Los disyuntores de hexafluoruro de azufre protegen las estaciones de energía eléctrica y los sistemas de distribución interrumpiendo las corrientes eléctricas cuando son activados por un relé de protección . En lugar de aceite, aire o vacío, un disyuntor de hexafluoruro de azufre utiliza gas hexafluoruro de azufre (SF 6 ) para enfriar y apagar el arco al abrir un circuito. Las ventajas sobre otros medios incluyen un menor ruido de funcionamiento y ninguna emisión de gases calientes, y un mantenimiento relativamente bajo. Desarrollados a partir de la década de 1950, los disyuntores SF 6 se utilizan ampliamente en redes eléctricas con tensiones de transmisión de hasta 800 kV, como disyuntores de generadores y en sistemas de distribución con tensiones de hasta 35 kV.
Los disyuntores de hexafluoruro de azufre pueden usarse como aparatos autónomos en subestaciones exteriores aisladas en aire o pueden incorporarse en aparamentas aisladas en gas que permiten instalaciones compactas a altos voltajes.
La interrupción de la corriente en un disyuntor de alta tensión se obtiene separando dos contactos en un medio, como el hexafluoruro de azufre (SF 6 ), que tiene excelentes propiedades dieléctricas y de extinción de arco. Después de la separación de los contactos, la corriente circula a través de un arco y se interrumpe cuando este arco se enfría mediante una ráfaga de gas de suficiente intensidad. [1]
El gas SF 6 es electronegativo y tiene una fuerte tendencia a absorber electrones libres. Los contactos del interruptor se abren en un flujo de gas hexafluoruro de azufre a alta presión y se forma un arco entre ellos. El gas captura los electrones libres conductores en el arco para formar iones negativos relativamente inmóviles. Esta pérdida de electrones conductores en el arco genera rápidamente suficiente resistencia de aislamiento para extinguir el arco.
Un chorro de gas aplicado al arco debe poder enfriarlo rápidamente de modo que la temperatura del gas entre los contactos se reduzca de 20.000 K a menos de 2.000 K en unos pocos cientos de microsegundos, de modo que sea capaz de soportar el voltaje de recuperación transitorio que se produce. aplicado a través de los contactos después de la interrupción actual. El hexafluoruro de azufre se utiliza generalmente en los disyuntores de alta tensión actuales con una tensión nominal superior a 52 kV.
En la década de 1980, la presión necesaria para hacer estallar el arco se generaba principalmente mediante calentamiento de gas utilizando la energía del arco. Ahora es posible utilizar mecanismos accionados por resorte de baja energía para accionar disyuntores de alto voltaje de hasta 800 kV.
Los disyuntores de alto voltaje han cambiado desde que se introdujeron a mediados de la década de 1950 y se han desarrollado varios principios de interrupción que han contribuido sucesivamente a una gran reducción de la energía operativa. Estos disyuntores están disponibles para aplicaciones interiores o exteriores, estas últimas en forma de polos disyuntores alojados en aisladores cerámicos montados sobre una estructura. Las primeras patentes sobre el uso de SF 6 como medio de interrupción fueron presentadas en Alemania en 1938 por Vitaly Grosse ( AEG ) y posteriormente de forma independiente en los Estados Unidos en julio de 1951 por HJ Lingal, TE Browne y AP Strom ( Westinghouse ).
La primera aplicación industrial del SF 6 para la interrupción de corriente data de 1953. Se desarrollaron interruptores de carga de alto voltaje de 15 kV a 161 kV con una capacidad de corte de 600 A. El primer disyuntor de alto voltaje SF 6 construido en 1956 por Westinghouse, podría interrumpe 5 kA bajo 115 kV, pero tenía seis cámaras de interrupción en serie por polo.
En 1957, se introdujo la técnica de tipo puffer para los disyuntores de SF 6 , en la que el movimiento relativo de un pistón y un cilindro unidos a la parte móvil se utiliza para generar el aumento de presión necesario para disparar el arco a través de una boquilla hecha de material aislante. . En esta técnica, el aumento de presión se obtiene principalmente por compresión del gas.
Westinghouse produjo el primer disyuntor SF 6 de alto voltaje con una alta capacidad de corriente de cortocircuito en 1959. Este disyuntor en un tanque puesto a tierra (llamado tanque muerto), podía interrumpir 41,8 kA por debajo de 138 kV (10.000 MV·A). ) y 37,6 kA bajo 230 kV (15.000 MV·A). Este rendimiento ya era significativo, pero las tres cámaras por polo y la fuente de alta presión necesaria para la explosión (1,35 MPa ) fueron una limitación que hubo que evitar en desarrollos posteriores.
Las excelentes propiedades del SF 6 llevaron a la rápida extensión de esta técnica en la década de 1970 y a su uso para el desarrollo de interruptores automáticos con alta capacidad de interrupción, hasta 800 kV.
