CT193 Las técnicas de corte en MT

Cuaderno Técnico nº 193

Las técnicas de corte en MT

S. Théoleyre

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones, lossistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

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Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilización de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no serán responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las consecuenciasde la aplicación de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edición.

La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 193 de Schneider Electric».

Cuaderno Técnico n o 193

Serge THÉOLEYREDe formación científica, diplomado doctor ingenieropor la Escuela Nacional Superior de IngenierosEléctricos de Grenoble en 1983, entra en 1984 en elGrupo Schneider. Inicialmente fue responsable de lainvestigación y del desarrollo además del marketingpara la actividad condensadores de potencia.

Después de 1995, tiene la responsabilidad de lasacciones del Grupo Schneider en los campos de lanormalización y de la comunicación técnica en elámbito de la actividad transporte y distribución deenergía eléctrica (AT/MT).


Trad.: Lluis Miret

Original francés: setiembre 1998

Versión española: abril 2001

Cuaderno Técnico Schneider n° 193 / p. 4

Ur: Tensión asignada que corresponde al valoreficaz de la tensión que el aparato debe sercapaz de soportar indefinidamente en lascondiciones prescritas de empleo y defuncionamiento.

I cc : Corriente de cortocircuito.

I r: Corriente asignada que corresponde al valoreficaz de la corriente que el aparato debe de sercapaz de soportar indefinidamente en lascondiciones prescritas de empleo y defuncionamiento.

Aparato de conexión: Aparato destinado aestablecer o interrumpir la corriente en uncircuito eléctrico.

Aparamenta: Término general que se aplica alos aparatos de conexión y a su combinacióncon los aparatos de mando, de medida, deprotección y de ajuste que se le asocian.

Constante de tiempo de desionización:Referido a la resistencia del arco, tiemponecesario para doblar su valor admitiendo quesu velocidad de variación se mantiene constante.

Cortocircuito: Conexión accidental ointencionada, a través de una resistencia o unaimpedancia relativamente baja, de dos o máspuntos de un circuito que están normalmente atensiones diferentes.

Defecto: Modificación accidental que afecta alfuncionamiento normal.

Defecto a tierra: Defecto debido a la conexióndirecta o indirecta de un conductor con tierra o ala disminución de su resistencia de aislamiento atierra por debajo de un valor especificado.

Terminología

Factor de sobretensión: Razón del valor decresta de la sobretensión al valor de cresta de latensión máxima de la tensión admitida por unaparato.

Poder de corte (PdC): Corriente presunta queun aparato de conexión debe ser capaz deinterrumpir en condiciones previstas de empleo yde comportamiento.

Reencendido: Restablecimiento de la corrienteentre los contactos de un aparato mecánico deconexión durante una maniobra de corte, antesde un cuarto de período después del paso porcero de la corriente.

Recebado: Restablecimiento de la corrienteentre los contactos de un aparato mecánico deconexión durante una maniobra de corte,después de un cuarto de período después delpaso por cero de la corriente.

Sobretensión: Toda tensión entre un conductorde fase y tierra o neutro, o entre dosconductores de fase, cuyo valor de crestasobrepasa el valor de cresta correspondiente ala tensión más elevada para el material.

Tensión transitoria de restablecimiento-TTR-: Tensión de restablecimiento entre loscontactos de un aparato de conexión durante eltiempo en el que presenta un carácterapreciablemente transitorio.

Valor asignado: Valor de una magnitud, fijadageneralmente por el fabricante, para unfuncionamiento específico de un componente,dispositivo o material.



Cortar la corriente es una acción indispensable que hay que realizar en un circuitoeléctrico, para garantizar la seguridad de las personas y de los bienes en caso defallo, y también para controlar la distribución y la utilización de la energía eléctrica.

El objetivo de este Cuaderno Técnico es que se conozcan mejor las ventajas, losinconvenientes y los campos de utilización de las técnicas de corte convencionalesy nuevas en MT.

Después de haber caracterizado las corrientes que hay que cortar y el propio cortedesde un punto de vista teórico, el autor presenta el corte en el aire, el aceite, elvacío y el SF6, y termina con unas tablas comparativas.

