En ingeniería eléctrica , un interruptor de vacío es un interruptor que utiliza contactos eléctricos en el vacío. Es el componente central de los interruptores automáticos de media tensión, los interruptores automáticos del generador y los interruptores automáticos de alta tensión. La separación de los contactos eléctricos da como resultado un arco de vapor metálico, que se extingue rápidamente. Los tubos de maniobra al vacío se utilizan ampliamente en sistemas de transmisión de energía de servicios públicos , unidades de generación de energía y sistemas de distribución de energía para ferrocarriles , aplicaciones de hornos de arco y plantas industriales .
Dado que el arco está contenido dentro del interruptor, los interruptores que utilizan interruptores al vacío son muy compactos en comparación con los que utilizan aire, SF 6 o aceite como medio de supresión del arco. Los tubos de maniobra al vacío se pueden utilizar para interruptores automáticos e interruptores de carga. Los interruptores en vacío con interruptor automático se utilizan principalmente en el sector de la energía en subestaciones y en instalaciones de generación de energía, y los interruptores en vacío con conmutación de carga se utilizan para los usuarios finales de la red eléctrica .
Historia
El uso de un vacío para conmutar corrientes eléctricas fue motivado por la observación de que un espacio de un centímetro en un tubo de rayos X podría soportar decenas de miles de voltios . Aunque algunos dispositivos de conmutación por vacío se patentaron durante el siglo XIX, no estaban disponibles comercialmente. En 1926, un grupo dirigido por Royal Sorensen en el Instituto de Tecnología de California investigó la conmutación por vacío y probó varios dispositivos; Se investigaron los aspectos fundamentales de la interrupción del arco en el vacío. Sorenson presentó los resultados en una reunión de AIEE ese año y predijo el uso comercial de los interruptores. En 1927, General Electric compró los derechos de patente y comenzó el desarrollo comercial. La Gran Depresión y el desarrollo de los interruptores llenos de aceite hicieron que la empresa redujera el trabajo de desarrollo, y se realizó poco trabajo comercialmente importante en los interruptores de potencia de vacío hasta la década de 1950. [1]
En 1956, H. Cross revolucionó el interruptor de vacío de circuito de alta frecuencia y produjo un interruptor de vacío con una potencia de 15 kV a 200 A. Cinco años después, Thomas H. Lee de General Electric produjo los primeros interruptores de circuito de vacío [2] [3] con una tensión nominal de 15 kV a corrientes de corte de cortocircuito de 12,5 kA. En 1966 se desarrollaron dispositivos con una tensión nominal de 15 kV y corrientes de corte de cortocircuito de 25 y 31,5 kA. Después de la década de 1970, los interruptores de vacío comenzaron a reemplazar los interruptores de aceite mínimo en los interruptores de media tensión. A principios de la década de 1980, los interruptores y disyuntores de SF6 también fueron reemplazados gradualmente por tecnología de vacío en aplicaciones de media tensión.
En 2018, un interruptor automático de vacío había alcanzado los 145 kV y la corriente de corte había alcanzado los 200 kA. [4]
Clasificación
Los tubos de maniobra al vacío pueden clasificarse por tipo de envolvente, por aplicación y por clase de voltaje.
Los primeros interruptores al vacío experimentales, de radiofrecuencia y de conmutación de energía tenían cerramientos de vidrio. Más recientemente, los tubos de maniobra al vacío para aparamenta eléctrica se fabrican con envolturas de cerámica.
Las aplicaciones y usos incluyen interruptores automáticos, interruptores automáticos de generadores, interruptores de carga, contactores de motor y reconectadores . También se fabrican botellas de vacío de propósito especial, como las que se utilizan en los cambiadores de tomas de transformadores o en los hornos de arco eléctrico .
Disyuntor de generador
Las investigaciones e investigaciones realizadas a principios de la década de 1990 permiten el empleo de tecnología de conmutación por vacío para aplicaciones de generadores. Las aplicaciones de conmutación de generadores son bien conocidas por sus mayores tensiones en los dispositivos de interrupción, tales como alta corriente de falla de alta asimetría o voltaje de recuperación transitorio alto y pronunciado; El estándar IEC / IEEE 62271-37-013 (antiguo y todavía válido IEEE C37.013, 1997) se introdujo para abordar dichos requisitos en los interruptores automáticos utilizados en aplicaciones de generadores.
