores y un dieléctrico, almacenando energía en forma de campo eléctrico.

Corriente Eléctrica.

Flujo de cargas eléctricas. La corriente es el movimiento de electrones o iones bajo la

influencia de una fuerza electromotriz (f.e.m).

Corriente Nominal.

Valor eficaz (rms) de la corriente expresada en amperes, para el cual está diseñado y que es

capaz de conducir continuamente a la frecuencia nominal.

Frecuencia.

(25)

Inductancia.

Capacidad que tiene un conductor de inducir voltaje en si mismo cuando cambia la corriente.

Interruptor.

Dispositivo que cierra e interrumpe un circuito eléctrico entre contactos separables, bajo

condiciones de carga ó falla.

Par.

Fuerza giratoria que produce rotación mecánica

Potencia De Ruptura.

Es la intensidad de corriente de ruptura que en un interruptor puede dejarse satisfactoriamente,

a la tensión prevaleciente en el sistema.

Reacción Endotérmica

Cuando el calor de reacción (ΔHR) es positivo, indica que la reacción absorbe calor.

Reacción Exotérmica

Cuando el calor de reacción (ΔHR) es negativo, indica que la reacción libera calor.

Resistencia.

Propiedad de los materiales que se opone al flujo de la corriente eléctrica.

I

(26)

Resistividad.

Magnitud característica que mide la capacidad de un material para oponerse al flujo de una

corriente eléctrica.

Tensión De Diseño.

Es la tensión nominal máxima de operación para la cual el fabricante garantiza su equipo en

condiciones de régimen permanente.

Tensión Eléctrica.

La diferencia de potencial o tensión eléctrica es la diferencia algebraica entre los potenciales

eléctricos que existen entre dos puntos y corresponde a la razón del trabajo respecto a la carga.

Está tensión eléctrica origina la circulación de cargas eléctricas a través de un circuito o red

eléctrica.

Tensión De Flameo

Es el valor de tensión al cual se tiene una probabilidad de flameo del 50 % y los valores

usados para el diseño corresponden al nivel de tensión que el aislamiento del equipo eléctrico

puede soportar repetidamente sin que presente daños, puede ser por impulso de rayo o de

maniobra que son cantidades inferiores a su tensión critica de flameo.

Tensión Nominal.

Máximo valor eficaz (rms) de tensión entre fases para el cual el interruptor está diseñado y

representa el límite superior de la tensión del sistema al cual el interruptor puede operar en

(27)

Tensión De Recuperación De Régimen Permanente.

Es la tensión que se establece en los contactos del interruptor solo a frecuencia nominal.

Tensión De Recuperación Transitoria

Es la tensión que aparece en los contactos del interruptor en el primer intervalo (cuando el

proceso transitorio de la maniobra está en desarrollo).

I

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a Analizar el comportamiento transitorio en interruptores de potencia en gas SF6

(Hexafluoruro de azufre) utilizando para la simulación digital en ATP (Alternative

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IPPNN--EESSIIMMEE--ZZAACCAATTEENNCCOO 2

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El análisis del comportamiento transitorio de un interruptor en sistemas eléctricos de potencia,

es de vital importancia ya que es el medio mecánico capaz de interrumpir las corrientes de

falla. Por lo anterior se hace necesario comprender los fenómenos que afectan a estos

dispositivos de protección.

En el campo de la Ingeniería Eléctrica se utilizan herramientas computacionales tales como

PSpice, Matlab, EMTP/ATP, EMTDC, Microtran, etc, para la selección de equipo de

protección, en este caso se utilizará el programa EMTP/ATP para simular digitalmente el

comportamiento de interruptores de potencia en gas SF6 en el proceso de corte de la corriente

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En la actualidad el continuo crecimiento del consumo de energía eléctrica y el necesario

cumplimiento de las exigencias propias del mercado obligan a las compañías prestadoras del

servicio eléctrico a mejorar día con día la calidad de la energía entregada y a un paulatino

incremento del área definida de servicio, trayendo consigo un continuo aumento de la longitud

de las líneas de transmisión, incremento de unidades generadoras y su necesaria interconexión

para asegurar un óptimo abastecimiento de la demanda.

