Aparatos de corte de Alta Tension
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DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 1
CURSO
Diseño de Estaciones
Transformadoras
APARATOS DE CORTE
Prof. Ing. Roberto Campoy
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 2
Seccionadores.
Seccionadores de puesta a tierra (Spt).
Interruptores automáticos.
En el sistema se presentan:
Corrientes nominales y eventuales sobrecargas, admisibles hasta cierto valor y/o duración.
Corriente de cortocircuito, factor de potencia, del orden de 0,1 a 0,15.
El cortocircuito más frecuente, del orden del 80% de los casos, es el
cortocircuito unipolar fase-tierra.
El cortocircuito tripolar es el de mayor intensidad.
Aparatos de maniobra, interrupción y seccionamiento
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 3
Los efectos de calentamiento térmicos (efecto Joule W = I2 ef .R.t) son función del valor eficaz Ief de la corriente.
Los efectos mecánicos son función del valor de cresta Î de la corriente al cuadrado, que en ondas senoidales es Î = Factor de choque.2 .Ief .
En caso de cortocircuito asimétrico, la relación, pasa a ser:
Î 1,82Iefcc. A los efectos de cálculo de los esfuerzos mecánicos se considera siempre Î = 2,5.Ief por ser el caso más desfavorable.
Todos los elementos de la instalación deben poder soportar, durante
un cierto tiempo, las solicitaciones térmicas de cortocircuito. A estos
efectos, en la mayoría de normas se considera el tiempo de un
segundo. La intensidad térmicamente equivalente se calcula según la
fórmula, válida para tiempos menor a 5 seg, es:
Ith intensidad durante 1 segundo
Aparatos de maniobra, interrupción y seccionamiento
tII tht
1
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Tensión nominal (ES LA DE SERVICO) o asignada (ES LA DE DISEÑO),
Nivel básico de aislamiento asignado (tensiones de ensayo soportadas),
Frecuencia nominal,
Intensidad nominal y asignada,
Intensidad admisible de corta duración nominal,
Valor de cresta de la intensidad admisible nominal de corta duración,
Duración admisible asignada y nominal de la intensidad de cortocircuito,
Tensión nominal de alimentación de los dispositivos de cierre y de
apertura y de los circuitos auxiliares,
Frecuencia nominal de alimentación de los dispositivos de cierre y de
apertura y de los circuitos auxiliares,
Características comunes de los aparatos de maniobra
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Características comunes de los aparatos de maniobra
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Nivel básico de aislamiento nominal Capacidad de seccionamiento
Características comunes de los aparatos de maniobra
A
a
B
b
C
c
F
A
a
B
b
C
c
F
Estado del
seccionador
Tensión
aplicada
Conectado a tierra
Cerrado Aa BCbcF
Cerrado Bb ACacF
Cerrado Cc ABabF
Abierto A BCabcF
Abierto B ACabcF
Abierto C ABabcF
Tensión aplicada entre Conectado a tierra
A y a BCbcF
B y b ACacF
C y c ABabF
A C
F
a
B
b c
CONTACTO MÓVIL
550 KV
630 KV
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Intensidad asignada en servicio continuo INOMINAL
Los valores normales (en A) son: 200 400 630 800 1250 1600
2000 2500 3150 .
Resultan definidos por la norma IEC 60059 como potencia de la raíz
enésima de diez: 10 n/10 = 1,26
Intensidad admisible asignada de corta duración ICORTOCIRCUITO
Es el valor eficaz de la corriente que puede soportar un aparato en
posición de cierre, durante un corto periodo.
Valores normales (en kA): 8- 10- 12,5- 16- 20- 25- 31,5- 40- 50- 63- 80.
Características comunes de los aparatos de maniobra
1 2 3 4 5
1,25 1,6 2 2,5 3,15
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Valor de cresta de la intensidad admisible nominal ICORTOCIRCUITO DE CHOQUE
Es el valor de cresta de la intensidad de la primera onda grande de la
corriente de corta duración admisible, que un aparato mecánico de
conexión puede soportar en las condiciones prescritas de empleo y
funcionamiento.
El valor normal (de cresta) de la intensidad admisible es igual a 2,5 veces
el valor eficaz de la intensidad de corta duración admisible.
Duración de cortocircuito asignada
Es el intervalo de tiempo durante el cual un aparato mecánico de
conexión puede, en posición de cierre, soportar la intensidad asignada de
corta duración admisible.
El valor normal de la duración de cortocircuito asignada es de 1 s. Si es
necesario un valor superior a 1 s, se recomienda el valor de 3 s.
Características comunes de los aparatos de maniobra
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Tensión nominal de alimentación de los
dispositivos de cierre y apertura y de
los circuitos auxiliares.
Valores normalizados por IEC
60694.
Los números menores de la tabla
siguiente son tensiones entre fase
y neutro.
Márgen 85 % a 110 %.
Los mayores son tensiones entre
fases.
Características comunes de los aparatos de maniobra
TENSION EN
CC
TENSION EN
CA
24 220 – 380
48 230 – 400
60 240 – 415
110 ó 125 277 - 480
220 ó 250
En
estu
dio
EETT
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Las condiciones comunes para la correcta elección de las características de los
aparatos de maniobra a conectar en un punto determinado de la instalación
son:
la tensión asignada debe ser igual o superior a la máxima de servicio
prevista.
la intensidad asignada en servicio continuo, debe ser igual o superior a la
máxima prevista.
la intensidad admisible de corta duración asignada debe ser superior a la
mayor corriente de cortocircuito.
el valor cresta de la intensidad asignada de corta duración, debe ser
superior al mayor valor de cresta de la intensidad inicial de cortocircuito.