Los disyuntores de vacío se pueden calificar como disyuntores de generador de acuerdo con IEC / IEEE 62271-37-013. En comparación con los interruptores automáticos que utilizan otros medios de enfriamiento (como SF6 , chorro de aire o aceite mínimo), los interruptores automáticos de vacío tienen las ventajas de:
- Gran fuerza de recuperación, eliminando la necesidad de capacitores para reducir la inclinación del voltaje de recuperación transitorio (como se requiere en la mayoría de los GCB SF6 );
- Alta durabilidad mecánica y eléctrica con un número y una frecuencia significativamente mayores de posibles operaciones de conmutación sin mantenimiento; y
- Respetuoso con el medio ambiente al no utilizar gases fluorados .
Los GCB de vacío son adecuados para tareas de conmutación frecuentes y para interrumpir corrientes de baja frecuencia como las que se encuentran en las plantas de energía de almacenamiento por bombeo . [5]
Estructura
Un interruptor de vacío generalmente tiene un contacto fijo y uno móvil, un fuelle flexible para permitir el movimiento de ese contacto y protectores de arco encerrados en una carcasa de vidrio, cerámica o metal herméticamente sellada con un alto vacío . El contacto móvil está conectado por una trenza flexible al circuito externo y es movido por un mecanismo cuando se requiere que el dispositivo se abra o se cierre. Dado que la presión del aire tiende a cerrar los contactos, el mecanismo operativo debe mantener los contactos abiertos contra la fuerza de cierre de la presión del aire sobre los fuelles.
Recinto hermético
La caja del interruptor está hecha de vidrio o cerámica . Los sellos herméticos aseguran que el vacío del interruptor se mantenga durante la vida útil del dispositivo. El recinto debe ser impermeable al gas y no debe desprender gas atrapado. El fuelle de acero inoxidable aísla el vacío dentro del interruptor de la atmósfera externa y mueve el contacto dentro de un rango especificado, abriendo y cerrando el interruptor.
Blindaje
Un interruptor de vacío tiene protectores alrededor de los contactos y en los extremos del interruptor, evitando que cualquier material de contacto vaporizado durante un arco se condense en el interior de la envoltura de vacío. Esto reduciría la resistencia del aislamiento de la envolvente, lo que en última instancia provocaría la formación de arco del interruptor cuando se abre. El blindaje también ayuda a controlar la forma de la distribución del campo eléctrico dentro del interruptor, contribuyendo a una clasificación de voltaje de circuito abierto más alta. Ayuda a absorber parte de la energía producida en el arco, aumentando la capacidad de interrupción de un dispositivo .
Contactos
Los contactos transportan la corriente del circuito cuando están cerrados, formando los terminales del arco cuando están abiertos. Están hechos de una variedad de materiales, según el uso y el diseño del interruptor de vacío para una vida útil prolongada de los contactos, una rápida recuperación de la capacidad de resistencia al voltaje y el control de la sobretensión debida al corte de corriente.
Un mecanismo de operación externo acciona el contacto móvil, que abre y cierra el circuito conectado. El tubo de maniobra al vacío incluye un manguito guía para controlar el contacto móvil y proteger los fuelles de sellado de torsiones, lo que acortaría drásticamente su vida útil.
Aunque algunos diseños de interruptores al vacío tienen contactos a tope simples, los contactos generalmente tienen forma de ranuras, rebordes o ranuras para mejorar su capacidad para romper corrientes elevadas. La corriente del arco que fluye a través de los contactos con forma genera fuerzas magnéticas en la columna del arco, lo que hace que el punto de contacto del arco se mueva rápidamente sobre la superficie del contacto. Esto reduce el desgaste de los contactos debido a la erosión por un arco, que derrite el metal de contacto en el punto de contacto.