Un elemento común en los sistemas eléctricos empleado para la protección, operación o

interconexión es el interruptor de potencia, es un dispositivo mecánico capaz de establecer,

conducir e interrumpir corrientes bajo condiciones normales operación, así como establecer y

conducir, por un tiempo especifico, e interrumpir corrientes bajo condiciones anormales tal

como puede ser en corto circuito [1]. Este cambio de estado se puede efectuar bajo carga, para

liberar una falla, o bien por razones de servicio para conectar o desconectar cualquier tipo de

equipo eléctrico o líneas de transmisión que en mucho depende del lugar en donde vaya a

operar.

El comportamiento de los interruptores en un sistema de potencia, independientemente del

tipo del que se trate, es de suma importancia ya que la corriente que suelen conducir puede ser

de naturaleza capacitiva (línea en vacío, maniobras con bancos de capacitores), resistiva o

inductiva (como lo son la mayoría de las cargas), por lo cual debe de contar con ciertas

características especiales, como son nivel de aislamiento, capacidad interruptiva de corrientes

de falla, corriente nominal de operación, nivel nominal de tensión de operación, tiempos y

(31)

Hacer una clasificación específica de los interruptores de potencia es difícil. Sin embargo, una

manera de lograrlo es a través del medio de extinción del arco, tales como, interruptores en

SF6 (Hexafluoruro de azufre), aceite (pequeño y gran volumen), aire, vacío, soplo de aire (air

blast) y soplo magnético, entre los más comunes. Existen clasificaciones por su mecanismo de

interrupción (hidráulico, neumático, resortes, etc.), por el tipo de cámaras de extinción, tensión

de operación, etc.

1.1 INTRODUCCIÓN

Los dispositivos de conexión y desconexión, utilizados para asegurar la continuidad o

discontinuidad de los circuitos eléctricos de alta tensión se denominan en general, aparatos de

corte.

1.1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE CORTE SEGÚN SU FUNCIÓN

Seccionadores. Dispositivos utilizados para abrir o cerrar un circuito cuando no existe

corriente, diseñados específicamente para aislar una red de baja tensión, maquinas, conjuntos

de equipos o una sección de una línea, para fines de mantenimiento o reparación.

Interruptores. Aparatos destinados a interrumpir y a conectar circuitos en condiciones

normales de carga.

Interruptores – Seccionadores. Interruptores que en posición de apertura, responden además a

las condiciones impuestas a los seccionadores.

Disyuntores o Interruptores de Potencia. Dispositivos destinados a abrir o cerrar circuitos en

condiciones normales de carga, o en condiciones anormales que se presentan en el caso de

fallas. Pueden ser accionados manualmente (local o control remoto).

I

(32)

1.1.2 TAREAS FUNDAMENTALES EN LOS APARATOS DE CORTE.

Se requiere que cualquier aparato de corte, sin tomar en cuenta su aplicación particular,

efectué cuatro operaciones fundamentales:

a Cerrado, debe de ser un conductor ideal.

a Abierto, debe de ser un aislador ideal.

a Cerrado, debe de ser capaz de interrumpir la corriente a que fue diseñado, rápidamente y en cualquier instante, sin producir sobre Tensiones peligrosas.

a Abierto, debe de ser capaz de cerrar rápidamente y en cualquier instante, bajo corrientes de falla, sin soldarse los contactos por las altas temperaturas.

1.1.3 ELEMENTOS PRINCIPALES DE LOS APARATOS DE CORTE.

a Circuito principal.

a Aislamiento.

a Gabinete de mando y de control.

a Mecanismo de accionamiento.