Características comunes de los aparatos de maniobra
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Las condiciones comunes para la correcta elección de las características de los
aparatos de maniobra a conectar en un punto determinado de la instalación
son:
La corriente máxima de cortocircuito, y su mayor valor de cresta, pueden
calcularse a partir de los valores de impedancia del circuito.
La duración admisible asignada de la intensidad de corta duración debe
ser superior al tiempo transcurrido desde el inicio del cortocircuito hasta
su interrupción (tiempo de actuación de las protecciones).
Los márgenes entre los valores asignados o nominales y los de servicio
(tensión, intensidad, cortocircuito) es recomendable que sean como
mínimo de un 20%.
intensidad asignada de corta duración Ith 1,2 intensidad máxima decortocircuito.
tensión asignada Um 1,2 tensión de servicio Us.
Características comunes de los aparatos de maniobra
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Comportamiento frente a las corrientes de cortocircuito
Características comunes de los aparatos de maniobra
Soportaría durante
un tiempo Icc
Conectar
la Icc
Interrumpir
la Icc
Seccionadores si no no
Seccionadores de puesta a tierra con
accionamiento de cierre rápido
si si no
Seccionadores bajo carga si si no
Interruptores automáticos si si si
Fusible de alta capacidad de
ruptura
no no si
Transformadores de intensidad si no no
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Seccionador
bajo carga
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Definición
Capaz de abrir y cerrar un circuito cuando una corriente de intensidad nula
o despreciable es interrumpida o establecida o bien cuando no se produce
ningún cambio notable de la tensión en los bornes de c/u de los polos del
seccionador.
Capaz de soportar o transportar corriente en las condiciones normales del
circuito y es también capaz de transportar durante un tiempo especificado
corrientes anormales del circuito tales como las corrientes de
cortocircuito.
IEC 60050 parte 441: es un aparato mecánico de conexión que asegura, en
la posición de abierto, una distancia de aislación, separación o
seccionamiento, en concordancia con los requerimientos especificados.
Seccionador
TTR SIN IMPORTANCIA
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Se los conoce también con el nombre de separadores o
desconectadores. Son dispositivos que sirven para conectar
y desconectar diversas partes de una instalación eléctrica,
así como efectuar maniobras de operación o bien de
mantenimiento. La misión de estos aparatos es aislar tramos
de circuitos de una forma visible. Los circuitos que
debe interrumpir deben hallarse libres de corriente o, expresado
de otra forma, el seccionador debe maniobrar en
vacío. No obstante, debe ser capaz de soportar corrientes
nominales, sobreintensidades y corrientes de cortocircuito
durante un tiempo especificado. Así, este aparato va a asegurar
que los tramos de circuito aislados se hallen libres de
tensión, para que los operarios puedan tocarlos sin peligro.
El diseño y la construcción de los seccionadores están reglamentados
según las normas IEC 60129 y 60273 o las
normas ANSI C29.8 y C29.9. Además, en lo que respecta
a valores nominales y de ensayos (tensión resistida a
impulso y 50 Hz) deben responder a la IEC 60694.
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Los seccionadores utilizados
habitualmente en instalaciones
eléctricas tienen formas constructivas
muy variadas,
pero se los puede clasificar según su
modo de
accionamiento:
• Seccionadores de cuchillas giratorias
• Seccionadores de cuchillas
deslizantes
• Seccionadores de columnas giratorias
• Seccionadores de pantógrafo
• Seccionadores semipantógrafos o tipo
rodilla
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Seccionador de dos columnas
giratorias por polo.
El seccionador dispone de dos
columnas, en lugar de las tres del de
columna giratoria central. Las dos
columnas son giratorias y portan
cuchillas solidarias (contactos
móviles) que giran hacia el mismo
costado.
En este caso se obtiene un solo
punto de interrupción a mitad del
recorrido entre las dos columnas. El
campo de aplicación de este
seccionador es en instalaciones de
intemperie con tensiones de
servicio de hasta 245 kV y corrientes
nominales comprendidas entre 800
A y 2.000 A.
1
RUPTURA
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Seccionadores de columnas giratorias.
Este tipo de seccionadores
se utiliza en instalaciones de intemperie y
con tensiones de servicio desde 33 kV hasta 220 kV.
Dentro de este tipo cabe distinguir dos construcciones
diferentes: seccionador de columna giratoria central o de
tres columnas por polo. En este tipo de seccionador la
cuchilla o contacto móvil está fijada sobre una columna
aislante central que es giratoria. Con esta disposición
se tiene una interrupción doble, de tal suerte
que cada punto de interrupción requiere una distancia en
aire igual a la mitad de la total. Las dos columnas
exteriores
están montadas rígidamente sobre un soporte metálico
de perfiles de acero galvanizado en caliente; son
las encargadas de sostener los contactos fijos.
2
RUPTURAS
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Aplicación de los seccionadores de
pantógrafo en unjuego de barras para 170
kV-2.500 A
Estos seccionadores se disponen para
tensiones de servicio entre 132 y 550 kV
en corrientes nominales entre 800 A y
3.150 A, cuyos componentes principales,
por polo o fase, son por lo general los
siguientes:
• La caja metálica base del mecanismo del
pantógrafo, que posee dos niveles: el
inferior, donde se sitúan los resortes que
aseguran la presión de contacto, así
como el eje de mando, y el superior,
donde está fijado el mecanismo que ataca
los brazos inferiores del pantógrafo.