La aparición, hacia 1983, del primer interruptor simple de 245 kV y de los correspondientes de 420 kV a 550 kV y 800 kV, con 2, 3 y 4 cámaras por polo respectivamente, llevó al predominio de los interruptores automáticos SF 6 en toda la gama de altos voltajes.
Varias características de los disyuntores SF 6 pueden explicar su éxito:
La reducción del número de cámaras de interrupción por polo ha llevado a una considerable simplificación de los disyuntores así como del número de piezas y juntas necesarias. Como consecuencia directa, la confiabilidad de los disyuntores mejoró, como lo verificaron más tarde las encuestas del Consejo Internacional de Grandes Sistemas Eléctricos (CIGRE).
En los últimos 30 años se han desarrollado nuevos tipos de cámaras de ruptura SF 6 , que implementan principios de interrupción innovadores, [ ¿cuándo? ] con el objetivo de reducir la energía de funcionamiento del disyuntor. Uno de los objetivos de esta evolución era aumentar aún más la fiabilidad reduciendo las fuerzas dinámicas en el poste. Los avances desde 1980 han visto el uso de la técnica de interrupción de autoexplosión para cámaras de interrupción de SF 6 .
Estos avances se han visto facilitados por los avances logrados en las simulaciones digitales que se utilizaron ampliamente para optimizar la geometría de la cámara de interrupción y el vínculo entre los polos y el mecanismo.
Esta técnica ha demostrado ser muy eficaz y se ha aplicado ampliamente para disyuntores de alta tensión de hasta 550 kV. Ha permitido el desarrollo de nuevas gamas de disyuntores accionados por mecanismos accionados por resorte de baja energía.
La reducción de la energía operativa se logró principalmente reduciendo la energía utilizada para la compresión del gas y haciendo un mayor uso de la energía del arco para producir la presión necesaria para apagar el arco y obtener la interrupción de la corriente. Una interrupción de corriente baja, hasta aproximadamente el 30% de la corriente nominal de cortocircuito, se obtiene mediante una explosión. También incluye más energía disponible.
Se logró un mayor desarrollo en la técnica de explosión térmica mediante la introducción de una válvula entre los volúmenes de expansión y compresión. Al interrumpir corrientes bajas la válvula se abre bajo el efecto de la sobrepresión generada en el volumen de compresión. La explosión del arco se realiza como en un disyuntor puffer gracias a la compresión del gas obtenido por la acción del pistón. En el caso de una interrupción de corrientes elevadas, la energía del arco produce una alta sobrepresión en el volumen de expansión, lo que conduce al cierre de la válvula y, por tanto, aislando el volumen de expansión del volumen de compresión. La sobrepresión necesaria para la rotura se obtiene mediante el aprovechamiento óptimo del efecto térmico y del efecto de obstrucción de la tobera producido siempre que la sección transversal del arco reduce significativamente la salida de gas en la tobera. Para evitar un consumo excesivo de energía por la compresión del gas, se instala una válvula en el pistón para limitar la sobrepresión en la compresión a un valor necesario para la interrupción de bajas corrientes de cortocircuito.
Esta técnica, conocida como "autoexplosión", se ha utilizado ampliamente desde 1980 para el desarrollo de muchos tipos de cámaras de interrupción. La mayor comprensión de la interrupción del arco obtenida mediante simulaciones digitales y la validación mediante pruebas de rotura contribuyen a una mayor confiabilidad de estos disyuntores automáticos. Además, la reducción de la energía operativa, que permite la técnica de autoexplosión, conduce a una vida útil más larga.
También se puede obtener una disminución importante de la energía de funcionamiento reduciendo la energía cinética consumida durante la operación de disparo. Una forma es desplazar los dos contactos de arco en direcciones opuestas para que la velocidad del arco sea la mitad que la de un diseño convencional con un solo contacto móvil.
Los principios térmicos y de autoexplosión han permitido el uso de mecanismos de resorte de baja energía para el funcionamiento de disyuntores de alto voltaje. Reemplazaron progresivamente la técnica del puffer en la década de 1980; primero en interruptores de 72,5 kV, y luego de 145 kV a 800 kV.
La técnica del doble movimiento reduce a la mitad la velocidad de disparo de la parte móvil. En principio, la energía cinética podría reducirse si no se aumentara la masa total en movimiento. Sin embargo, a medida que aumenta la masa total en movimiento , la reducción práctica de la energía cinética se acerca al 60%. La energía total de disparo también incluye la energía de compresión, que es casi la misma para ambas técnicas. Así, la reducción de la energía total de disparo es menor, alrededor del 30%, aunque el valor exacto depende de la aplicación y del mecanismo de funcionamiento. Dependiendo del caso específico, la técnica de doble movimiento o de simple movimiento puede resultar más económica. Otras consideraciones, como la racionalización de la gama de disyuntores, también pueden influir en el coste.