Actualmente la solución sigue siendo el corte gracias al arco eléctrico, bien sea enel SF6 o en el vacío; necesita una maestría y dominio de la tecnología que esteCuaderno Técnico os invita a compartir.

1 Introducción p. 6

2 El corte de corrientes de carga 2.1 Principio del corte p. 8 y de fallo 2.2 El corte de las corrientes de carga p. 11

2.3 El corte de corrientes de fallo p. 16

3 Las técnicas de corte 3.1 El medio de corte p. 19

3.2 El corte en el aire p. 20

3.3 El corte en aceite p. 22

3.4 El corte en el vacío p. 23

3.5 El corte en el SF6 p. 27

3.6 Comparación de las distintas técnicas p. 32

3.7 ¿Cuáles son las posibilidades de otras técnicas? p. 34

4 Conclusión p. 35

Bibliografía p. 36


1 Introducción

A partir de las centrales de producción, laenergía eléctrica se transporta hacia los puntosde consumo por medio de una red eléctricacomo la esquematizada la en la figura 1 .

Es indispensable poder cortar la corriente encualquier punto de la red por razones deexplotación y de mantenimiento o para protegerla red cuando hay un fallo. Igualmente hace faltapoderla restablecer en diversas situacionesnormales o de defecto.

Para esto se emplean aparatos de desconexión,cuya elección depende de la naturaleza de lascorrientes a cortar y del campo de aplicación(figura 2 ). Estas corrientes pueden clasificarseen tres categorías:

n Intensidades de carga, por principio inferioreso iguales a la intensidad asignada Ir. Laintensidad asignada Ir es el valor de laintensidad que el material debe ser capaz desoportar indefinidamente en las condicionesprescritas de uso y de funcionamiento.

n Intensidad de sobrecarga, la intensidad quees superior a su valor asignado.

n Intensidad de cortocircuito, la que se producedespués de un fallo en la red. Su valor dependede la potencia de la fuente, del tipo de fallo y delas impedancias aguas arriba del circuito.

Además, tanto en la apertura como en el cierre,así como en servicio continuo, todos estosaparatos están sometidos a esfuerzos:

n dieléctricos (tensión),

n térmicos (corrientes anormales y corrientesde fallo),

n electrodinámicos (corrientes de fallo),

n mecánicos.

Los esfuerzos más importantes estánvinculados a los fenómenos transitorios queintervienen en las maniobras y en los cortes conarco eléctrico de corrientes de fallo. Tienen uncomportamiento difícil de determinarpreviamente a pesar de las técnicas actuales demodelización.

Así pues, los elementos que mayormentecontribuyen al diseño de los aparatos de corteson la experiencia, el saber hacer y laexperimentación. A estos aparatos se les llama«electromecánicos» puesto que, todavía hoy, elcorte estático en medía y alta tensión no sevislumbra ni desde el punto de vista técnico nieconómico. Y, entre todos los aparatos dedesconexión, los disyuntores son los másinteresantes puesto que son capaces deestablecer, soportar e interrumpir corrientes encondiciones normales y anormales(cortocircuito).

En este Cuaderno Técnico, trataremosprincipalmente del corte de corriente alterna pordisyuntor.

El ámbito de tensión considerado es el de MT(1k - 52 kV), pues es en estos niveles de tensióndonde existe un mayor número de técnicas decorte.

El estudio de los fenómenos que aparecendespués del corte y del cierre constituye laprimera parte de este documento.

La segunda parte presenta los cuatro tipos detécnicas de corte más extendidas actualmente, asaber: las técnicas de corte en el aire, el aceite,el vacío y el SF6.

Fig. 1: Esquema de una red eléctrica.

Central deproducción

Red detransporte MAT800 kV - 300 kV

Red de reparto AT

300 kV - 52 kV

Red de distribución en MT

52 kV - 1 kV

Red de distribución en BT

1 kV - 220 V

Centros detransformación

MAT / AT


AT / MT


MT / BT

AbonadosMT

AbonadosBT

AbonadosAT


Fig. 2: Los distintos aparatos de conexión, sus funciones y sus aplicaciones.

n Definición CEI Cerrar Abrir Aislar

n Función

Seccionador n Aparato mecánico de conexión que sí no sí o sí no no síasegura, en posición abierto unadistancia de seccionamiento quesatisface ciertas condicionesespecíficas.

n Destinado a asegurar el aislamientode seguridad de un circuito, se asocianormalmente a un seccionador de tierra.