1.2 ARCO

ELÉCTRICO

Cuando un interruptor abre un circuito con carga o despeja una falla es inevitable la presencia

del arco eléctrico, lo que sin duda es una condición desfavorable en la operación de los

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:

a La naturaleza y presión del medio ambiente donde se induce.

a La presencia de agentes ionizantes o desionizantes.

a La tensión entre los contactos y su variación en el tiempo.

a La forma, separación y estructura química de los contactos.

a La forma y composición de la cámara de extinción.

(33)

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.

Se puede decir que la emisión de electrones desde la superficie de los contactos de un

interruptor, se debe a las siguientes causas:

a Aumento de temperatura, originando una emisión termo-iónica de electrones.

La emisión termoiónica de electrones se produce por el aumento en la resistencia y en la

densidad de corriente en la superficie de los contactos, al momento de producirse la apertura.

De igual forma, el alto gradiente de potencial existente entre los contactos durante los

primeros instantes del proceso de apertura origina un proceso de emisión de electrones por

efecto de campo eléctrico. Estos electrones altamente energéticos chocan con las moléculas

del medio, produciendo una reacción química endotérmica o exotérmica. La energía calorífica

desarrollada durante el arco es altamente destructiva y puede calcularse por medio de la

ecuación.

∫

=

t _b

e

i

t

e

t

dt

W

0

)

(

)

(

Donde:

We: Energía liberada por el arco, durante el tiempo t.

I (t): Valor instantáneo de la corriente en función de t.

eb (t): Caída de tensión a través del arco en función de t.

t : Tiempo de duración del arco. [2].

I

(34)

1.3 ESTADO DEL ARTE

En Mayo de 1988 los miembros de IEEE V. Phaniraj y A. G. Phadke del Instituto Politécnico

de Virginia y la Universidad Estatal presentaron el artículo de Modelado de Interruptores en el

EMTP, en el cual publicaron experimentos y resultados teóricos de modelos de arco que

hicieron posible la implementación y pruebas de un modelo dinámico a interruptores en el

EMTP. Fueron desarrollados parámetros del modelo obtenidos a partir de datos de

pruebas. [16]

Para el año de 1995 en el mes de Julio los eslovenos miembros de IEEE Grega Bizjak de la

facultad de electricidad, Meter Zunko ingeniero en computación de la Universidad de

Ljubljana Eslovenia y Dusan Povh de SIEMENS presentaron el articulo Modelo de un

Interruptor para Simulación Digital basado en las Ecuaciones Diferenciales de Arco de Mayr y

Cassie. Esté modelo puede ser usado para determinar la interrupción de la corriente de un

interruptor. [33]

En Enero de 2004 los miembros de IEEE Grega Bizjak, Meter Zunko y Dusan Povh

presentaron el artículo Modelo Combinado de Interruptores en SF6 para Uso en Programas de

Simulación Digital. Este modelo combinado esta planeado para simulaciones detalladas de

transitorios por maniobra en sistemas eléctricos de potencia en casos donde la interacción

entre fenómenos físicos en el interruptor y en el sistema. El modelo del interruptor es un

modelo de caja negra introducido en el modelado del sistema como a elementos de dos polos

con una impedancia variable. El modelo desarrollado puede ser utilizado para varias

simulaciones, como modelos de una fase ó modelos de tres fases. [25]

Harem A. Darwish y Nagy I. Elkalashy presentaron el artículo Representación Universal del

Arco Usando EMTP en Abril de 2005. Una preliminar descripción de un nuevo modelo de

arco podría ser introducida en implementación de modelo de arco de interruptores usando

(35)

1.4 ORGANIZACIÓN DE LA TESIS

CAPITULO 1: “INTRODUCCIÓN”.

Se presenta el marco dentro del cual se desarrollo el trabajo, los objetivos y la organización de la tesis.

CAPITULO 2: “MARCO TEÓRICO”.

Se detalla la información acerca del interruptor de potencia en hexafluoruro de azufre (SF6).