• La columna soporte: constituida por dos
o tres aisladores superpuestos y
acoplados entre sí mecánicamente. Esta
columna es paralela a la columna aislante
giratoria de resina sintética o porcelana
que asegura el enlace entre el pantógrafo
y el eje de mando.•
SIN
TELECOMANDO
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Aplicación de los seccionadores de
pantógrafo en un juego de barras para
170 kV-2.500 A
• El pantógrafo propiamente dicho:
constituido por cuatro brazos
horizontales cruzados, dos a dos, por
cuatro brazos verticales y por los
contactos móviles.
• El contacto de línea: fijado a la línea por
una derivación en forma de T.
• La caja de comando.
La cinemática del pantógrafo se ha
estudiado de tal forma, que la última parte
de su carrera de cierre se efectúa sin la
ayuda del mando. De esta forma, la
presión del contacto es totalmente
independiente de la posición final de los
elementos de mando.
CONTACTO MOVIL
LAT
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DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 24
Montaje de los
seccionadores sobre
estructuras soporte.
Éstas pueden ser de
tipo reticulado, de
hormigón armado
centrifugado o de acero
tubular.
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 25
ENSAYOS IEC 60694
Ensayo de tensión a frecuencia industrial; ver IEC 60060-1.
Ensayo de tensión de impulso atmosférico; ver IEC 60060-1.
Ensayo de tensión de impulso de maniobra; ver IEC 60060-1.
Ensayo de polución artificial; ver 5.14 de IEC 60694.
Ensayos dieléctricos de los circuitos auxiliares y de comando.
Ensayo de radio interferencia. Aplicable a tensiones superiores a 123 kV (es un ensayo especial a convenir entre
comprador y vendedor y bajo determinadas condiciones de temperatura y humedad ambiente).
Medición de la resistencia del circuito principal.
Ensayo a la corriente de corta duración y al valor de cresta de la corriente admisible.
Ensayo de funcionamiento y resistencia mecánica; se efectúan 1.000 ciclos de maniobra, sin tensión ni corriente en el
circuito principal y sin la aplicación de esfuerzos mecánicos sobre los bornes.
Funcionamiento en condiciones severas de formación de hielo.
Operación a temperaturas límites; ver 2.1 de IEC 60694.
Ensayos dieléctricos del circuito principal, conforme a 7.1 de IEC 60694 y 6.2 de IEC 60060-1.
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 26
Definición
Aparato mecánico de conexión, capaz de establecer soportar, e interrumpir
corrientes en condiciones anormales especificadas del circuito tales como
las de cortocircuito.
Permite abrir una corriente de cortocircuito y por lo tanto esta diseñado
para proteger a las instalaciones frente al pasaje de una corriente de muy
alta intensidad.
El interruptor debe estar vinculado a un sistema de protección que de la
orden de apertura al interruptor frente a una sobrecarga o intensidades de
elevada magnitudes .
Interruptores
RELÉ
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DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 28
Las piezas mecánicas de los equipos y sus partes componentes
deberán verificarse en las condiciones más desfavorables
que deban soportar, ya sea durante la operación, el
mantenimiento, el transporte o el montaje. En consecuencia,
a las cargas propias de funcionamiento del equipo deberán
adicionarse las siguientes, debidas a factores externos:
• Cargas estáticas: peso propio más conexiones.
• Cargas dinámicas: cortocircuito.
• Carga de viento máxima.
• Cargas sísmicas.
• Cargas durante el montaje.
• Cargas dinámicas durante el transporte.
• Cargas de hielo o nieve.
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Evolución tecnológica
En la tecnología anterior la aislación era en aceite.
Al principio de gran volumen y luego
de pequeño volumen de aceite.
Soplado de aire comprimido.
En la actualidad se emplean con soplado en SF6 y
Cámara de vacío para tensiones de hasta 33 KV.
Se eliminó con estas tecnologías la necesidad de control y
mantenimiento (desarme de los polos y cambio de contacto y de
aceite que demandaban los interruptores en aceite, y toda la
aparamenta del aire comprimido).
Interruptores
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 30
Evolución tecnológica
Interruptor automático está previsto para la maniobra y protección de
líneas aéreas, cables, transformadores de potencia, generadores, motores,
etc. Generalmente para actuar con poca frecuencia, si bien ciertos tipos
son capaces de maniobras frecuentes.
Los tipos actuales de interruptores automáticos tienen
mayoritariamente los contactos dentro de cámaras cerradas, de forma
que la posición abierto o cerrado de los mismos no es directamente
visible.
Estos interruptores automáticos en posición abierto no establecen una
distancia visible de seccionamiento, aunque la Norma IEC 62291-108,
actualmente lo dispone a efectos del cumplimiento de las condiciones
reglamentarias de seguridad.
Donde está instalado un interruptor automático, hay siempre
conectado en serie con el mismo un seccionador a uno y otro lado.
Interruptores
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 31
Mecanismos de accionamiento
El mecanismo de accionamiento es para maniobras de cierre o
apertura, con acumulación de energía, en la que ésta es liberada en
una única operación continua, de forma que la velocidad y la
fuerza de maniobra son independientes de la acción del operador.
Esto es necesario para poder garantizar unos poderes nominales
de cierre y de corte de las corrientes en condiciones normales de
servicio y/o anormales tales como las de cortocircuito.