Seccionador n Seccionador especial diseñado para sí no sí o sí no no node puesta conectar los conductores de fase a tierra.a tierra n Destinado a la seguridad en caso de

intervención en los circuitos, conecta losconductores activos, sin tensión, a tierra.

Interruptor n Aparato mecánico de conexión capaz sí sí sí sí sí no sí ode establecer, soportar e interrumpir,en condiciones normales, las corrientesdel circuito, incluidas eventualmente lasde sobrecarga de servicio.

n Destinado al mando (abrir - cerrar) decircuitos, está previsto normalmentepara asegurar la función de seccio-namiento. En la redes MT de distribuciónpública y privada se asocia normalmentea fusibles.

Contactor n Aparato mecánico de conexión que tiene sí o sí o sí o sí o sí o no nouna única posición de reposo, no accionadocon la mano, capaz de establecer, soportare interrumpir corrientes en condicionesnormales del circuito, incluidas lascondiciones de sobrecarga de servicio.

n Previsto para funcionar muy frecuente-mente, está destinado principalmente almando de motores.

Disyuntor n Aparato mecánico de conexión capaz sí sí sí sí sí sí node establecer, soportar e interrumpircorrientes en condiciones normales delcircuito y además en condicionesanormales específicas del circuito,como las de cortocircuito.

n Aparato de conexión de uso general.Además del mando de circuitos,asegura su protección contra losdefectos eléctricos. Sustituye a loscontactores para el mando de grandesmotores MT.

= en vacío = con carga = cortocircuito o = según los casos


2 El corte de corrientes de carga y de fallo

2.1 Principio del corte

Un aparato de corte ideal sería un aparatocapaz de interrumpir la intensidadinstantáneamente. No hay ningún aparatomecánico que sea capaz de cortar la corrientesin la ayuda del arco eléctrico, que disipa laenergía electromagnética del circuito eléctrico,limita las sobretensiones, pero retarda el cortetotal de la corriente.

El interruptor ideal

En teoría, poder interrumpir instantáneamenteuna corriente es ser capaz de pasardirectamente del estado conductor al estadoaislante. La resistencia de este interruptor«ideal» debe pasar pues inmediatamente decero a infinito (figura 3 ) .

Este aparato debería ser capaz de:

n absorber toda la energía electromagnéticaacumulada en el circuito antes del corte, o sea,

en caso de cortocircuito, 21

Li2

dada la

naturaleza inductiva de las redes,

n soportar la sobretensión (L di/dt) queaparecería en sus bornes y que tendría un valorinfinito si el paso aislante-conductor se hiciese enun tiempo infinitamente pequeño, lo que llevaríaindudablemente a la descarga dieléctrica.

Imaginando que estas dificultades se eliminanpor medio de una sincronización perfecta entreel paso natural por cero de la corriente y latransición aislante-conductor del aparato,todavía hay que superar otro fenómeno tambiénmuy delicado: el de la tensión transitoria derestablecimiento (TTR).

En efecto, inmediatamente después de lainterrupción de la corriente, la tensión (derestablecimiento) en los bornes del interruptoralcanza la tensión de red, que es máxima eneste instante, para los circuitos inductivos. Estoocurre sin una discontinuidad brutal por lapresencia de capacidades parásitas en la red.En este instante se establece un régimentransitorio que permite el ajuste de la tensión a lade la red. Esta tensión, llamada «tensióntransitoria de restablecimiento» (TTR), dependede las características de la red y su velocidad decrecimiento (dv/dt) puede ser considerable (delorden de kV/µs). Simplificando, esto significaque, para afrontar el desafío del corte, elinterruptor ideal debe poder soportar varios kVmenos de un micro segundo después de latransición conductor-aislante.

