En un sistema de energía eléctrica , un tablero está compuesto por interruptores de desconexión eléctrica, fusibles o disyuntores utilizados para controlar, proteger y aislar equipos eléctricos. El interruptor se utiliza tanto para desenergizar el equipo para permitir que se realice el trabajo como para eliminar fallas aguas abajo. Este tipo de equipos está directamente ligado a la fiabilidad del suministro eléctrico .
Las primeras centrales eléctricas utilizaban simples interruptores de cuchilla abiertos , montados sobre paneles aislantes de mármol o amianto . Los niveles de potencia y los voltajes aumentaron rápidamente, haciendo que abrir interruptores operados manualmente fuera demasiado peligroso para cualquier otra cosa que no fuera el aislamiento de un circuito desenergizado. Los equipos de distribución llenos de aceite permiten contener y controlar de forma segura la energía del arco. A principios del siglo XX, una línea de aparamenta sería una estructura cerrada de metal con elementos de conmutación operados eléctricamente mediante disyuntores de aceite. Hoy en día, los equipos llenos de aceite han sido reemplazados en gran medida por equipos de soplado de aire, vacío o SF 6 , lo que permite controlar de forma segura grandes corrientes y niveles de potencia mediante equipos automáticos.
Los cuadros de alta tensión se inventaron a finales del siglo XIX para operar motores y otras máquinas eléctricas. [1] La tecnología se ha mejorado con el tiempo y ahora se puede utilizar con voltajes de hasta 1100 kV. [2]
Por lo general, los equipos de distribución en las subestaciones están ubicados tanto en el lado de alto como en el de bajo voltaje de grandes transformadores de potencia . El cuadro del lado de baja tensión de los transformadores puede estar ubicado en un edificio, con disyuntores de media tensión para los circuitos de distribución, junto con equipos de medición, control y protección. Para aplicaciones industriales, se puede combinar una línea de transformador y aparamenta en una sola carcasa, llamada subestación unificada (USS). Según la última investigación de Visiongain, una empresa de investigación de mercado, se espera que el mercado mundial de aparamenta alcance los 152.500 millones de dólares para 2029 con una tasa compuesta anual del 5,9%. Se espera que la creciente inversión en energía renovable y la mayor demanda de sistemas de distribución eléctrica seguros generen el aumento. [3]
Un conjunto de aparamenta tiene dos tipos de componentes:
Una de las funciones básicas de la aparamenta es la protección, que es la interrupción de las corrientes de falla de cortocircuito y sobrecarga mientras se mantiene el servicio a los circuitos no afectados. El cuadro también proporciona aislamiento de los circuitos de las fuentes de alimentación. Los equipos de conmutación se utilizan además para mejorar la disponibilidad del sistema al permitir que más de una fuente alimente una carga.
Los equipos de distribución son tan antiguos como la generación de electricidad . Los primeros modelos eran muy primitivos: todos los componentes se fijaban simplemente a la pared. Posteriormente fueron montados sobre paneles de madera. Por motivos de protección contra incendios, la madera fue sustituida por pizarra o mármol . Esto supuso una mejora adicional, ya que los dispositivos de conmutación y medición se podían fijar en la parte delantera, mientras que el cableado se encontraba en la parte trasera. [4]
Los cuadros para voltajes más bajos pueden estar completamente encerrados dentro de un edificio. Para voltajes más altos (más de aproximadamente 66 kV), la aparamenta generalmente se monta al aire libre y se aísla por aire, aunque esto requiere una gran cantidad de espacio. Las aparamentas aisladas en gas ahorran espacio en comparación con los equipos aislados en aire, aunque el coste del equipo es mayor. Las aparamentas aisladas en aceite presentan un peligro de derrame de petróleo.
Los interruptores pueden operarse manualmente o tener accionamientos motorizados para permitir el control remoto.
Un cuadro puede ser un simple interruptor aislador al aire libre o puede estar aislado con alguna otra sustancia. Una forma eficaz, aunque más costosa, de aparamenta es la aparamenta aislada en gas (GIS), en la que los conductores y contactos están aislados con gas hexafluoruro de azufre presurizado (SF 6 ). Otros tipos comunes son los interruptores aislados en aceite o al vacío.
