¿Qué elegir: interruptor automático en SF6 o al Vacío?

Interruptores automáticos ABB de Media Tensión, de vacío VM1 (a la izquierda), y HM1 de SF6 a la derecha

Cuando un interruptor intercalado en un circuito abre o cierra, provoca un cambio brusco en la configuración del circuito pues, o bien deja fuera de circuito una parte del mismo (apertura), o bien añade una nueva porción (cierre). Hay pues una variación brusca de R, L y C, y por tanto un fenómeno transitorio.

Este fenómeno da lugar a sobretensiones que pueden ser peligrosas para el material de la instalación, bien por los elevados valores de cresta que aparecen entre fase y tierra, o bien debido a la creación de trenes de ondas de reducida amplitud pero de alta frecuencia.

Por tanto un interruptor adecuadamente diseñado, especialmente si es para media o alta tensión (MT o AT), debe ser capaz de soportar y dominar estas sobretensiones, provocadas por su propia acción en las maniobras.

La técnica y el medio de corte utilizado en los aparatos ha estado siempre relacionada con la mayor o menor proporción en la creación de sobretensiones y en consecuencia con las repercusiones sobre los receptores.

Los receptores más sensibles a las sobretensiones son:

● Las reactancias, los transformadores en vacío y los motores (corrientes inductivas).

● Baterías de condensadores, líneas o cables en vacío (corrientes capacitivas).

El SF6:

En el momento actual, la ruptura en SF6 cubre la totalidad del dominio de la alta tensión y la mayor parte de la media tensión.  El número de constructores y utilizadores que adopta esta técnica ha crecido sin cesar y sin riesgo de error se prevé que su desarrollo, en todos los dominios seguirá creciendo.  Si bien, en la muy alta tensión y alta tensión el interés por esta técnica es más que evidente, en contactores de 6 kV la técnica dominante sigue siendo el vacío, aunque hay que señalar la introducción cada vez mayor de los contactores en SF6 de arco giratorio en los que el volumen ocupado es sumamente reducido, más aún que los contactores al vacío.

  Vista abierta de un polo de un interruptor de SF6 tipo FB de Merlin Gerin

con despiece de contactos a la derecha

El vacío:

El principio de funcionamiento de un interruptor de vacío es extremadamente diferente al de los otros aparatos y además es rico en contradicciones y dificultades técnicas de todos los géneros. A diferencia de otros medios, la rigidez dieléctrica del vacío aumenta poco con la distancia de aislamiento, lo que limita la tensión aplicable a cada intervalo de ruptura, por otro lado, el control del vacío es sumamente difícil conforme aumentan las dimensiones de las cámaras de ruptura, siendo esta la principal causa que motiva su confinamiento a la media tensión, independientemente de los problemas que entraña la inevitable producción de rayos X cuando se eleva la tensión.

La extraordinaria rigidez dieléctrica del vacío hace que las cámaras de ruptura sean de dimensiones muy reducidas lo cual facilita el control sin pérdidas del vacío, el movimiento del contacto móvil se reduce a unos milímetros y por ello el mecanismo de acumulación de energía es simple, muy fiable y le permite una endurancia mecánica mayor que la del resto de interruptores, es por ello, muy utilizado en contactores para maniobra de motores.

Sin embargo las reducidas dimensiones de las cámaras de corte han dado muchos problemas de fugas de corriente superficiales, hasta el punto de llegar a destruirlas debido a la generación de sobretensiones propias de esta tecnología y a la acumulación de contaminación ambiental, humedad, etc. Los fabricantes han tenido que aumentar la línea de fuga superficial de las cámaras de vacío encapsulándolas en resina epoxi y por tanto dándoles unas dimensiones comparables a las de las cámaras en SF6, pero manteniendo sus cualidades dieléctricas y mecánicas.

Además debemos resaltar que el arco en el vacío es muy inestable; por debajo de una intensidad mínima, la corriente se corta bruscamente lo que explica la tendencia característica de este tipo de aparatos en provocar sobretensiones de maniobra debido a su propiedad de cortar la corriente antes de su paso por el cero natural.

La capacidad de los disyuntores de corte en vacío, de interrumpir corrientes de alta frecuencia, los hace más sensibles a los precebados múltiples que otros disyuntores, por ejemplo, los disyuntores de SF6 no cortan prematuramente las corrientes de alta frecuencia por lo que no provocan más de un reencendido, se dice por ello que su corte es “suave”.

Como la corriente cortada súbitamente en el vacío es tanto más elevada cuanto mayor es la corriente maniobrada por el aparato, aparece una incompatibilidad considerable entre las altas prestaciones de corte y la reducción de las sobretensiones de maniobra.

Cámara de corte de un interruptor de vacío

La solución a este dilema es difícil ya que, a diferencia de las otras técnicas el número de parámetros sobre los que se puede actuar es sumamente reducido con lo que el constructor está realmente desarmado; no es posible variar la presión del medio, el diámetro de las toberas o alargar el arco; por otra parte, cada detalle conlleva una serie de problemas tecnológicos totalmente nuevos y poco experimentados.

Con estos antecedentes la elección entre SF6 y el vacío solo podemos realizarla en la franja de la media tensión que es la utilización exclusiva de la técnica de corte al vacío, hay que recordar que el SF6 se utiliza además de  gas de corte como gas de aislamiento en celdas de media tensión y en aparamenta GIS o aparamenta compacta de alta tensión.