Interruptores
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 32
Mecanismos de accionamiento
En la mayoría de los tipos actuales de interruptores, la acumulación de
energía para el cierre y/o la apertura es en forma mecánica, por ejemplo:
Resortes (actualmente las Normas solo aceptan este tipo).
Sólo manualmente (palanca, manivela, etc.).
Eléctricamente y también manualmente, en caso de fallo de la
alimentación eléctrica.
También, aunque menos frecuente en forma neumática (aire a presión)
u oleohidráulica.
Accionamiento electromagnético.
Interruptores
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 33
Disparadores
Son los dispositivos que liberan los órganos de retención de la
energía acumulada, permitiendo así el cierre o la apertura del
interruptor.
Pueden ser mecánicos actuados manualmente.
O bien electromecánicos, por ejemplo electroimanes actuados
eléctricamente por pulsadores, conmutadores, etc.
Habitualmente están equipados con mando mecánico en el
propio interruptor y mando eléctrico que puede ser actuado a
distancia.
También pueden ser oleohidráulicos.
Interruptores
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 34
Los mecanismos de maniobra con acumulación de la energía en forma
mecánica suelen estar concebidos asi:
A partir del interruptor en posición abierto, el mecanismo acumula
la energía aportada en forma manual o mediante un motor eléctrico.
Pueden ser mecánicos, actuados manualmente.
Al actuar el disparador de cierre, el mecanismo emplea sólo una
parte de la energía acumulada en efectuar el cierre del
interruptor. La otra parte se mantiene acumulada en el
mecanismo, para poder efectuar con ella la apertura cuando el
disparador de apertura la libere.
Esto es necesario para garantizar la apertura automática del
interruptor por actuación de los disparadores de protección
contra sobrecargas y/o cortocircuitos.
Interruptores
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 35
Los mecanismos de maniobra con acumulación de la energía en forma
mecánica suelen estar concebidos asi:
Esto es necesario para garantizar la apertura automática del interruptor
El diseño más habitual, es a base de dos resortes (o juegos de
resortes).Uno acumula la energía para el cierre (conexión). Cuando el
disparador libera su energía, emplea una parte de la misma para
acelerar y cerrar los contactos, y la otra parte para tensar el otro
resorte (de apertura o desconexión), o sea les «traspasa» parte de su
energía. Por este motivo, los resortes de conexión son más robustos
que los de desconexión.
El objetivo es pues que por el mismo acto de cerrar, el interruptor
quede automáticamente preparado con la energía necesaria para abrir.
Si una vez iniciada la maniobra de cierre se da orden de apertura, los
contactos móviles vuelven a su posición de apertura y se mantienen en
ella aunque se mantenga la orden de cierre.
Interruptores
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Contactos
Los contactos, fijos y móviles están dentro de cámaras cerradas, una para
cada polo o fase.
Los interruptores tripolares tienen tres cámaras separadas. Dentro de
estas cámaras tienen lugar , los fenómenos eléctricos y físicos (arco
eléctrico, calentamientos, sobrepresiones, electrodinámicos, etc.) debidos
a los procesos de conexión y desconexión de corrientes eléctricas bajo
condiciones determinadas de tensión, frecuencia, forma de onda, etc.
Se denomina “polo” al conjunto formado por los contactos fijo y móvil
con la cámara que los contiene y los bornes de conexión (entrada y
salida) al circuito.
Se denomina «biela» a la palanca aislante que enlaza el mecanismo de
accionamiento con un polo, transmitiendo a los contactos el
movimiento del mecanismo.
Interruptores
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 37
El corte en aceite.
El corte en el
vacío.
El corte en el SF6.
Corte con aire
comprimido
Comparación de
diferentes
técnicas.
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 38
CORTE EN ACEITE
Concepto:
El aceite que servía ya como aislante, ha sido utilizado desde principiosdel siglo XX como medio de corte, ya que ésta técnica permite la concepción deaparatos relativamente sencillos y económicos.
Mecanismo de corte:
Los contactos están sumergidos en un aceite dieléctrico. Después de laseparación, el arco provoca la descomposición del aceite que libera hidrógeno (70%),etileno (20%), metano(10%) y carbono libre.
Estos gases forman una burbuja que, por inercia de la masa deaceite, se encuentra sometida durante el corte a una presión dinámica quepuede alcanzar de 50 a 100 bares.
Cuando la intensidad pasa por cero, el gas se expande, IMPULSA ACEITEFRESCO y sopla el arco que se apaga.
El hidrógeno resultante de la descomposición del aceite, sirvecomo medio de extinción.
Diferentes tecnologías de corte en aceite:
Interruptores de gran volumen de aceite.
Interruptores de pequeño volumen de aceite.
Se deposita
en la biela
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 39
GRAN VOLUMEN DE ACEITE
En este modelo, el arco se
formaba libremente entre los contactos
creando burbujas de gas no confinadas. En
este caso si el arco continuaba un tiempo
importante, el peligro de explosión por presión
de los gases era elevado.
Para evitar reencendidos
entre fases o entre bornes y masa, estas
burbujas no han de alcanzar en ningún caso la
cuba o juntarse entre sí. En consecuencia los
aparatos así diseñados alcanzaban dimensiones
extraordinariamente grandes.
Estos aparatos tiene
numerosos inconvenientes como la falta de
seguridad a causa del hidrógeno producido que
se acumula bajo la tapa, el mantenimiento
necesario para vigilar la pureza del aceite y la
conservación de sus propiedades dieléctricas.