Corte con el arco eléctrico

Dos razones explican la existencia de un arco:

n Es casi imposible separar los contactosexactamente en el cero natural de corrientedebido a la incertidumbre medida-mando: paraun valor eficaz de 10 kA, la corriente instantánea1 ms antes alcanzar su cero vale todavía3000 A. La sobretensión instantánea L di/dt queaparecería en los bornes del aparato si éste setransformara inmediatamente en aislante seríainfinita y conllevaría la perforación inmediata delespacio intercontactos todavía pequeño.

n La separación de los contactos se debehacer a una velocidad suficiente para que laresistencia dieléctrica entre los contactos seasuperior a la tensión transitoria derestablecimiento. Esto necesita una energíamecánica próxima al infinito que en la prácticaningún aparato puede proporcionar.

Corte

i

R

t

t

R L

e Carga

Fig. 3: Corte realizado por un interruptor ideal.


Examinemos el proceso de corte con un arcoeléctrico. Está constituido por tres períodos:

o el período de espera,

o el período de extinción,

o el período post-arco.

n El período de espera:

Antes del cero de corriente, los dos contactosse separan provocando la ruptura dieléctrica delmedio intercontactos. El arco que aparece estáconstituido por una columna de plasmacompuesta por iones y por electronesprocedentes del medio intercontactos o de losvapores metálicos desprendidos por loselectrodos (figura 4 ). Esta columna seconserva conductora mientras que sutemperatura sea suficientemente elevada. Así elarco se mantiene por la energía que él mismodisipa por efecto Joule.

La tensión que aparece entre los dos contactospor la resistencia del arco y por las caídas detensión de superficie (tensiones anódica ycatódica) se llama la tensión de arco (Ua).

Su valor, que depende de la naturaleza del arco,está influenciada por la intensidad de corriente ypor los intercambios térmicos con el entorno(paredes, materiales, ...). Estos intercambiostérmicos, que se realizan por radiación,convección y conducción, son característicos dela potencia de enfriamiento del aparato.

La función de la tensión de arco es esencial,pues condiciona la potencia disipada por elequipo dentro del aparato durante el corte:

arc

0

tatW U . idt= ∫ , donde t0 es el instante de inicio

del arco y tarc es el instante del corte.

En Media y Alta Tensión, ésta permanecesiempre mucho más pequeña que las tensionesde red y por tanto no tiene efectos limitadores,salvo artificios especiales desarrollados másadelante. El corte se realiza, pues, cerca delcero «natural» de la corriente alterna.

n El período de extinción

La interrupción de corriente que corresponde a laextinción del arco se hace en el cero de corrientea condición de que el medio se conviertarápidamente en aislante. Para esto, la corrientede moléculas ionizadas debe romperse. Elproceso de extinción se hace de la manerasiguiente.

Cerca del cero de corriente, la resistencia delarco aumenta según una curva que dependeprincipalmente de la constante de tiempo dedesionización del medio intercontactos (figura 5 ).

Fig. 4: Composición de un arco eléctrico en un mediogaseoso.

e

e

e

e

e

Nión +

Ánodo

Cátodo

ión +

ión –

Fig. 5: Evolución de la resistencia de arco (a) y de latensión y la corriente (b) durante el periodo deextinción, en caso de corte con éxito (r) o deavalancha térmica (e).

Corrientepost-arco

R

t

t

Rr

Ur

ir

ie

Ue

Re

i, U

a

b


En el cero de corriente, esta resistencia tiene unvalor que no es infinito y todavía hay unacorriente post-arco que atraviesa el aparatodebido a la tensión transitoria derestablecimiento que aparece en sus bornes.

Si la potencia disipada por el efecto Joulesobrepasa la potencia de enfriamientocaracterística del aparato, el medio no se sigueenfriando, se produce un embalamiento térmicoseguido de una nueva ruptura dieléctrica: es unaruptura térmica.

Si, por el contrario, el crecimiento de la tensiónno excede un cierto valor crítico, la resistenciadel arco puede aumentar con suficiente rapidezpara que la potencia disipada en el mediopermanezca inferior a la potencia deenfriamiento del aparato, evitando así elembalamiento térmico.

n El período post-arco

Para que el corte tenga éxito, también esnecesario que la velocidad de regeneracióndieléctrica sea más rápida que la TTR (figura 6 )de otro modo aparece una perforacióndieléctrica.