Solo unos pocos fabricantes de tubos de maniobra al vacío en todo el mundo producen el material de contacto en sí. Las materias primas básicas, cobre y cromo, se combinan en un potente material de contacto mediante el procedimiento de fusión por arco. Las piezas brutas resultantes se procesan en discos de contacto RMF o AMF, con los discos AMF ranurados desbarbados al final. Los materiales de contacto requieren lo siguiente:
- Alta capacidad de ruptura: excelente conductividad eléctrica, pequeña conductividad térmica , mayor capacidad de calor y baja capacidad de emisión de electrones calientes ;
- Alto voltaje de ruptura y resistencia a la erosión eléctrica ;
- Resistencia a la soldadura;
- Valor de corriente de corte bajo; y
- Bajo contenido de gas (especialmente cobre).
En los interruptores automáticos, los materiales de contacto de los interruptores al vacío son principalmente una aleación 50-50 de cobre y cromo . Pueden fabricarse soldando una lámina de aleación de cobre y cromo en las superficies de contacto superior e inferior sobre un asiento de contacto hecho de cobre sin oxígeno . Otros materiales, como plata, tungsteno y compuestos de tungsteno, se utilizan en otros diseños de interruptores. La estructura de contacto del tubo de maniobra al vacío tiene una gran influencia en su capacidad de corte, durabilidad eléctrica y nivel de corte de corriente.
Fuelle
El fuelle del interruptor de vacío permite que el contacto móvil sea operado desde el exterior del gabinete del interruptor y debe mantener un alto vacío a largo plazo durante la vida útil esperada del interruptor. El fuelle está hecho de acero inoxidable con un espesor de 0,1 a 0,2 mm. Su vida a la fatiga se ve afectada por el calor conducido por el arco.
Para que puedan cumplir los requisitos de alta resistencia en la práctica, los fuelles se someten periódicamente a una prueba de resistencia cada tres meses. La prueba se lleva a cabo en una cabina de prueba completamente automática con los recorridos ajustados al tipo respectivo.
La vida útil de los fuelles supera los 30.000 ciclos de funcionamiento de CO.
Operación
Un interruptor de vacío utiliza un alto vacío para extinguir el arco entre un par de contactos. A medida que los contactos se separan, la corriente fluye a través de un área más pequeña. Hay un fuerte aumento de la resistencia entre los contactos y la temperatura en la superficie de contacto aumenta rápidamente hasta que se produce la evaporación del electrodo-metal. Al mismo tiempo, el campo eléctrico es muy alto a través del pequeño espacio de contacto. La ruptura del espacio produce un arco de vacío. A medida que la corriente alterna se ve obligada a pasar por cero gracias a la resistencia del arco, y el espacio entre los contactos fijo y móvil se ensancha, el plasma conductor producido por el arco se aleja del espacio y se vuelve no conductor. La corriente se interrumpe.
Los contactos AMF y RMF tienen ranuras en espiral (o radiales) cortadas en sus caras. La forma de los contactos produce fuerzas magnéticas que mueven el punto del arco sobre la superficie de los contactos, por lo que el arco no permanece en un lugar por mucho tiempo. El arco se distribuye uniformemente sobre la superficie de contacto para mantener un voltaje de arco bajo y reducir la erosión de los contactos.
Proceso de producción
Los componentes del tubo de maniobra al vacío deben limpiarse a fondo antes del montaje, ya que los contaminantes podrían emitir gas al interior de la envoltura de vacío. Para asegurar un alto voltaje de ruptura, los componentes se ensamblan en una sala limpia donde el polvo está estrictamente controlado.
Una vez que las superficies se han acabado y limpiado mediante galvanoplastia y se ha realizado una inspección óptica de la consistencia de la superficie de todas las partes individuales, se ensambla el interruptor. Se aplica soldadura de alto vacío en las uniones de los componentes, se alinean las piezas y se fijan los interruptores. Como la limpieza durante el montaje es especialmente importante, todas las operaciones se realizan en condiciones de sala blanca con aire acondicionado. De esta manera, el fabricante puede garantizar una alta calidad constante de los interruptores y los valores nominales máximos posibles de hasta 100 kA según IEC / IEEE 62271-37-013.