Deben
mantenerse
separadas
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 40
PEQUEÑO VOLUMEN DE ACEITE
En los
interruptores en volumen reducido de
aceite la energía del arco, generada en
la apertura de los contactos,
suministra automáticamente el fluido
necesario para la extinción del arco y
la interrupción de la corriente.
La elevada
temperatura del arco descompone una
parte del aceite en un gas que,
formándose en un espacio
completamente cerrado, provoca un
elevado aumento de la presión, que
depende del valor de la corriente que
se interrumpe. Consecuentemente un
intenso flujo de aceite fresco es
introducido en la zona de arco y
reconstituye la rigidez dieléctrica del
medio aislante..
Hay dos
efectos,
el radial
(I>>) y el
axial(I<).
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 41
CARACTERISTICAS PRINCIPALES
Los hay para 132 KV, 66KV y 13,2KV.
Gran simplicidad.
Mantenimiento frecuente. Luego de un cortocircuito a plena potencia se requiere un mantenimiento.
Muy sensibles a los reencendidos.
Ruidosos y voluminosos.
La descomposición del aceite no es reversible.
El riesgo de explosión y de inflamación no se han eliminado completamente.
La recuperación de la rigidez dieléctrica se realiza a una velocidad de 200 V/µseg.
Para 15KV el tiempo de recuperación es de 75 µ segundos.
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 42
SECUENCIA DE EXTINCION
INGRESO
DE ACEITE
A PRESIÓN
EN FORMA
RADIAL.
Separación
de los
constactos
10 m/seg
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 43
Como se puede observar en la figura III-2, que relaciona
la potencia máxima de cortocircuito en por ciento con la
tensión de restablecimiento, también en por ciento.
En la misma figura se puede apreciar que si la tensión
de restablecimiento alcanza un valor doble, la potencia
de ruptura aumenta en un 50%.
Corte en PVA
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 44
CORTE EN EL VACIOConcepto:
En principio, el vacío es un medio dieléctrico ideal; no haymaterial y por lo tanto no hay conducción eléctrica. Sin embargo, elvacío nunca es perfecto y desde luego tiene un límite de resistenciadieléctrica. A pesar de todo, el “vacío” real tiene característicasespectaculares: a la presión de 10-6 bar, la rigidez dieléctrica encampo homogéneo puede alcanzar una tensión de cresta de 20 KVpara una distancia interelectrodos de 1,2 mm.
Las distancias necesarias para la resistencia dieléctrica aumentanmuy rápidamente cuando la tensión sobrepasa de 30 a 50 KV lo queconlleva costos prohibitivos en relación a las otras tecnologías.Además está la emisión de rayos X cuando la tensión se eleva.
El arco eléctrico en el vacío.
Mecanismo de corte.
Diferentes tecnologías de corte en vacío.
Características principales.
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 45
CARACTERISTICAS PRINCIPALES
Se usan en 33 y 13,2KV.
Seguridad de operación.
Sin control del medio dieléctrico.
Sin mantenimiento.
Regeneración dieléctrica muy rápida.
Para el corte de corrientes capacitivas, la resistencia dieléctrica se torna aleatoria y se traduce en reencendidos importantes.
Existe riesgo de soldadura de contactos, en particular después de un cierre sobre un cortocircuito.
El crecimiento de la rigidez dieléctrica es de 1000 V/µs. Entonces para una tensión de 15KV, el tiempo de recuperación es de 15 µsegundos.
DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 46
EL ARCO ELECTRICO EN EL VACIO
El arco se compone de
vapores metálicos y de electrones que proviene de
los electrodos de manera distinta a las otras
técnicas de corte, en las cuales esta columna se
compone principalmente por el gas intercontacto
ionizado por COLISIONES y TEMPERATURA.
El arco puede tener dos
aspectos: concentrado o difuso, según la
intensidad de corriente que lo atraviesa. Para
valores elevados de intensidad (mayor o igual a
10000A) el arco es único y concentrado como en los
fluidos tradicionales (figura 26a). Para valores de
corriente inferiores a algunos miles de amperios,
este arco se encuentra en forma difusa (figura 26b).
Cuando la intensidad decrece
estos vapores se condensan sobre los mismos
electrodos o sobre las pantallas metálicas
dispuestas a tal efecto.
I>>>
ARCO
DIFUSO
AÚN
PARA
I>>>
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DIFERENTES TECNOLOGIAS
Las tecnologías se orientan principalmente en dos
direcciones:
El control del arco por un campo magnético Radial o Axial.
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TECNOLOGÍA DEL CAMPO MAGNETICO
RADIAL
El campo esta creado por
la corriente que circula
entre los electrodos
previstos a este efecto.
El arco se desplaza con un
movimiento circular, el
calor se reparte
uniformemente lo que limita
su erosión y la densidad de
los vapores metálicos.
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TECNOLOGIA DEL CAMPO MAGNETICO
AXIAL
La aplicación de un campo magnético axial, imprime a los electrones y a los iones una trayectoria helicoidal siguiendo la líneas del campo magnético. Esto estabiliza el arco difuso y dificulta la aparición del régimen concentrado. La aparición de las marcas anódicas se evita y la erosión queda limitada, lo que permite alcanzar potencias de corte elevadas con arco difuso.
I inducidas
I espiras, se oponen
a las inducidas
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MECANISMO DE CORTE
Paso por cero de la corriente:
Después del suficiente tiempo para que los vapores metálicos hayan
podido condensarse , el corte se realiza con facilidad en el cero de corriente.