En el instante en que se produce la rupturadieléctrica, el medio se convierte de nuevo enconductor, lo que genera fenómenos transitoriosque se expondrán en detalle más adelante.

Estas rupturas dieléctricas post-corte se llaman:

o reencendidos, si tienen lugar en el cuarto deperíodo que sigue al cero de corriente,

o recebados, si se producen después.

n La TTR en las normas

Aunque la velocidad de crecimiento de la TTRtiene un papel fundamental en las capacidadesde corte de los aparatos, su valor no puededeterminarse con precisión para todas lasconfiguraciones de red. La norma CEI 60056define para cada tensión nominal un valor límiteque corresponde a las necesidades que seencuentran normalmente (figura 7 ).

Fig. 6: Curvas de regeneración dieléctrica en caso decorte con éxito (a) o con ruptura dieléctrica.

Fig. 7: Tensión transitoria de restablecimiento -TTR- asignada en caso de cortocircuito en los bornes de undisyuntor (§ 4102 de la norma CEI 60056).

UTTR

UC

tt3

Tensión asignada 7,2 12 17,5 24 36 52(Ur en kV)

Valor de cresta de 12,3 20,6 30 41 62 89la TTR (UC en kV)

Tiempo t3 (en µs) 52 60 72 88 108 132

Velocidad de 0,24 0,34 0,42 0,47 0,57 0,68crecimiento (UC/t3)

El PdC de un disyuntor se define entonces, a sutensión asignada y con la TTR asignadacorrespondiente, como el valor de corriente máselevado que puede cortar.

Por tanto, un disyuntor debe ser capaz de cortartoda corriente inferior a su PdC para toda TTRcuyo valor sea inferior a la TTR asignada.

U

U

t

Tensión de restablecimiento

t

0

0

a

b

Tensión de restablecimiento con recebado

Curva de regeneración dieléctrica

Tensión de restablecimiento si el aparato no sehubiese recebado


2.2 El corte de las corrientes de carga

En explotación normal, en MT, el corte de uncircuito se hace:

n sobre una intensidad de carga de algunosamperios o de algunos centenares de amperios,pequeña con relación a la intensidad decortocircuito (de 10 a 50 kA);

n con un factor potencia superior o igual a 0,8.El desfase entre la tensión del circuito eléctrico yla intensidad es pequeño y el mínimo de tensiónse produce en los alrededores del mínimo decorriente (circuito fuertemente resistivo).

La tensión en los bornes del aparato de corte seiguala entonces a la tensión de la red. Casi sinfenómeno transitorio (figura 8 ).

En estas condiciones el corte se realiza al pasode cero de corriente, sin dificultad, puesto que elaparato está dimensionado para corrienteselevadas en cuadratura con la tensión.

El corte de corrientes inductivas

n El arranque de corriente

El corte de corrientes inductivas puede dar lugara sobretensiones provocadas por el corteprecoz de la corriente. Es el fenómenodenominado «arranque de corriente».

Para corrientes inductivas pequeñas (entrealgunos amperios hasta algunas decenas deamperios), la capacidad de enfriamiento de losaparatos dimensionados para la intensidad decortocircuito es muy elevada en relación con laenergía disipada en el arco. Esto genera

inestabilidad del arco. Aparece un fenómeno deoscilación ligado a los intercambios de energíaentre las capacidades «vistas» por el órgano decorte y las inductancias (figuras 9 y 10).Durante esta oscilación a alta frecuencia (delorden de 1 MHz) es posible que la corrientepase por cero y el disyuntor puede interrumpiresta corriente antes del paso normal por cero ala frecuencia industrial (50 Hz).

Fig. 8: Los fenómenos transitorios son muy pequeñoscuando se corta la corriente de una carga resistiva.

U (entre contactos)

100 V

i

t

t

Separaciónde los contactos

Corte efectivode la corriente

Periodo de arco

Fig. 9: Esquema de un circuito cuando se corta unapequeña corriente inductiva.