La combinación de equipos dentro del gabinete del tablero les permite interrumpir corrientes de falla de miles de amperios. Un disyuntor (dentro de un gabinete de aparamenta) es el componente principal que interrumpe las corrientes de falla. La extinción del arco cuando el disyuntor separa los contactos (desconecta el circuito) requiere un diseño cuidadoso. Los disyuntores se clasifican en estos seis tipos:
Los disyuntores de aceite dependen de la vaporización de parte del aceite para lanzar un chorro de aceite a lo largo de la trayectoria del arco. El vapor liberado por el arco consiste en gas hidrógeno .El aceite mineral tiene mejores propiedades aislantes que el aire. Siempre que hay una separación de los contactos portadores de corriente en el aceite, el arco en el disyuntor se inicializa en el momento de la separación de los contactos y, debido a este arco, el aceite se vaporiza y se descompone principalmente en gas hidrógeno y finalmente crea hidrógeno. Burbuja alrededor del arco eléctrico . Esta burbuja de gas altamente comprimida alrededor de la espira evita que se vuelva a encender el arco después de que la corriente alcanza el cruce por cero del ciclo. El disyuntor de aceite es uno de los tipos de disyuntores más antiguos.
Los disyuntores de aire pueden utilizar aire comprimido (bocanada) o la fuerza magnética del propio arco para alargarlo. Como la longitud del arco sostenible depende del voltaje disponible, el arco alargado eventualmente se agotará. Alternativamente, los contactos se mueven rápidamente hacia una pequeña cámara sellada, con lo que el escape del aire desplazado expulsa el arco.
Los disyuntores suelen ser capaces de interrumpir todo el flujo de corriente muy rápidamente: normalmente entre 30 ms y 150 ms, dependiendo de la antigüedad y la construcción del dispositivo.
Los disyuntores de gas (SF 6 ) a veces estiran el arco usando un campo magnético y luego dependen de la rigidez dieléctrica del gas SF 6 para apagar el arco estirado.
La aparamenta híbrida es un tipo que combina los componentes de las tecnologías tradicionales de aparamenta aislada en aire (AIS) y de aparamenta aislada en gas SF 6 (GIS). Se caracteriza por un diseño compacto y modular, que abarca varias funciones diferentes en un módulo.
Los disyuntores con interruptores de vacío tienen características mínimas de formación de arco (ya que no hay nada que ionizar más que el material de contacto), por lo que el arco se apaga cuando se estira un poco (<2–8 mm). Con una corriente cercana a cero, el arco no está lo suficientemente caliente para mantener un plasma y la corriente cesa; la brecha puede entonces resistir el aumento de voltaje. Los disyuntores de vacío se utilizan con frecuencia en aparamentas modernas de media tensión de hasta 40.500 voltios. A diferencia de los otros tipos, son inherentemente inadecuados para interrumpir fallas de CC. La razón por la que los disyuntores de vacío no son adecuados para cortar altos voltajes de CC es que con CC no hay un período de "corriente cero". El arco de plasma puede alimentarse a sí mismo si continúa gasificando el material de contacto.
Los disyuntores que utilizan dióxido de carbono como medio aislante y extintor de arco funcionan según los mismos principios que un disyuntor de hexafluoruro de azufre (SF 6 ). Debido a que el SF 6 es un gas de efecto invernadero más potente que el CO 2 , al cambiar de SF 6 a CO 2 es posible reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en 10 toneladas durante el ciclo de vida del producto. [5]
Los disyuntores y fusibles se desconectan cuando la corriente excede un nivel seguro predeterminado. Sin embargo, no pueden detectar otras fallas críticas, como corrientes desequilibradas, por ejemplo, cuando el devanado de un transformador entra en contacto con tierra. Por sí solos, los disyuntores y fusibles no pueden distinguir entre cortocircuitos y altos niveles de demanda eléctrica.