Los subensamblajes de interruptores de vacío fueron inicialmente ensambladas y soldadas juntas en un horno de hidrógeno-atmósfera. Se usó un tubo conectado al interior del interruptor para evacuar el interruptor con una bomba de vacío externa mientras el interruptor se mantenía a aproximadamente 400 ° C (752 ° F). Desde la década de 1970, los subcomponentes del interruptor se han ensamblado en un horno de soldadura fuerte de alto vacío mediante un proceso combinado de soldadura fuerte y evacuación. Se procesan decenas (o cientos) de botellas en un lote, utilizando un horno de alto vacío que las calienta a temperaturas de hasta 900 ° C y una presión de 10 −6 mbar. [6] De esta forma, las cámaras interruptivas cumplen con el requisito de calidad " sellado de por vida ". Gracias al proceso de producción totalmente automático, la alta calidad se puede reproducir constantemente en cualquier momento.
Luego, la evaluación de los interruptores mediante el procedimiento de rayos X se utiliza para verificar las posiciones, así como la integridad de los componentes internos y la calidad de los puntos de soldadura. Asegura la alta calidad de los tubos de maniobra al vacío.
Durante el conformado, la rigidez dieléctrica interna definitiva del interruptor de vacío se establece con un voltaje que aumenta gradualmente, y esto se verifica mediante una prueba de voltaje de impulso de rayo posterior. Ambas operaciones se realizan con valores superiores a los especificados en las normas, como evidencia de la calidad de los tubos de maniobra al vacío. Este es el requisito previo para una gran resistencia y alta disponibilidad.
Sellado de por vida
Debido a su proceso de fabricación, se ha demostrado que los tubos de maniobra al vacío están "sellados de por vida". [7] Esto evita la necesidad de sistemas de monitoreo o pruebas de estanqueidad como se indica en la norma IEEE C37.100.1 en el párrafo 6.8.3. [8]
Efectos de sobretensión
En determinadas circunstancias, el disyuntor de vacío puede forzar la corriente en el circuito a cero antes del cero natural (y la inversión de la corriente) en el circuito de corriente alterna. Si el tiempo de operación del interruptor es desfavorable con respecto a la forma de onda del voltaje de CA (cuando el arco se extingue pero los contactos aún se mueven y la ionización aún no se ha disipado en el interruptor), el voltaje puede exceder el voltaje soportado del espacio. Esto puede volver a encender el arco, provocando corrientes transitorias abruptas. En cualquier caso, se introduce una oscilación en el sistema que puede provocar una sobretensión significativa . Los fabricantes de tubos de maniobra al vacío abordan estas preocupaciones seleccionando materiales y diseños de contacto para minimizar el corte de corriente. Para proteger el equipo contra sobretensiones, los interruptores de vacío generalmente incluyen descargadores de sobretensión . [9]
Hoy en día, con un corte de corriente muy bajo, los interruptores automáticos de vacío no inducirán una sobretensión que podría reducir el aislamiento del equipo circundante.
Referencias
- ^ Allan Greenwood, Vacuum Switchgear , IET, 1994 ISBN 0852968558 , capítulo 1.
- ^ "Actas del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos" . 10 . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. 1982: 105. Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ "Documentos de la reunión de verano" . Sociedad de Ingeniería de Energía IEEE. 1976: 36. Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ https://www.meidensha.com/mas/products/prod_02/index.html
- ^ Portal, EEP-Ingeniería eléctrica (2019-07-01). "Protección de centrales de almacenamiento por bombeo mediante disyuntor generador de vacío (VGCB) | EEP" . EEP - Portal de ingeniería eléctrica . Consultado el 1 de julio de 2019 .
- ^ Joseph A. Eichmeier, Manfred Thumm (eds), Electrónica de vacío: componentes y dispositivos , Springer Science & Business Media, 2008 ISBN 3540719296 , página 408
- ^ R Renz; D Gentsch; H Fink; P Slade; M Schlaug (2007). "Interruptor al vacío - Sellado de por vida" (PDF) . CIRED .
- ^ C37.100.1-2007 - Norma IEEE de los requisitos comunes para la alimentación de alto voltaje Interruptor de Calificación Por encima de 1000 V . IEEE. 12 de octubre de 2007. doi : 10.1109 / IEEESTD.2007.4350337 . ISBN 978-0-7381-5606-4.
- ^ Robert W. Smeaton, William H. Ubert, Switchgear and Control Handbook, 3rd Edition , McGraw Hill, 1998, páginas 14-29 y 14-30