Entendiendo el Funcionamiento de los Interruptores de Alta Tensión

Los sistemas eléctricos no podrían ser concebidos como tal si no existiese la posibilidad de conmutar las cargas. Por ello es que el uso interruptores de potencia surge como un elemento indispensable para el suministro de la energía. Aunque el producto electricidad se ha mantenido prácticamente invariable desde los inicios de su comercialización, los instrumentos mediante los cuales esta es servida han experimentado una evolución interesante a lo largo de los años.
El proceso de interrupción de la corriente, a altos voltajes, resulta una tarea compleja debido a la inercia de los electrones. Si se trata de interrumpir una corriente por medio de la apertura del conductor, aquella tenderá a “saltar” el medio aislante buscando cerrar nuevamente el circuito y creando lo que comúnmente se conoce como un arco eléctrico. Este fenómeno se produce inmediatamente se separan los contactos y resulta prácticamente indetenible. Es por lo anterior que, a altos voltajes, un circuito con carga no puede ser desconectado por medios simples.

El arco eléctrico es una descarga capaz de conducir grandes cantidades de corriente con baja caída de tensión. De esta forma se comporta como un resistor no lineal. Cuando un arco se produce en el aire, a condiciones atmosféricas normales, se observa como una columna brillante de gas ionizado (plasma) con temperaturas entre los 5,000 – 20,000 grados Kelvin, dependiendo principalmente, de si existe ventilación natural o forzada. Cada medio ciclo cuando la corriente se hace cero la sección transversal del arco se reduce y el plasma se enfría hasta unos 2,000 K, temperatura a la cual deja de ser conductor. Sin embargo, esta condición es puramente transitoria pues el arco se establece nuevamente para iniciar el próximo medio ciclo de conducción debido a que la dinámica de la red interactúa para imprimir un voltaje de recuperación entre los contactos de arco.

La re-ignición del arco tiene lugar debido a la temperatura y al estrés a que es sometido el medio aislante. Inmediatamente después de que la corriente cruza por cero (en el ciclo habitual de la corriente AC) se produce un voltaje de recuperación entre la brecha de los contactos que puede estar en el orden de 1 a 2 veces el voltaje nominal de la unidad. La presencia de este impulso, sumado al debilitamiento dieléctrico que provoca el calor circundante al arco da al traste a que se establezca nuevamente el flujo de la corriente. Se debe observar que, aun en el momento en que no fluye corriente en el arco la temperatura en la periferia de este es todavía bastante más elevada que la temperatura ambiente, lo cual afecta directamente la capacidad dieléctrica que pueda tener el medio conductor. Por lo anterior es comprensible que una interrupción efectiva requiere del enfriamiento del área que rodea la descarga y de la capacidad del medio aislante para soportar el voltaje de recuperación que se produce.

Actualmente es prácticamente un estándar el uso Hexafloruro de Azufre (SF6) como elemento aislante en el interior de los interruptores. Los interruptores de aire y aceite se consideran tecnología obsoleta, pese a que en la actualidad todavía muchas de estas unidades se encuentran todavía en funcionamiento. El SF6 es un gas 6 veces más pesado que el aire, con altas propiedades dieléctricas y una formidable capacidad de regeneración aún cuando es sometido a altas temperaturas, por esto ha adquirido un protagonismo indiscutible en la extinción del arco. A pesar de ser un gas no toxico, el hexafloruro de azufre es uno de los gases de mayor efecto invernadero. En este aspecto es unas 20,000 veces más poderoso que el CO2. No obstante, comparativamente su aporte al calentamiento global no se da en la misma proporción y tiene una incidencia mínima debido a la baja cantidad en que está presente en la atmosfera.
El proceso de interrupción consistirá siempre en la formación un arco eléctrico que debe ser extinguido. La cámara de extinción del arco es la parte del interruptor en donde tiene lugar toda la acción y en donde la corriente es interrumpida. Esta cámara se encuentra presurizada con SF6. Aquí se debe notar la diferencia entre los interruptores de tanque muerto y de tanque vivo. En los primeros la cámara de extinción se encuentra aterrizada al potencial de tierra dentro de un compartimento independiente a los aisladores. En cambio, los interruptores de tanque vivo, los cuales predominan en la industria, la cámara de extinción se encuentra dentro del cuerpo aislante (tanque) del interruptor mismo. Para lograr el enfriamiento del arco es necesario crear cierta presión dentro de la cámara de extinción. La forma en que dicha presión es generada, establece la principal diferencia entre los tipos de interruptores de SF6 modernos de tanque vivo, en los cuales centraremos nuestra atención.