En efecto, al aproximarse a cero, el número de puntos de arco
disminuye hasta que el último desaparece cuando la energía aportada por
el arco es insuficiente para mantener una temperatura de arco
suficientemente elevada.
La extinción brutal del último punto es el origen de los fenómenos
de arranque (CHOPEO) que se producen con frecuencia al aplicar esta
tecnología. Hay que darse cuenta de que , al invertir la tensión, el ánodo se
convierte en cátodo, pero está frío y no puede emitir electrones, lo que
significa una constante de tiempo de desionización excesivamente pequeña.
En consecuencia los aparatos de vacío pueden cortar las corrientes con
crecimientos del TTR muy rápidos y también las corrientes de alta
frecuencia.
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ESQUEMA DE CAMARA DE VACIO
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CORTE EN EL SF6
Concepto:
El hexafluoruro de azufre –SF6 – es un gas no contaminante, incoloro,inodoro, no inflamable y no tóxico en su estado puro. Es insoluble en agua. Esquímicamente inerte: sus moléculas tienen todos sus enlaces químicos saturados y unaenergía de disociación elevada, así como una gran capacidad para evacuar el calorproducido por el arco. Durante el período de arco, bajo el efecto de la temperatura, el SF6se descompone en SF5. Esta descomposición es casi reversible: cuando la intensidaddisminuye, la temperatura disminuye y entonces los iones y los electrones se recombinanpara reconstruir la molécula de SF6.
El mecanismo de corte:
Durante el período de arco, la totalidad de la corriente se transporta por elnúcleo, con la disminución de la intensidad AL ACERCARSE AL CERO DE CORRIENTE, latemperatura del núcleo disminuye, con lo que su conductividad eléctrica comienzatambién a disminuir.
Al acercarse al cero de corriente, los intercambios térmicos entre la vaina yel núcleo resultan importantes. El núcleo desaparece, implicando la desaparición de laconductividad con una constante de tiempo muy pequeña (0.25 µs).
Característica relevante:
El crecimiento de la rigidez dieléctrica es de 10000 V/µs. Entonces para una tensión de 15KV, el tiempo de recuperación es de 1,5 µsegundos.
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EL ARCO ELECTRICO EN EL SF6
Su estudio térmico
permite describirlo como formado por
un plasma de SF6 disociado de forma
cilíndrica, constituido por un núcleo a
una temperatura muy elevada en
función de la corriente cortada,
envuelto de una vaina de gas más frío.
El núcleo y la vaina están separados por
una zona de transición de temperatura
ligada a la temperatura de disociación
de la molécula. Cerca de 2000ºC, esta
zona de transición permanece sin
cambios cuando la intensidad de la
corriente varía.Indicación de Tº con
distintos colores (2000,
5000 y 15000ºC)
VALORES DE
CORRIENTE
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POLO FIJO, EL
SUPERIOR Y
MÓVIL EL
INFERIOR
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DIFERENTES TECNOLOGÍAS
Existen muchas tecnologías de aparamenta con SF6
que difieren por el modo de enfriamiento del arco y
cuyas características y campos de aplicación varían.
A continuación se describen algunas de ellas:
El corte por auto-compresión y por arco giratorio.
El corte por auto expansión , con guiado mecánico, o
guiado magnético.
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CORTE POR AUTO-COMPRESION Y POR
ARCO GIRATORIO.
El corte por auto-compresión:
En este tipo de disyuntor, la expansión de un volumen de SF6
comprimido por un pistón sopla el arco. Al abrir, un cilindro solidario con el
contacto móvil se desplaza y comprime un volumen de SF6.
Un tubo de soplado canaliza el gas hacia el centro del arco. El gas se evacua a
través de contactos huecos. La energía necesaria para soplar el arco se
produce por empuje mecánico y por tanto es independiente de la corriente que
hay que cortar.
El corte por arco giratorio:
El arco se enfría por su propio desplazamiento relativo en el SF6. Un
campo magnético, creado por una bobina recorrida por la corriente de falla,
genera un movimiento de rotación del arco a velocidad muy elevada. Al abrir
los contactos principales aparece el campo magnético axial. La fuerza de
Laplace resultante acelera el arco en un movimiento circular.
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CORTE POR AUTO-COMPRESION Y POR
ARCO GIRATORIO.
MOVIMIENTO DEL ARCO
MOVIMIENTO DEL ARCO
COMPRESIÓN Y
SOPLADO
SOPLADO Y
ESTIRAMIENTO
BOBINA DE
SOLPLADO QUE
POR LA I DE FALLA
PRODUCE LA
ROTACIÓN DEL
ARCO POR CAMPO
MAGNÉTICO
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EL CORTE POR AUTO-EXPANSION, GUIADO
MECANICO O MAGNETICOAuto-expansión:
Aumento de P por Tº
del arco en un espacio
confinado.
A > I produce un efecto
tapón y el SF6 no
escapa.
El gas frío bloqueado
aumenta su Tº y su P.
Cuando I=0, el tapón
desaparece y el gas se
expande soplando al
arco.
El guiado mecánico: En este caso el arco se
mantiene centrado entre los contactos por unas
paredes aislantes que confinan los flujos gaseosos.
El guiado magnético: Ahora un campo
magnético permite centrar el arco en la zona de
expansión del SF6 al tiempo que le imprime un
movimiento de rotación.