CAPITULO 3: “MODELOS MATEMÁTICOS”.

Se desarrolla una metodología a partir de ensayos reales de interruptores de potencia en Hexafluoruro de azufre (SF6) a fin de ser

utilizada en una simulación digital.

CAPITULO 4: “ANÁLISIS”.

Se presentan a detalle las conclusiones, se destacan los aportes realizados y se detallan futuras líneas de investigación.

Además el presente trabajo se complementa con tres anexos:

ANEXO 1: “EMTP/ATP”.

Se presenta información relacionada con el programa utilizado para realizar el análisis.

ANEXO 2: “HEXAFLUORURO DE AZUFRE”.

Contiene información de las propiedades del SF6 (hexafluoruro de azufre).

ANEXO 3: “TABLAS”.

Aquí se presenta información para seleccionar un interruptor de potencia.

ANEXO 4: “PRUEBAS EN INTERRUPTORES DE POTENCIA”.

Se presenta información de cómo realizar las distintas pruebas para interruptores de potencia.

ANEXO 5: “MANTENIMIENTO EN INTERRUPTORES DE POTENCIA”.

Contiene información de cómo realizar el mantenimiento a los interruptores de potencia.

I

(36)

C

A

P

I

T

U

L

O

2

M

A

R

C

O

T

E

Ó

R

I

C

O

2.1 INTERRUPTORES EN HEXAFLUORURO DE AZUFRE (SF

6

)

Uno de los avances en el campo de la alta tensión es el interruptor en SF6 (Hexafluoruro de

azufre). El gas se utiliza como medio de aislamiento y extintor de arcos eléctricos. Este es el

único gas que posee las propiedades físicas, químicas y dieléctricas favorables para la

extinción del arco. [2]

Al ocurrir la apertura en presencia de SF6, la tensión del arco se mantiene en un valor bajo,

razón por la cual la energía disipada no alcanza valores elevados. La rigidez dieléctrica de este

gas es 2.5 veces superior a la del aire (a presión atmosférica). Esta rigidez depende de la forma

del campo eléctrico entre los contactos, el que a su vez depende de la forma y composición de

los eléctrodos. Si se logra establecer un campo magnético no uniforme entre los contactos, la

rigidez dieléctrica del SF6 puede alcanzar valores cercanos a 5 veces la del aire. Son unidades

selladas herméticamente que pueden operar por largo tiempo sin mantenimiento, debido a que

el gas prácticamente no se descompone, además de no ser abrasivo.

Las principales desventajas de este tipo de interruptores son las siguientes:

1. No pueden operarse a temperaturas muy bajas (inferiores a 10° C), para evitar que el

gas se licue, lo que obliga a utilizar calefactores cuando se emplean en exteriores.

(37)

[image:37.612.88.485.67.532.2]

Figura 2.1 Interruptor de potencia Tripolar en SF6.

Donde:

Espacio libre para servicio. Indicador de energía acumulada.

A F

Terminales de alta tensión. Indicador de posición.

B G

Densímetro C SF6. Entrada H de cables.

Tapa central de SF6. Placa de datos.

D J

Puntos para izaje. Gabinete de alimentación

E K

I

(38)

2.2 MÉTODOS DE INTERRUPCIÓN ACTUAL

Los métodos principales utilizados para la interrupción de corriente son: “Método de Doble

Presión” y “Método del impulso”.

Estos métodos se basan en utilizar el efecto térmico en una sección del arco, para así generar

la presión suficiente del gas logrando que el gas reaccione en una segunda sección en el arco

existente dentro de una cámara que se encuentra separada o en la libre interrupción de las

corrientes de carga en una atmósfera inmóvil de SF6 bajo la presión moderada que ha estado

limitada en la práctica, en la primer caso experimental bajo la capacidad de la carga del

seccionador recierre del interruptor por medio de los sistemas de distribución y para el

segundo caso por medio de una alta tensión que desconecta los interruptores.