El Interruptor tipo Puffer

En los interruptores de potencia de tipo puffer un cilindro y un pistón tienen la función de comprimir el SF6, al iniciar su moción en el mismo instante que se produce la maniobra de apertura. Conforme esta transcurre se produce la apertura de los contactos principales y con ello la corriente pasa a circular únicamente a través de los contactos de arco. Cuando estos últimos se separan se establece la descarga, y una fracción de segundo más tarde se abre el espacio para que fluya el gas más frio (que estaba aislado) a través de una boquilla para mezclarse con aquel más caliente que estaba contenido en el cilindro. Este choque térmico es determinante para la extinción del arco. Sin embargo, la alta presión interna implica que el mecanismo que acciona el cilindro tenga que proveer casi en su totalidad la fuerza de operación. Es común que, cuando se interrumpen altas corrientes, como es el caso de las fallas trifásicas simétricas, se produzcan reducciones considerables en la velocidad de operación de los interruptores. Estos tienden a frenarse debido a que la sección trasversal del arco puede ser mayor que el diámetro de la boquilla y por tanto el flujo de gas queda bloqueado generándose aún mayor presión. Sin embargo, esto no representa una restricción porque a que a medida que la corriente del arco decrece hasta llegar a cero en la misma proporción se reduce su diámetro y va quedando más y más espacio libre para el flujo del gas. De manera tal, que el efecto máximo de enfriamiento se da en el momento más apremiante: cuando la corriente es cero.

El interruptor auto-puffer

En el interruptor auto-puffer la energía en forma de calor generada por el arco es aprovechada para producir presión dentro del cilindro del interruptor. Esto se realiza con el objetivo de demandar menor energía del mecanismo de operación. Debido a que, a bajas corrientes, la energía del arco puede ser insuficiente para generar la suficiente presión, en un interruptor autopuffer el cilindro está dividido en dos cámaras conectadas por válvulas de gas que cerraran cuando la energía del arco sea lo suficientemente intensa o se mantendrán abiertas cuando no lo sea. Cuando lo primero ocurra solo el gas de una las cámaras quedará sometido al calor del arco. Dado que el volumen de este último compartimiento es mucho menor que el del cilindro total, se generará mayor presión del gas. En cambio, si la energía del arco es pequeña no producirá suficiente presión para cerrar la válvula de la cámara y el dispositivo funcionara como un tipo puffer convencional. En esta situación se necesita menor presión para extinción por lo que se demanda una fuerza también menor de parte del mecanismo de operación.

El mecanismo de operación

Accionar un interruptor de potencia demanda cierta cantidad de energía ya que el movimiento de los contactos debe realizarse con una determinada rapidez. En fracciones de segundo el mecanismo de operación debe liberar la energía almacenada en un juego de resortes. Un requerimiento común de los interruptores es que deben llevar a cabo una secuencia de operación desde un estado abierto – cerrado/abierto en un lapso de 0.3 segundos sin necesidad de ser cargado. Notar que por razones prácticas, es necesario que el interruptor esté siempre disponible para abrir el circuito en todo momento.

En la mayoría de los diseños, el resorte con la función de cerrar los contactos tiene la función de cargar, a su vez, el resorte de apertura. De esta forma se asegura que se cumpla el criterio de operación anteriormente descrito.
En resumen, debemos tener en cuenta que la efectividad de los interruptores de alto voltaje es dependiente de la presión que pueda generarse dentro de su cámara de extinción. Dicha presión, a su vez, podrá ser provista tanto por la energía del arco como por la energía del mecanismo de operación. Asimismo el régimen dieléctrico del gas aislante será el otro factor crítico pues es responsable de evitar la reignición del arco.

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