En este principio de interrupción se utiliza la energía del arco, por un lado para generar la explosión mediante expansión térmica y, por otro lado, para acelerar la parte móvil del disyuntor al interrumpir corrientes elevadas. La sobrepresión producida por la energía del arco aguas abajo de la zona de interrupción se aplica sobre un pistón auxiliar unido a la parte móvil. La fuerza resultante acelera la parte móvil, aumentando así la energía disponible para disparar. Con este principio de interrupción es posible, durante interrupciones de alta corriente, aumentar aproximadamente un 30% la energía de disparo entregada por el mecanismo de accionamiento y mantener la velocidad de apertura independientemente de la corriente. Obviamente, es más adecuado para disyuntores con altas corrientes de corte, como los disyuntores de generadores.
Los disyuntores del generador (GCB) están conectados entre un generador y el transformador elevador de voltaje. Generalmente se utilizan en la salida de generadores de alta potencia (30 MVA a 1800 MVA) para protegerlos de forma fiable, rápida y económica. Dichos disyuntores tienen una alta clasificación de corriente portadora (4 kA a 40 kA) y una alta capacidad de corte (50 kA a 275 kA).
Pertenecen al rango de media tensión, pero la capacidad de resistencia a la tensión de recuperación transitoria requerida por IEC/IEEE 62771-37-013 es tal que se deben utilizar los principios de interrupción específicamente desarrollados. Se ha desarrollado y aplicado una realización particular de la técnica de explosión térmica a los disyuntores de generadores. La técnica de autoexplosión descrita anteriormente también se usa ampliamente en disyuntores de generador SF 6 , en los que el sistema de contacto es accionado por un mecanismo accionado por resorte de baja energía. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de dicho dispositivo; Este disyuntor tiene una capacidad nominal de 17,5 kV y 63 kA.
La capacidad de interrupción de cortocircuitos de los disyuntores de alto voltaje es tal que no puede demostrarse con una sola fuente capaz de generar la energía necesaria. Se utiliza un esquema especial con un generador que proporciona la corriente de cortocircuito hasta la interrupción de la corriente y luego una fuente de voltaje aplica el voltaje de recuperación a través de los terminales del disyuntor. Las pruebas se suelen realizar monofásicas, pero también se pueden realizar trifásicas [2] También tienen un pequeño control de potencia.
Los siguientes problemas están asociados con los disyuntores SF 6 :
Cuando se forma un arco en gas SF 6 , se forman pequeñas cantidades de gases de orden inferior. Algunos de estos subproductos son tóxicos y pueden causar irritación en los ojos y el sistema respiratorio. Esto es una preocupación si los interruptores se abren para mantenimiento o están a disposición de los interruptores.
El SF 6 es más pesado que el aire, por lo que se debe tener cuidado al ingresar a espacios confinados bajos debido al riesgo de desplazamiento de oxígeno.
El SF 6 es el gas de efecto invernadero más potente que ha evaluado el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático . Tiene un potencial de calentamiento global 23.900 veces peor que el CO 2 . [3]
Algunos gobiernos han implementado sistemas para monitorear y controlar la emisión de SF 6 a la atmósfera. [4]
Los disyuntores suelen clasificarse según su medio aislante. Los siguientes tipos de disyuntores pueden ser una alternativa a los tipos SF 6 .
En comparación con los rompedores de aire, el funcionamiento con SF 6 es más silencioso y durante el funcionamiento normal no se emiten gases calientes. No se requiere ninguna planta de aire comprimido para mantener la presión del aire comprimido. La mayor rigidez dieléctrica del gas permite un diseño más compacto o una clasificación de interrupción mayor para el mismo tamaño relativo que los disyuntores de chorro de aire. Esto también tiene el efecto deseable de minimizar el tamaño y el peso de los disyuntores, haciendo que los cimientos y la instalación sean menos costosos. Los mecanismos de operación son más simples y requieren menos mantenimiento, generalmente con más operaciones mecánicas permitidas entre inspecciones o mantenimiento. Sin embargo, verificar o reemplazar el gas SF 6 requiere equipo y capacitación especiales para evitar emisiones accidentales. A temperaturas exteriores muy bajas, a diferencia del aire, el gas SF 6 puede licuarse, reduciendo la capacidad del disyuntor para interrumpir corrientes de falla.
Los rompedores llenos de aceite contienen cierto volumen de aceite mineral. Un interruptor con un mínimo de aceite puede contener del orden de cientos de litros de aceite a voltajes de transmisión; un disyuntor lleno de aceite a granel con tanque muerto puede contener decenas de miles de litros de aceite. Si esto se descarga del disyuntor durante una falla, habrá riesgo de incendio. El petróleo también es tóxico para los sistemas de agua y las fugas deben contenerse cuidadosamente.
Los disyuntores de vacío tienen disponibilidad limitada y no están hechos para voltajes de transmisión, a diferencia de los disyuntores SF 6 disponibles hasta 800 kV.