La protección diferencial depende de la ley de corrientes de Kirchhoff , que establece que la suma de las corrientes que entran o salen de un nodo de circuito debe ser igual a cero. Utilizando este principio para implementar protección diferencial, cualquier sección de un camino conductor puede considerarse un nodo. El camino conductor podría ser una línea de transmisión, un devanado de un transformador, un devanado de un motor o un devanado del estator de un alternador. Esta forma de protección funciona mejor cuando ambos extremos del camino conductor están físicamente cerca uno del otro. Este esquema fue inventado en Gran Bretaña por Charles Hesterman Merz y Bernard Price . [6]
Se utilizan dos transformadores de corriente idénticos para cada devanado de un transformador, estator u otro dispositivo. Los transformadores de corriente se colocan alrededor de los extremos opuestos de un devanado. La corriente a través de ambos extremos debe ser idéntica. Un relé de protección detecta cualquier desequilibrio en las corrientes y activa los disyuntores para aislar el dispositivo. En el caso de un transformador, los disyuntores tanto del primario como del secundario se abrirían.
Un cortocircuito al final de una línea de transmisión larga parece similar a una carga normal, porque la impedancia de la línea de transmisión limita la corriente de falla. Un relé de distancia detecta una falla comparando el voltaje y la corriente en la línea de transmisión. Una corriente grande junto con una caída de voltaje indica una falla.
Se pueden hacer varias clasificaciones diferentes de aparamenta: [7]
Una sola alineación puede incorporar varios tipos diferentes de dispositivos; por ejemplo, pueden existir barras aisladas en aire, disyuntores de vacío e interruptores operados manualmente en la misma fila de cubículos.
Las clasificaciones, el diseño, las especificaciones y los detalles de los equipos de conmutación están establecidos por una multitud de estándares. En América del Norte se utilizan principalmente los estándares IEEE y ANSI , gran parte del resto del mundo utiliza estándares IEC , a veces con derivados o variaciones nacionales locales.
Para ayudar a garantizar secuencias de operación seguras del tablero, el enclavamiento con llave atrapada proporciona escenarios de operación predefinidos. Por ejemplo, si solo se permite conectar una de dos fuentes de suministro en un momento dado, el esquema de enclavamiento puede requerir que se abra el primer interruptor para liberar una llave que permitirá cerrar el segundo interruptor. Son posibles esquemas complejos.
Los tableros de distribución para interiores también pueden someterse a pruebas de tipo para contención de arco interno (p. ej., IEC 62271-200). Esta prueba es importante para la seguridad del usuario, ya que los cuadros modernos son capaces de conmutar grandes corrientes. [14]
Los interruptores a menudo se inspeccionan mediante imágenes térmicas para evaluar el estado del sistema y predecir fallas antes de que ocurran. Otros métodos incluyen pruebas de descarga parcial (PD), utilizando probadores fijos o portátiles, y pruebas de emisiones acústicas utilizando transductores montados en superficie (para equipos petroleros) o detectores ultrasónicos utilizados en patios de distribución al aire libre. Los sensores de temperatura instalados en los cables del cuadro pueden monitorear permanentemente la acumulación de temperatura. Los equipos SF 6 siempre están equipados con alarmas y enclavamientos para advertir de la pérdida de presión y para evitar el funcionamiento si la presión cae demasiado.
La creciente conciencia de los peligros asociados con los altos niveles de fallas ha resultado en que los operadores de redes especifiquen operaciones a puerta cerrada para los interruptores de tierra y los disyuntores. Muchas compañías eléctricas europeas han prohibido a los operadores la entrada a las salas de distribución mientras están en funcionamiento. Hay disponibles sistemas de almacenamiento remoto que permiten a un operador colocar el tablero desde una ubicación remota sin la necesidad de usar un traje protector contra el riesgo de arco eléctrico. Los sistemas de aparamenta requieren mantenimiento y servicio continuos para seguir siendo seguros de usar y completamente optimizados para proporcionar voltajes tan altos. [15]
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