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EL CORTE POR AUTO-EXPANSION, GUIADO
MECANICO O MAGNETICO
FUERZA
MAGNÉTICA DE
SOPLADO, 100 a
1000 m/seg
EXPANSIÓN
DEL SF6
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En los interruptores con comando tripolar, la apertura de los contactos es
simultánea, aunque conviene que haya discordancia de un milisegundo entre
los tres polos.
Se entiende por discordancia la diferencia en tiempo que existe entre el
instante de cierre del primero y el instante de cierre del último polo del
interruptor.
El uso de la discordancia es importante, pues sirve para reducir las
sobretensiones debidas a maniobras.
Si el interruptor es de operación o comando unitripolar, como en las líneas
aéreas, donde es apropiado usar recierre unipolar, la discordancia puede
aumentar hasta varios segundos. Pasado ese tiempo aparecen efectos
adversos por la magnitud de las sobretensiones de maniobra.
CORTE EN EL SF6
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Corte con Aire Comprimido
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Corte con Aire Comprimido
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Corte con Aire Comprimido
CONTRACONTACTO
TOBERAS
CONTRACONTACTO
CONTACTO
FIJO
DOBLE TOBERA CON
RETROCESO DE
SOPLADO
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COMPARACIÓN ENTRE LOS DISTINTOS TIPOS
• Tipo hexafluoruro
Ventajas
• Después de la apertura de los contactos, los gases ionizados no escapan al aire, por lo que la apertura del interruptor
casi no produce ruido.
• Alta rigidez dieléctrica, del orden de tres veces la del aire.
• El SF6 es estable. Expuesto al arco, se disocia en SF5, SF4, SF2 y en fluoruros metálicos; pero al enfriarse se
recombinan de nuevo en SF6.
• La alta rigidez dieléctrica del SF6 lo hace un medio ideal para enfriar el arco, aun a presiones bajas.
• La presión utilizada para interrupción del arco es una fracción de la requerida en interruptores neumáticos.
• Buena conductividad térmica, es del orden de tres veces la del aire.
Desventajas
• A presiones superiores a 3,5 bares y temperaturas menores de –40°C, el gas se licua. Por eso, en el caso de
interruptores de dos presiones es necesario calentar el gas de la cámara de extinción para mantener el equilibrio a
temperaturas ambiente menores de 15°C.
• El gas es inodoro, incoloro e insípido. En lugares cerrados hay que tener cuidado de que no haya escapes, ya que por
tener mayor densidad que el aire, lo desplaza y provoca asfixia en las personas por falta de oxígeno.
En otros lugares es conveniente disponer de extractores que deben ponerse en funcionamiento antes de que ingrese
personal.
• Los productos del arco son tóxicos y combinados con la humedad producen ácido fluorhídrico, que ataca la porcelana y
el cemento de sellado de los bornes de conexión.
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COMPARACIÓN ENTRE LOS DISTINTOS TIPOS
Tipo vacío
Ventajas
• Es un interruptor muy compacto.
• Prácticamente no necesita mantenimiento.
Desventajas
• Durante la extinción del arco se produce una ligera
emisión de rayos X.
• Aparecen sobretensiones, sobre todo en circuitos inductivos.
• Que por algún accidente, de manipulación o transporte,
se pueda perder el vacío de la cámara, entrar aire y,
de producirse el arco, romperse la cámara.
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ENSAYOS
Recordar que la
IEC 60056, fue
reemplazada por la
IEC 62291-100
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ENSAYOS
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ENSAYOS
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ENSAYOS
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ENSAYOS
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Tensiones de restablecimiento
Tensión de restablecimiento (TR)
Es la tensión que aparece entre los bornes de los polos de un interruptor
después de la interrupción de la corriente. En su régimen final, después de
un periodo transitorio, la TR es una tensión a la frecuencia de servicio de la
red.
Tensión transitoria de restablecimiento (TTR):
Oscilación inicial de carácter transitorio de la tensión de restablecimiento,
que presenta un valor cresta superior al de la TR a la frecuencia de servicio.
La TTR representa pues una cierta sobretensión pasajera a una frecuencia
mucho mayor a la de servicio.
Los interruptores deben estar diseñados para poder soportar esta
sobretensión, y a la vez para limitarla a valores no peligrosos indicados en
las normas.
Interruptores
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Tensión
Nominal
(KV)
Factor de
Primer Polo Kp
(p.u.)
Factor de
Amplitud
Kc (p.u.)
Pico de la TTR
(TRV)(KV)
Velocidad de
Crecimiento de
la TTR (RRRV)
(KV/µseg)
3,6 1,5 1,4 6,2 0,15
7,2 1,5 1,4 12,3 0,24
15 1,5 1,4 25,7 0,34
17,5 1,5 1,4 30 0,42
36 1,5 1,4 62 0,57
38 1,5 1,4 65 0,52
72,5 1,5 1,4 124 0,75
145 1,3 1,4 215 2
245 1,3 1,4 364 2
550 1,3 1,4 817 2
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Secuencias de maniobras
O - 0.3 s - CO - 3 min - CO.
O - 3 min - CO - 3 min – CO
O - 15 s - CO.
O representa una maniobra de apertura («open»).
C representa una maniobra de cierre («closing»).
CO representa una maniobra de cierre seguida inmediatamente (es decir sin
retraso intencional) de una maniobra de apertura. t, t', t" intervalos de tiempo
entre dos maniobras sucesivas.
Reenganche rápido: secuencia de maniobras por la que, a continuación de una
apertura se cierra automáticamente el interruptor, después de un tiempo
prefijado, que normalmente es de 0,3 segundos.