2.3 MÉTODO DE DOBLE PRESIÓN

El primer interruptor de potencia que utilizo el gas SF6 se desarrollo en Estados Unidos

manteniendo las concepciones de la estructura general del volumen de aceite del interruptor

teniendo la cámara de extinción y cada uno de los contactos de fase alojados en un tanque de

acero como el que se muestra en la figura 2.2 a. Debido a su costo, el SF6 no se descarga en la

atmósfera y por consiguiente el interruptor contiene en su construcción una unidad

completamente sellada que aloja al gas SF6. El sellado entre las diferentes secciones en el

interruptor es mediante roldanas de Neopreno, mientras el sellado para cada una de las

secciones se va alternando, se transmiten y manejan las fuerzas del mecanismo de operación

externo, hecho con varios anillos de Teflón actuando en serie y formando una sección en “V”.

Así la roldana de Neopreno tiene una sección en cruz redonda o rectangular montada en las

hendiduras redondas mecanizadas en las pestañas de metal. Las roldadas han sido utilizadas

desde 1960 siendo capaces de resistir al formarse el arco, a la penetración del agua, al

deterioro del ozono, a la alta y baja temperatura, etc. El dieléctrico y las propiedades de

apagado del arco de SF6 no son reducidas significativamente por la formación del arco, y los

contactos designados han sido desarrollados de tal manera que pueden ser sujetados y

(39)

considerar el sellado hermético del SF6 ya que el interruptor necesita estar abierto para

[image:39.612.88.542.133.378.2]

inspección y mantenimiento.

Figura 2.2 a Interruptor de Potencia en SF6 de un polo doble presión para 15000 MVA, 230 kV del tipo Tanque muerto (Westinghouse). Corte de la sección longitudinal de la unidad de interrupción

Figura 2.2 b Interruptor de Potencia en SF6 de un polo doble presión para 15000 MVA, 230 kV del tipo Tanque muerto (Westinghouse). Tanque de los Interruptores y termínales de la carga.

I

(40)

Los contactos se muestran esquemáticamente en la figura 2.2 b y son sumergidos para el

propósito de aislamiento en una atmósfera de SF6 a una presión de 3 atm absolutas. La carga

interna del conductor aísla los conductores interiores del tanque de acero por la misma

atmósfera aislante. La construcción de los contactos minimiza la doble erosión de la formación

del arco en las porciones que conducen corriente en la posición cerrada del interruptor. Para

lograr esta corriente se colocan a través de las paredes laterales del contacto fijo los fingers

(elemento por donde circula la corriente) que cooperan con el movimiento de los contactos.

Una cámara de arco, localizada dentro del grupo de los fingers son proyectados a una distancia

corta de la cavidad en el extremo del contacto móvil. Al abrir, el arco se transfiere

rápidamente del extremo del grupo de los fingers al formarse el arco localizado en el contacto

central y en el extremo del contacto móvil; ambas superficies se cubren con un material

resistente al arco.

La función de interrupción se realiza por el flujo de SF6 a alta velocidad a través del orificio de

una boquilla hecha de Teflón (un material aislante especial resistente al arco) localizada dentro

de la cámara que extingue al arco. El gas es mantenido aproximadamente a 16 atm absolutas

dentro de un depósito de alta presión durante el funcionamiento normal. A la salida del

contacto de movimiento, en funcionamiento de apertura, la válvula de expulsión abre hacia

abajo el control de una válvula piloto y permite que el gas fluya a una alta presión a través de

un orificio de interrupción de un tubo aislante, mientras se extingue el arco los contactos

móviles son movidos a la posición abierta. Como la unión del contacto alcanza la posición

abierta, la válvula piloto cierra la válvula principal de expulsión y conserva gas para la

siguiente operación.

