En un sistema eléctrico , un cuadro eléctrico está compuesto por interruptores de desconexión eléctrica, fusibles o disyuntores que se utilizan para controlar, proteger y aislar el equipo eléctrico. El cuadro eléctrico se utiliza tanto para desenergizar el equipo para permitir que se realice el trabajo como para eliminar fallas aguas abajo. Este tipo de equipo está directamente relacionado con la confiabilidad del suministro eléctrico .
Las primeras centrales eléctricas utilizaban interruptores de cuchilla simples , montados sobre paneles aislantes de mármol o amianto . Los niveles de potencia y voltajes aumentaron rápidamente, lo que hizo que la apertura de interruptores operados manualmente fuera demasiado peligrosa para cualquier otra cosa que no fuera el aislamiento de un circuito desenergizado. Los equipos de conmutación llenos de aceite permiten contener y controlar de forma segura la energía del arco. A principios del siglo XX, una línea de conmutación sería una estructura encerrada en metal con elementos de conmutación operados eléctricamente que utilizaban 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 SF6 , lo que permite controlar de forma segura grandes corrientes y niveles de potencia mediante equipos automáticos.
Los equipos de conmutación de alta tensión se inventaron a finales del siglo XIX para el funcionamiento de motores y otras máquinas eléctricas. [1] La tecnología se ha ido mejorando con el tiempo y ahora se puede utilizar con tensiones de hasta 1100 kV. [2]
Por lo general, los tableros de distribución de las subestaciones se ubican tanto en el lado de alta como de baja tensión de los grandes transformadores de potencia . Los tableros de distribución del lado de baja tensión de los transformadores pueden ubicarse en un edificio, con disyuntores de media tensión para los circuitos de distribución, junto con equipos de medición, control y protección. Para aplicaciones industriales, una línea de transformadores y tableros de distribución puede combinarse en una carcasa, llamada subestación unificada (USS). Según la última investigación de Visiongain, una empresa de investigación de mercado, se espera que el mercado mundial de tableros de distribución alcance los 152 500 millones de dólares en 2029 a una CAGR del 5,9 %. Se espera que la creciente inversión en energía renovable y la mayor demanda de sistemas de distribución eléctrica seguros generen este aumento. [3]
Un conjunto de conmutadores tiene dos tipos de componentes:
Una de las funciones básicas de los cuadros de distribución es la protección, que consiste en interrumpir las corrientes de cortocircuito y sobrecarga, manteniendo al mismo tiempo el servicio de los circuitos no afectados. Los cuadros de distribución también aíslan los circuitos de las fuentes de alimentación. Además, los cuadros de distribución se utilizan para mejorar la disponibilidad del sistema al permitir que más de una fuente alimente una carga.
La aparamenta eléctrica es tan antigua como la generación de electricidad . Los primeros modelos eran muy primitivos: todos los componentes se fijaban simplemente a una pared. Más tarde se montaron sobre paneles de madera. Por razones de protección contra incendios, la madera se sustituyó por pizarra o mármol . Esto condujo a una mejora adicional, ya que los dispositivos de conmutación y medición se podían fijar en la parte delantera, mientras que el cableado estaba en la parte trasera. [4]
Los cuadros eléctricos para tensiones más bajas pueden estar completamente encerrados dentro de un edificio. Para tensiones más altas (por encima de unos 66 kV), los cuadros eléctricos suelen estar montados al aire libre y aislados por aire, aunque esto requiere una gran cantidad de espacio. Los cuadros eléctricos aislados por gas ahorran espacio en comparación con los equipos aislados por aire, aunque el coste del equipo es mayor. Los cuadros eléctricos aislados por aceite presentan un riesgo de derrame de aceite.
Los interruptores pueden operarse manualmente o tener accionamientos motorizados para permitir el control remoto.
Un tablero de distribución puede ser un simple interruptor aislador al aire libre o puede estar aislado por alguna otra sustancia. Una forma eficaz, aunque más costosa, de tablero de distribución es el tablero de distribución aislado por gas (GIS), en el que los conductores y contactos están aislados por gas hexafluoruro de azufre (SF6 ) presurizado . Otros tipos comunes son los tableros de distribución aislados por aceite o por vacío.