Interruptores
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Secuencias de maniobras
En líneas aéreas, el 80% de los cortocircuitos que provocan la apertura
del interruptor, son pasajeros, por ejemplo, el contacto de una rama de
árbol o entre conductores de dos fases por efecto del viento, descarga
superficial («contorneo») en un aislador, etc.
El reenganche rápido evita las interrupciones prolongadas de servicio de
la línea, por una causa que en el 80% de los casos es de muy corta
duración.
Sólo si el cortocircuito se mantiene el interruptor vuelve a abrir.
Interruptores
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Los interruptores previstos para reenganche rápido deben cumplir las
condiciones siguientes:
Sus polos deben estar dimensionados para poder cortar dos veces
seguidas (intervalo de 0,4 s aprox.) su corriente nominal de desconexión
(poder de corte nominal en cortocircuito).
Su mecanismo de accionamiento debe estar motorizado y diseñado para la
secuencia de operación siguiente a partir de la posición abierto:
Acumulación de energía (tensado de los muelles de conexión).
Cierre de contactos y tensado de los muelles de apertura.
Nuevo tensado de los muelles de conexión, de forma automática (sin
intervención del operador).
En posición cerrado tiene los muelles de apertura y los de cierre tensados.
Interruptores
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Características específicas:
Poder de corte nominal en cortocircuito.
Es la mayor intensidad de cortocircuito que el interruptor debe ser capaz de
interrumpir en un circuito en el que la tensión de restablecimiento, a
frecuencia industrial, corresponde a la tensión nominal del interruptor, y en el
que la tensión transitoria de restablecimiento (TTR) es
igual al valor especificado en la tabla siguiente:
Interruptores
Tensión nominal kV 3,6 7,2 12 17,5 24 36
Valor de cresta kV 6,2 12,4 20,6 30 41 62
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Cuando la corriente posee una componente continua, su valor eficaz depende del
valor de esta componente. La curva en trazo lleno de la figura representa una
corriente de cortocircuito asimétrica en función del tiempo.
Cuando la corriente posee una componente continua, su valor eficaz depende del
valor de esta componente. La curva en trazo lleno de la figura representa una
corriente de cortocircuito asimétrica en función del tiempo. FIGURA A
Si se trazan las curvas envolventes, a trazos, así como la curva media de éstas,
esta curva media representa la componente continua de la corriente.
Componente alterna
cortada
Componente cotinua
cortada
Componente
total cortada
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Si se admite que la vertical t`t es el momento de la separación de los contactos, el valor
I de corriente cortada está expresado por la fórmula siguiente:
I = + y2x
2 2
2
x = amplitud total de la intensidad de la corriente cortada en A.
y = valor de la intensidad de la componente continua en A.
Según el tipo de disyuntor, la presencia de una componente continua puede facilitar o
dificultar la ruptura, siendo el primero el caso más general. ( Norma IEC 20% ).
El valor eficaz de corriente que puede cortar un disyuntor varía, a igualdad de todo lo
demás, con la importancia de la componente continua de esta corriente. Para tener en
cuenta esta consideración, se debe expresar el poder de ruptura de un disyuntor, bajo
cada una de sus tensiones nominales, por dos valores:
a) El poder de corte simétrico: es el mayor valor eficaz de corriente simétrica que el
disyuntor puede cortar en condiciones dadas.
B) El poder de corte asimétrico: es mayor valor eficaz de corriente asimétrica o total
que el disyuntor puede cortar en las mismas condiciones.
I= ((x/2.1,4142)2+y2)1/2
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DC/DMT/PCR - S1ill_97S9.PPT - 02/2002 81
Características específicas:
Poder de corte nominal en cortocircuito. Se caracteriza por los dos valores
correspondientes a las dos componentes que puede tener la corriente de
cortocircuito:
Interruptores
Valor eficaz de la
componente periódica.
Porcentaje de la
corriente aperiódica.
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Características específicas:
Tensión transitoria de restablecimiento nominal (TTR) para cortocircuitos en bornes de salida del
interruptor.
Poder de cierre nominal en cortocircuito.
Es igual a 2,5 veces el valor eficaz de la componente periódica de su poder de corte nominal
en cortocircuito.
Secuencia de maniobras nominal.
Duración admisible de la intensidad de cortocircuito.
Valor nominal 1 segundo. Si se precisa un valor superior, se tomará el de 3 segundos.
Poder de corte nominal de cable en vacío.
Interruptores
Tensión nominal kV 3,6 7,2 12 17,5 24 36
Poder de corte
nominal de cable en
vacío [A]
10 10 25 31,5 31,5 50
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Datos que se han de dar para todos los interruptores
Nombre del fabricante o marca registrada.
Número de serie.
Tensión nominal.
Nivel básico de aislación nominal (tensiones de ensayo).
Frecuencia nominal.
Intensidad nominal en servicio continuo.
Poder de corte nominal en cortocircuito.
La masa (incluyendo el aceite en los que tengan).
Interruptores
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Datos a proporcionar para ciertos interruptores
Duración nominal admisible de la intensidad de cortocircuito, si fuese
distinta de un segundo.
Tensión nominal de alimentación de los dispositivos de apertura y cierre.
Frecuencia nominal de alimentación de los dispositivos de apertura y
cierre.
Poder de corte nominal en discordancia de fases, si hay un valor asignado.
Tensión nominal de alimentación de los circuitos auxiliares.
Interruptores
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MUCHAS
GRACIAS