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 Cámaras de Corte en  Interruptores de Poder
Por Christian Leiva, LAM Technical Competency and Resource Manager de Alstom Grid Chile. www.alstom.cl 

La interrupción de los circuitos eléctricos de potencia siempre ha sido una función de vital importancia, especialmente en el caso de sobrecargas o de cortocircuitos, cuando se hace necesaria la interrupción inmediata del flujo de la corriente como una medida de protección. El problema básico se ha centrado en controlar y extinguir el arco eléctrico de Alta Tensión, el que ocurre necesariamente al separar los contactos de un interruptor de poder, cuando se abren circuitos de elevada corriente.

Dado que los arcos generan una gran cantidad de energía calórica, a menudo destructiva para los contactos del interruptor, la tecnología ha desarrollado maneras de limitar su duración y contactos que pueden soportar el efecto del arco una y otra vez. Actualmente, en las subestaciones eléctricas es posible encontrar una amplia gama de tipos y familias de interruptores de Alta Tensión, los que cubren diferentes requerimientos del sistema eléctrico, pudiendo ser éstos clasificados por Tipo de Accionamiento, Medio Dieléctrico para la extinción del arco eléctrico y Función.

Con respecto al Tipo de Accionamiento, podemos agruparlos en:

Neumáticos: Se identifican visualmente por la presencia de un equipo compresor y un estanque acumulador de gran volumen.

Hidráulicos: Identificados por un grupo motobomba, mangueras de alta y baja presión, además de un acumulador de nitrógeno con forma de cilindro.

De resortes: Reconocibles por poseer una pequeña caja metálica adosada al cárter o base del interruptor o a un sistema de barras.

Además, estos tipos de accionamientos pueden operar cada polo del interruptor de forma simultánea (mando tripolar) o independiente (mando monopolar).

En relación al medio dieléctrico empleado para la extinción del
arco eléctrico, también es posible identificar tres grandes grupos: Aire, Aceite y SF6 (+ N2 o CF4).

En los interruptores de poder que utilizan Aceite como medio dieléctrico (OCB, Oil Circuit Breaker), el arco es drenado en el aceite dentro de un compartimiento especial de la cámara de interrupción llamada “olla de explosión” (explosion pot). El intenso calor del arco descompone el aceite y produce gases, compuestos principalmente del hidrógeno, generando una alta presión, la cual produce el flujo del fluido a través del arco y fuera de la olla de explosión a través de sus rejillas de ventilación situadas en las paredes. De esta manera, se extiende la columna del arco y aleja su energía hasta la extinción total. En los interruptores de soplo de Aire, el aire se comprime hasta altas presiones y cuando los contactos se separan, se abre mecánicamente una válvula para descargar el aire en alta presión al ambiente, creando así un flujo de muy alta velocidad cerca del arco, que lo “arranca” y logra así disipar su energía.

Este mismo principio se aplica en los interruptores de poder en SF6, donde el medio dieléctrico es el SF6 en lugar del aire. Normalmente en estos interruptores, el movimiento de los contactos comprime el gas y lo dirige a través de una tobera de teflón a la base del arco.

Es aquí donde toma importancia la extinción del arco eléctrico, siendo el corazón de los actuales interruptores de poder el elemento de conmutación o cámara de corte. Esta extinción estará condicionada por el cruce por cero de la corriente, una suficiente distancia entre electrodos (contacto fijo y móvil), el enfriamiento del arco por soplado de SF6 y, finalmente, la renovación y el restablecimiento del medio eléctrico.


Principio de operación de las cámaras de corte en SF6

Figura 1. Interruptores de potencia de SF6 tradicional y
con tecnología Double-Motion.

La interrupción de la corriente se realiza en el transcurso de pocos milisegundos, pasando del estado conductor al estado aislante. Durante el movimiento de desconexión, se origina un arco eléctrico, que se apaga por un soplo de gas dentro de la cámara de corte.

Al inicio de la maniobra de apertura, los contactos principales se separan y toda la corriente fluye a través de los contactos de arco o sacrificio. A medida que la carrera o desplazamiento del contacto móvil continúa, se alcanza el punto donde los contactos de sacrificio también se separan, dando origen a la aparición del arco eléctrico. La mayoría de las veces es el mismo calor del arco el responsable de desencadenar el autosoplado de SF6 y, por consecuencia, su extinción; esto debido al aumento de la presión del gas en el interior del volumen térmico. En el caso donde el arco no es el suficiente para calentar el SF6, operará por simple compresión el volumer neumático. Es decir, el principio básico de funcionamiento de los volúmenes térmico y neumático es aumentar la presión del gas SF6 atrapado en estos compartimientos, ya sea por la acción del calentamiento del gas por el propio arco eléctrico o por la operación selectiva de un juego de válvulas, generando de esta forma un autosoplado de SF6 “inteligente”, el cual es capaz de discriminar la operación, según sea la energía del corte eléctrico.

Por otra parte, durante la maniobra de cierre, el juego de válvulas permite el relleno de gas SF6 para así garantizar una posible reapertura y lograr un nuevo autosoplado.

En los interruptores de potencia de SF6 de 3ª generación con tecnología Double-Motion, se ha incorporado una idea innovadora en el diseño de las cámaras de corte, respecto al movimiento de los contactos principales.

Como se aprecia en la Figura 1, existe un juego de balancines conectados a través de barras que permiten un movimiento bilateral de los contactos superior e inferior (nótese que ya no hablamos de contacto fijo y móvil). Al mover ambos sistemas de contacto, se requiere sólo la mitad de la velocidad de cada uno (quedando el resto de parámetros casi iguales, tales como los tiempos de cierre y apertura), por lo que se produce un ahorro significativo de la energía necesaria del accionamiento mecánico, de acuerdo a la ley E = 1/2 mv2.

Por otro lado, las masas adicionales necesarias para este diseño contrarrestan, en parte, el ahorro de energía. Sin embargo, y a pesar de ello, el resultado final es una reducción de la demanda de energía de corte de aproximadamente un 65%, lo que conlleva, además, una reducción drástica en los esfuerzos de reacción sobre la columna polar, la caja de bielas, el bastidor, el mecanismo de accionamiento, las estructuras de soporte y, por último, sobre las fundaciones.

Junio 2012
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