La combinación de equipos dentro del gabinete del tablero de distribución les permite interrumpir corrientes de falla de miles de amperios. Un disyuntor (dentro del gabinete del tablero de distribución) 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 dividen en seis tipos:
Los disyuntores de aceite dependen de la vaporización de una 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 contactos que llevan 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, en última instancia, crea una burbuja de hidrógeno 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 alcance 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 (soplado) o la fuerza magnética del propio arco para alargarlo. Como la longitud del arco sostenible depende del voltaje disponible, el arco alargado acabará por agotarse. Otra posibilidad es que los contactos se introduzcan rápidamente en una pequeña cámara sellada, y el aire desplazado que se escapa extinga el arco.
Los disyuntores generalmente pueden interrumpir todo 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 utilizando un campo magnético y luego confían en 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 aparamenta aislada en gas SF6 ( GIS). Se caracteriza por un diseño compacto y modular, que abarca varias funciones diferentes en un solo módulo.
Los disyuntores con interruptores de vacío tienen características mínimas de formación de arcos (ya que no hay nada que ionizar aparte del material de contacto), por lo que el arco se extingue cuando se estira una pequeña cantidad (<2–8 mm). Cerca de la corriente cero, el arco no está lo suficientemente caliente como para mantener un plasma, y la corriente cesa; el espacio puede entonces soportar el aumento de voltaje. Los disyuntores de vacío se utilizan con frecuencia en los cuadros de distribución de media tensión modernos 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 interrumpir altos voltajes de CC es que con CC no hay un período de "corriente cero". El arco de plasma puede alimentarse a sí mismo al continuar 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 (SF6 ) . Debido a que el SF6 es un gas de efecto invernadero más potente que el CO2 , al cambiar de SF6 a CO2 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 supera 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 la 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 del circuito debe ser igual a cero. Si se utiliza este principio para implementar la protección diferencial, cualquier sección de una ruta conductora puede considerarse un nodo. La ruta conductora 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 de la ruta conductora 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, se abrirían los disyuntores tanto del primario como del secundario.
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 realizar varias clasificaciones diferentes de aparamenta: [7]
Una sola alineación puede incorporar varios tipos diferentes de dispositivos, por ejemplo, buses aislados en aire, disyuntores de vacío e interruptores operados manualmente pueden existir todos en la misma fila de cubículos.
Las clasificaciones, el diseño, las especificaciones y los detalles de los cuadros eléctricos se establecen mediante una multitud de normas. En América del Norte, se utilizan principalmente las normas IEEE y ANSI ; en gran parte del resto del mundo se utilizan las normas IEC , a veces con derivados o variaciones nacionales locales.
Para ayudar a garantizar secuencias de operación seguras de los cuadros de distribución, el enclavamiento con llave atrapada proporciona escenarios de operación predefinidos. Por ejemplo, si solo se permite conectar una de las 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 cuadros eléctricos de interior también pueden someterse a pruebas de tipo para contención de arco interno (por ejemplo, IEC 62271-200). Esta prueba es importante para la seguridad del usuario, ya que los cuadros eléctricos modernos son capaces de conmutar grandes corrientes. [14]
Los cuadros de distribución se inspeccionan a menudo mediante imágenes térmicas para evaluar el estado del sistema y predecir fallos antes de que se produzcan. Otros métodos incluyen pruebas de descarga parcial (PD), utilizando comprobadores fijos o portátiles, y pruebas de emisión acústica utilizando transductores montados en superficie (para equipos de aceite) o detectores ultrasónicos utilizados en patios de distribución al aire libre. Los sensores de temperatura instalados en los cables que van a los cuadros de distribución pueden controlar permanentemente la acumulación de temperatura. Los equipos de SF6 están invariablemente equipados con alarmas y enclavamientos para advertir de la pérdida de presión y para evitar el funcionamiento si la presión baja demasiado.
La creciente conciencia de los peligros asociados a los altos niveles de falla ha dado lugar a que los operadores de redes especifiquen operaciones a puerta cerrada para los interruptores de puesta a tierra y el desplazamiento de los disyuntores. Muchas compañías eléctricas europeas han prohibido a los operadores estar en las salas de conmutación mientras trabajan. Existen sistemas de desplazamiento remoto que permiten a un operador desplazar los cuadros de distribución desde una ubicación remota sin necesidad de usar un traje de protección contra arcos eléctricos. Los sistemas de cuadros de distribución requieren un mantenimiento y servicio continuos para seguir siendo seguros de usar y estar totalmente optimizados para proporcionar voltajes tan altos. [15]
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