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domingo, 6 de septiembre de 2015

Maniobras controladas en interruptores de AT y MT



“La maniobra controlada” es el término normalmente utilizado para describir la utilización de equipos de control electrónicos (controladores) con el fin de facilitar el funcionamiento de los contactos de un dispositivo de maniobra a un punto predeterminado en relación con una señal eléctrica de referencia.

El término apertura controlada hace referencia a la técnica de control de la separación de los contactos de cada polo de un interruptor en relación con el ángulo de fase de la corriente y el control del tiempo del arco para minimizar las perturbaciones en los componentes de la red. De manera similar, estas perturbaciones pueden limitarse utilizando el cierre controlado (inicio de la corriente) en relación con la forma de onda de la tensión de la red (ángulo de fase).

Origen del problema

Se sabe que las maniobras de los interruptores de alta tensión originan perturbaciones en función de la carga conmutada (reactancias, condensadores, transformadores, líneas de transmisión).

Ver artículo “Sobretensiones de maniobra” en este link:


Existen varias soluciones para controlar los transitorios de maniobra, tales como resistencias e inductancias de pre-inserción en la apertura y cierre, que permiten limitar corrientes y tensiones (Fig. 1), las autoválvulas para limitar sobretensiones, y la solución indicada de las “maniobras controladas” a través de los denominados “interruptores síncronos” que permiten elegir el instante óptimo para abrir o cerrar el interruptor en función de la tensión de la red.


En rojo: Condensadores de Nivelación: Se utilizan para distribuir mejor el voltaje entre las cámaras de corte
En verde: Resistencias de Pre-Inserción: Previamente utilizadas también para maniobras de bancos de condensadores y reactancias, hoy solamente se utilizan para mitigar la sobretensión causada por la energización de líneas en vacío

Figura 1: Cámaras de un interruptor ABB de 550 kV con resistencias de pre inserción

Sin embargo, en la maniobra de transformadores de potencia, el flujo residual del transformador está siempre presente en la desconexión. Mientras que las sobretensiones generadas en la desconexión son de baja amplitud y generan pocos transitorios, en el cierre incontrolado se pueden generar corrientes de magnetización muy elevadas debido a la existencia de flujo remanente. Estas corrientes de conexión son ricas en armónicos y con un contenido de corriente continua muy importante.  Pueden provocar perturbaciones eléctricas y mecánicas que afectarán al transformador dependiendo de las condiciones de la red en el momento de la maniobra, pueden igualmente crear sobretensiones transitorias severas (TOV-Temporary Over Voltages). Estas últimas pueden exceder la capacidad energética de absorción de las autoválvulas exponiendo a los equipos de la instalación a sobretensiones que superan sus límites asignados. Pueden igualmente causar un funcionamiento no deseado en los circuitos de protección y provocar un grave impacto en la calidad de servicio.

Los controladores de maniobra incluyen un sistema de control que limitan estas corrientes de conexión a valores muy reducidos, la orden de cierre del interruptor que alimenta el transformador es sincronizada con el valor instantáneo de la tensión de alimentación. El tiempo apropiado de cierre del interruptor se determina con la ayuda de los valores de tensión mostrados durante la apertura precedente del interruptor. Sobre la base de estos valores, se calcula el flujo remanente en el núcleo del transformador y se determina el mejor instante de su cierre.

Figura 2: Controlador Switchsync PWC600 de ABB

Maniobras controladas

La disponibilidad de interruptores automáticos con mecanismos de actuación independiente para cada polo, tanto en AT como en MT,  crea las bases para una conmutación síncrona.

Esta técnica de conmutación supone que los polos del interruptor funcionan independientemente, abriéndose o cerrándose cada uno de ellos, con la intervención de un controlador, en el momento más apropiado en función de las condiciones de corriente y/o tensión vigentes en la fase correspondiente. 


Figura 3: Disposición de los accionamientos individuales de
cada polo en un  interruptor de AT con cuatro cámaras de corte


“El controlador” introduce un tiempo total Ttotal en la maniobra que puede expresarse como la suma del tiempo de espera y el tiempo de sincronización de fase:

Donde:
Tw: intervalo de tiempo de espera utilizado por el controlador para los cálculos internos
Tcont: tiempo de sincronización determinado

Para la apertura controlada:


 Para el cierre controlado:


 Siendo:

NTcero: intervalo de tiempo requerido en relación con el paso por cero de la tensión
Tarco: tiempo de cebado del arco
Tapertura: intervalo entre el inicio del movimiento de la bobina de apertura y la separación de los contactos Tseparación
Tm: intervalo entre el instante donde la corriente comienza a circular tcierre y el paso por cero siguiente de la tensión
Tprearco: tiempo de pre-cebado
Tcontacto: intervalo de tiempo comprendido entre el inicio del movimiento del circuito de cierre del interruptor y el momento de tocarse los contactos tcontacto
Tcierre: intervalo de tiempo comprendido entre el inicio del movimiento del circuito de cierre del interruptor y el instante donde la corriente comienza a circular, instante del cierre real tcierre


Figura 5: Secuencia esquemática de apertura 


Figura 6: Secuencia esquemática de cierre

De esta forma se pueden definir respectivamente las secuencias de tiempo esquemáticas de apertura y cierre indicadas en las figuras. En la práctica es más común para el cierre controlado ya que las aperturas no siempre son realizadas por los operarios como sucede en los casos de intervención de las protecciones.

Los interruptores empleados para maniobras controladas pueden ser configurados para una maniobra independiente de las fases donde, de manera alternativa, pueden ser “maniobrados de forma agrupada” con un solo mecanismo de mando y un decalage mecánico fijado entre los polos. Las consideraciones básicas son idénticas para los dos tipos, sin embargo, para los interruptores maniobrados de manera tripolar, que poseen un decalage  entre fases por medios mecánicos, ∆Tcont es el mismo para los tres polos. Por este hecho, las distorsiones eventuales con relación a los valores ideales a frecuencia industrial en las señales de tensión o de corriente no pueden ser tomadas en cuenta por el controlador ya que todos los polos se conectan de manera mecánica.

Ventajas de las “maniobras controladas”

Como se ha indicado anteriormente, las maniobras controladas minimizan los esfuerzos eléctricos y mecánicos producidos tanto en el lado de alimentación como en el de carga del circuito conmutado, así como en el propio interruptor cuando se corta la corriente. De igual forma, se minimiza la cantidad de energía que debe ser disipada en las cámaras del interruptor y se reduce enormemente cualquier sobretensión derivada de las maniobras, tales como los picos de corriente de conexión y las sobretensiones que se producen durante la energización de transformadores y condensadores.

La precisión del control es tan grande que se puede sincronizar el desplazamiento de los contactos móviles con el paso por cero de la corriente en cada fase.


REFERENCIAS:

WG A3.07, “Controlled Switching of HVAC Circuit Breakers – Guide for Application”, ELECTRA N°183 /185, pp. 43-73/36-57, 1999.

WG A3.07, “Controlled Switching of HVAC Circuit Breakers – Planning, Specifications & Testing of Controlled Switching Systems”, ELECTRA N°197, pp.23-733, August 2001.

J. H. Brunke, K. J. Fröhlich, “Elimination of transformer inrush currents by controlled switching”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 16, issue 2, pp. 276-285, April 2001.

Carlo Cereda ABB SACE TMS, Carlo Gemme ABB Ricerca SpA,  Christian Reuber ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH: Interruptor automático síncrono, de media tensión, con accionamiento magnético y control electrónico

Switchsync PWC600: Catálogo ABB


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