Si ampliamos un poco más las perspectivas tecnológicas, podemos preguntarnos:

¿Qué elección puede hacer hoy en día el usuario teniendo en cuenta las diversas técnicas que el mercado de la aparamenta de ruptura pone a su disposición?

La respuesta es evidente:

-     El mantenimiento de la posición de monopolio de la ruptura en el aire dentro del dominio de la baja tensión, así como un mantenimiento de esta técnica en la gama inmediata de la media tensión;

-    La gran decaída experimentada por las dos técnicas que han dominado el mercado durante muchos años: el aire comprimido y el aceite;

-     El desarrollo relativo, después de muchos años de incertidumbre, de la ruptura en el vacío, sin poder aventurar el desarrollo futuro de esta técnica;

-     El desarrollo actual de la ruptura asistida por semiconductores se centra actualmente en la BT, en MT las aplicaciones son muy raras y los disyuntores estáticos están todavía en estado de prototipo, puesto que para soportar las tensiones asignadas, se necesitan de muchos componentes en serie. En conclusión, salvo para aplicaciones muy particulares, el corte estático no tiene hoy un gran desarrollo, sin embargo, su futuro es realmente prometedor;

-     Por encima de todas, el desarrollo acelerado de la ruptura en SF6 en el dominio de la alta tensión se ha convertido en el 'gas de los fabricantes de aparamenta" tanto en interruptores de MT y AT por su corte suave sin sobretensiones  y en la aparamenta GIS como gas de aislamiento en celdas de MT y aparamenta compacta de AT.

Repercusiones de las técnicas de corte en SF6 y Vacío, en la maniobra de Transformadores, Motores y Condensadores

Transformadores:

Los modernos interruptores de vacío, así como los de SF6, resultan apropiados para la conmutación de las corrientes de magnetización de transformadores en vacío con sobretensiones inferiores a 3,0 pu. Cuando se utilizan interruptores de vacío para la maniobra de transformadores, sobretodo de tipo seco, en instalaciones industriales, se recomienda el uso de limitadores de sobretensión o autoválvulas de ZnO para descrestar, sin embargo estas protecciones no ejercen ninguna acción sobre el rápido ascenso (du/dt) de las sobretensiones.

Motores:

Los motores son los elementos más sensibles a las sobretensiones debido a su poco aislamiento en comparación con los aparatos de maniobra, y soportan sobretensiones en cada arranque.

Al seleccionar interruptores para fines de maniobra de motores se debe prestar especial atención a los problemas de sobretensiones durante el funcionamiento. El límite previsto para sobretensiones de menos de 2,5 pu se puede obtener con ambas tecnologías.

La utilización de interruptores de vacío para la conmutación de pequeños motores (con intensidades de puesta en marcha inferiores a 600 A), hace necesaria la aplicación de medidas encaminadas a limitar las sobretensiones debidas a los múltiples reencendidos (autoválvulas de ZnO) y circuitos RC en bornes del motor para derivar las corrientes transitorias de alta frecuencia.

Oscilograma de reencendidos múltiples de un disyuntor de vacío 

al corte de un motor sin dispositivos de protección

Oscilograma con un solo reencendido de un disyuntor en SF6

al corte de un motor sin dispositivos de protección

Baterías de condensadores:

Ambas tecnologías se utilizan para la maniobra de baterías de condensadores sin reencendidos de arco.

Cuando se deban conmutar condensadores acoplados podría ser necesario instalar reactancias inductivas a fin de limitar las corrientes de entrada.

En el vacío la resistencia dieléctrica después del corte de corrientes capacitivas es aleatoria, y se traduce por un riesgo de reencendidos importante. De hecho, los disyuntores bajo vacío se adaptan mal a la protección de redes capacitivas con tensiones superiores a 12 kV o que incluyen baterías de condensadores.

NOTA:

En cada una de las aplicaciones mencionadas el control síncrono de los interruptores es una solución efectiva para limitar los problemas de sobretensiones en las maniobras.

En otro artículo de este blog se tratará el tema del “control síncrono de interruptores”.

Conclusiones

La tabla siguiente permite al usuario seleccionar el aparato óptimo en función de la aplicación deseada:

Aplicaciones	SF6	Vacío
Transformadores MT/BT	Conveniente.	Conveniente. Es prudente utilizar limitadores de sobretensión como autoválvulas (ZnO), por ejemplo para transformadores secos y transformadores de horno.
Reactancias shunt	Conveniente	Conveniente
Motores Corriente de arranque < 600 A Corriente de arranque > 600 A	Recomendado Conveniente	Conveniente pero con dispositivos de limitación de sobretensiones (ZnO) y RC en bornes de motor. Conveniente
Condensadores	Recomendado	Conveniente Con restricciones para condensadores acoplados en paralelo

REFERENCIAS:

Artículo ABB: En busca del interruptor idóneo de MT.

Técnicas de corte en AT, cuaderno técnico 193: Schneider Electric. 

Artículo disponible en pdf en la siguiente URL:

http://www.mediafire.com/view/sjb73v6igghungu/%C2%BFQu%C3%A9_elegir_interruptor_autom%C3%A1tico_SF6_o_Vac%C3%ADo.pdf