Después de cada interrupción, el sistema del compresor bombea bajo presión el gas del

interruptor de potencia a los tanques de depósito de alta presión enviándolo a un filtro que

contiene alúmina activa (material gelatinoso absorbente y de forma granular que elimina la

humedad del refrigerante). Subsecuentemente a 16 atm absolutas el gas es licuado

aproximadamente a 10 °C, se proporciona un arreglo calorífico al rededor del depósito de alta

(41)

La distribución uniforme de Tensión por cada uno de los interruptores se obtiene por las líneas

de montaje del condensador. Los escudos electrostáticos alrededor de las porciones de metal

de la línea de montaje controlan el campo eléctrico entre el interruptor y el tanque.

La capacidad de interrupción de la cámara de extinción típica descrita anteriormente se probó

durante 1959, de 52 kA a 22 kV y ha permitido la construcción de un interruptor de potencia

capaz de interrumpir 15 000 MVA a 230 kV dentro de tres ciclos, usando tres interruptores

para cada fase, como se ilustra esquemáticamente en la figura. 2.2 a.

2.4. MÉTODO DEL IMPULSO

Este tipo de interruptor ha sido llamado incorrectamente de presión simple por que el SF6

permanece en el interruptor a una presión constante en el rango de 3-6 atm absolutas, con la

función de aislar las partes del interruptor que presentan diferentes potenciales.

Durante la operación de apertura, el gas contenido en el interior del interruptor se comprime

para mover el soporte cilíndrico de los contactos por medio de un pistón.

La fuerza mecánica requerida para los interruptores por compresión de gas en las unidades de

contactos ha sido suministrada por mecanismos que representan una costosa parte del

interruptor. Las ventajas de explotar la misma propiedad de regulación ha resultado en adoptar

más diseños para el mecanismo neumático.

El mecanismo neumático ha adquirido un registro de confiabilidad en su operación,

prácticamente a remplazado el mecanismo de solenoide en el interruptor, su habilidad de

proporcionar altos niveles de energía y su independencia a necesitar acumuladores. Esto

requiere solamente secar y limpiar el aire bajo presiones moderadas de 12-20 atm.

Un ejemplo de una unidad contenida con capacidad de interrupción de 31 kA a 105 kV es

representada en la Fig. 2.5. La figura muestra dos secciones transversales de una unidad

modular, donde el contacto móvil aparece en la posición abierta y cerrada respectivamente.

I

(42)

Consiste en un cilindro aislado sellado y lleno con SF6 a 5 atm absolutas. Los sellos son tipo

[image:42.612.121.506.135.524.2]

estáticos y utilizan Neopreno tipo O en los empaques.

Figura 2.5 Unidad modular en SF6 con capacidad de interrupción de 31 kA a 107 kV.

Donde:

1. Contenedor del sistema de nivel.

2. Sello de asilamiento del nivel externo con el nivel interno. 3. Fingers del contacto corredizo.

4. Contacto de cobre móvil.

(43)

6. Cilindro móvil de aleación de aluminio. 7. Fingers del contacto móvil.

8. Contacto de arqueo con la punta de aleación de tungsteno.

9. Boquillas de Teflón.

10. Contacto estacionario. 11. Cubierta de porcelana.

12. Empaque tipo “anillo” para el sellado permanente. 13. Protección del tubo aislante.

14. Niveles para mantener firme la tapa de porcelana a través de los anillos de sellado permanente. 15. Terminales.

16. Tapa superior.

17. Recipiente que contiene las substancias absorbidas. 18. Tapón para llenar el contenedor y controlar la presión.

19. Tapa movible.

El contacto fijo tiene la forma de un tubo hueco como se muestra en la Fig. 2.6, cuando la

posición sucesiva del contacto móvil esta cerrada Fig. 2.6 a y abierta Fig. 2.6 d. Cuando los

contactos se separan, se forma un arco como se observa en la Fig. 2.6 b. Si la intensidad de

corriente no es muy alta esta se extingue hasta cero debido al efecto desionizante del SF6 y por

la expulsión de gas causada por el pistón. El efecto de impulso y la distancia de contacto en el

instante de interrupción son pequeños y la presión del gas es baja. Esta característica es

importante para la interrupción de las pequeñas corrientes inductivas por consiguiente no

existen sobretensiones.

En el caso de pequeñas corrientes capacitivas que se interrumpe a cero después de que los

contactos se separan, aparece el valor de tensión máxima después de un medio ciclo, este

tiempo es suficiente para la separación de los contactos alcanzando una longitud que será

capaz de resistir estas tensiones y prevendrá el arco de reignición.

Si el corto circuito de corriente es alto la interrupción no podría ocurrir al pasar por cero y el

arco podría producir un efecto de bloqueo en la boquilla que impide al SF6 fluir libremente

fuera del cilindro. La presión dentro del cilindro aumentará (Fig. 2.6 c). Al segundo o tercer

paso por cero, dependiendo de la intensidad de corriente, se recupera el voltaje dV/dt y en el

I

(44)

instante de la separación de contactos, la presión del gas dentro del cilindro alcanzará un valor

suficiente para producir la expulsión de gas asegurando la extinción del arco.

Por consiguiente la presión del gas se ajusta de acuerdo a la función que se lleve a cabo y la

fuerza de apertura es aplicada por un mecanismo de operación que usa aire comprimido para

la apertura así un medio estará disponible para la interrupción, desde que se aplica una fuerza

[image:44.612.112.515.235.603.2]

instantánea por el aire comprimido al mecanismo del pistón ajustándose automáticamente.

Figura 2.6. Secuencia de apertura en una unidad modular. 2.6 a Los contactos están cerrados.

2.6 b Los contactos comienzan a separarse, presentándose el arco.

(45)

Otra característica importante de este tipo de interruptor es la considerable capacidad de

interrupción que se tiene con la presión reducida del gas SF6 y esta unidad ha sido probada con

una presión interna de 1 atm absoluta representando el límite más bajo de presión para el caso

de una unidad deteriorada, y en estas condiciones se ha interrumpido a 20 kA a un

valor de 0.1. Esto permite abrir el interruptor en servicio aún cuando la inspección del

manómetro de gas individual indique presión baja en la unidad modular.

Durante la apertura el interruptor cierra el mecanismo de carga localizado en el chasis de

potencial de tierra. Debido al peso ligero de las partes el esfuerzo es relativamente pequeño y

no influye en el cierre de los contactos; el paso de gas en la cámara de interrupción puede

causar un incremento de presión, con la alta corriente de pre arqueo se obtiene una fuerza

adicional en dirección de los contactos de cierre. Las palancas que operan las diferentes

unidades modulares que constituyen una fase del interruptor están mecánicamente conectadas

al mecanismo de operación a través de las barras aislantes manteniendo constante la baja

tensión generando que todos los contactos operen simultáneamente.

Repitiendo la prueba de corto circuito las corrientes cubren el rango de pequeños valores

inductivos. Con 400 kA se ha demostrado que el dieléctrico y las propiedades de interrupción

de SF6 no se alteran. La inserción de resistencias de uno o dos pasos durante la operación de

cierre se colocan en ligeras unidades externas que contienen a los contactos y las resistencias,

el último cierre del interruptor principal desvía las resistencias y causa que estas se desplacen

aproximadamente 10 ms después de la inserción de la resistencia.

2.5 BOQUILLAS

PARA

INTERRUPTORES EN SF

6

Las boquillas usadas actualmente en los Interruptores en SF6 son normalmente hechas de

Teflón (Polytetrafluoretileno). Las características de esta resina aislante son únicas y

mecánicamente fuertes, fácilmente manejables y capaces de resistir temperaturas

relativamente altas; tiene la propiedad de vaporización bajo la acción directa de los arcos

eléctricos de corta duración sin la carbonización.

I

(46)

El proceso de interrupción del arco eléctrico parece ser influenciado favorablemente por la

presencia del material mientras otros materiales refractarios, como las cerámicas, además de

ser mecánicamente frágiles, pierden sus propiedades aislantes bajo la acción del calor del arco

eléctrico. La reducción de dimensiones en las unidades de interrupción, a menudo montadas

en un contenedor, han favorecido el uso de boquillas axiales hechas de materiales aislantes,

pero la razón principal para tal preferencia son las siguientes: las boquillas de metal, usadas en

Interruptores de aire comprimido, necesitan ser protegidas contra la acción directa del arco por

una velocidad alta y el flujo continuo del medio de interrupción obtenido por un reactor de alta

presión que descarga aire libre a la atmósfera y no es dañado por la presión de la parte de atrás

que existe en un ambiente cerrado. El gas de SF6 tiene una densidad mucho más alta que la del

aire, y a causa de su costo es usado en interruptores que no descargan el gas externamente; su

rapidez de descarga es mucho más baja y podría ser insuficiente proteger las boquillas de

metal de la acción directa del arco. Sin embargo, las boquillas de teflón han demostrado la

capacidad de resistir satisfactoriamente tal acción, resistiendo sin un daño serio a un gran

número de operaciones de interrupción repetitivas con corrientes de corto circuito que

alcanzan los 70 kA.

Las formas de las boquillas usadas en interruptores de doble presión en SF6 son ampliamente

similares a aquellas usadas en los interruptores de aire comprimido, las tipo Ruppel aseguran

un flujo continuo de gas que evita la formación de vórtices (remolino) capaces de perturbar el

flujo de gas. Éste tipo de boquillas han sido generalmente adoptadas en interruptores de aire

comprimido porque además el aire ionizado necesita ser eliminado rápidamente del espacio

del arco para obtener un buen aislamiento entre los contactos de separación, sin embargo esta

condición no es esencial en los interruptores de doble presión en SF6 debido a las propiedades

inherentes del gas que recupera sus características aislantes mucho más rápido que el aire

después de la corriente cero y no necesita ser reemplazado completamente por un gas nuevo.

Las formas de las boquillas usadas en el impulso o en el interruptor de presión son diferentes a

aquéllas utilizadas en el interruptor de aire comprimido y al de doble presión en SF6. Debido a

su posición con respecto al contacto móvil qué rodea al arco durante su desarrollo, las

(47)

limitada por el diámetro del contacto móvil que lo rodea. Las aberturas de descompresión en la

sección cilíndrica de las ranuras anulares, cortan la superficie interna de la sección de

descarga, teniendo dimensiones y formas seleccionadas para asegurar en ambos el flujo

apropiado del gas eliminando completamente los productos de descomposición generados por

el material de las boquillas debido a las altas temperaturas impuestas por el arco eléctrico.

2.6 CRITERIOS

GENERALES

PARA LA SELECCIÓN Y

APLICACIÓN DE INTERRUPTORES

a El tiempo de cierre del interruptor a una frecuencia de 60 Hz, debe ser como máximo 0.16 segundos (10 ciclos).

a La capacidad de ejecución a tensión nominal para la apertura del interruptor deberá ser de 0.3 segundos.

a La operación de cierre seguida de una operación de apertura, sin ningún retraso adicional, debe ser de 3 minutos.

a Los interruptores deben cumplir con no exceder las diferencias en simultaneidad de tiempos de operación entre el primero y el último polo, de acuerdo a las siguientes

condiciones:

A. En operación de cierre, 3 ms, máximo.

B. En operación de apertura, 2 ms, máximo.

a Cuando exista más de una cámara de interrupción por polo, se debe verificar de no exceder las diferencias de simultaneidad de tiempos de operación entre el primero y el

último contacto del mismo polo, de acuerdo a las siguientes condiciones:

A. En operación de cierre, 2 ms, máximo.

B. En operación de apertura, 2 ms, máximo. [8]

I