Fig. 10: Fenómeno de oscilaciones a alta frecuencia ode «arranque de corriente» cuando se corta unacorriente inductiva.

i

t

i

t

iiia

Cero naturalde corriente

i = corriente en el disyuntor,ii = valor de la corriente que provoca la inestabilidad,ia = valor de la corriente arrancada,

Ua U

L1

L

L2C1 C2U1 U2

L1, C1 = inductancia y capacidad aguas arriba(fuente de alimentación),L2, C2 = inductancia y capacidad aguas abajo(primario del transformador),

L = inductancia de enlace aguas arriba del disyuntor D(conjunto de barras o cables),


Este fenómeno de «arranque de corriente»viene acompañado por una sobretensióntransitoria principalmente debida al régimenoscilatorio que se establece en el lado de lacarga (figura 11 ). El valor máximo de lasobretensión (UCmáx) en el lado de la cargapuede darse por la ecuación siguiente:

= +

η 22 2 m 2 aCmáx a

2

.L .iU u

C

en la que :

ua = tensión de arranque,

ia = intensidad arrancada,

ηm = rendimiento magnético.

En el lado de la alimentación, el valor de latensión es igual al valor de la tensión arrancaday tiende hacia la tensión de red Un con unrégimen oscilatorio que depende de C1 y L1. Elvalor de la tensión entre los contactos deldisyuntor es igual a la diferencia entre estas dostensiones. Estas relaciones evidencianclaramente la influencia de las características dela red sabiendo que la corriente arrancadadepende fuertemente de C1 y del aparatocorrespondiente.

n Reencendidos

Existe otro fenómeno que puede llevar asobretensiones importantes. Son losreencendidos a la apertura.

De una manera general un reencendido esinevitable para duraciones de arco cortas puestoque la distancia entre contactos no es suficientepara soportar la tensión que aparece en losbornes del aparato. Este es el caso cada vezque aparece un arco poco tiempo antes del pasopor cero de la corriente.

La tensión en el lado de la carga alcanzaentonces la tensión del lado de la alimentacióncon un régimen oscilatorio de alta frecuencia(del orden de 1 MHz). El valor cresta de laoscilación determinada por la tensión de cargade las capacidades parásitas aguas abajo esentonces el doble del valor precedente.

Si el disyuntor es capaz de cortar la corriente dealta frecuencia, conseguirá cortarla en el primerpaso por cero de la corriente, algunos micro-segundos después del reencendido. Entonceses muy probable un nuevo reencendido por elhecho del aumento de la amplitud de laoscilación y el fenómeno se repite provocandouna escalada de la tensión que puede serpeligrosa para la carga (Cuaderno Técniconº 143).

Conviene mencionar que el mismo fenómenoaparece al cerrar el aparato: se produce un pre-cebado cuando los contactos estánsuficientemente próximos. Como en el caso delos reencendidos sucesivos, la energíaalmacenada crece a cada intento de corte, peroel crecimiento de la tensión está limitado por elacercamiento de los contactos.

n Ámbitos de aplicación

El ámbito de aplicación en MT se centra en lascorrientes magnetizantes de lostransformadores en vacío o poco cargados, enlas inductancias shunt y en los motores.

o Transformadores en vacío o poco cargados

A veces los transformadores se maniobran enperíodos de poca carga (por ejemplo durante lanoche), según las necesidades de gestión de lared. Las corrientes corresponden entonces asus corrientes magnetizantes, que van desde

Fig. 11: Curvas de corriente y de tensión cuando secortan pequeñas corrientes inductivas.

Corriente a cortar

t

t

t

Tensiones en los bornes de la carga en el lado de la fuente

Tensiones en los bornes del disyuntor de la fuente


algunos amperios hasta algunas decenas deamperios, y su posibilidad de arranque decorriente puede ser importante. Sin embargo,incluso si la corriente se arranca en su valor decresta, los factores de sobretensión posiblesson en general pequeños por las capacidades ylas inductancias que se ponen en juego.

En distribución aérea, el riesgo ligado a laaparición de sobretensiones es todavía máspequeño puesto que los descargadores detensión limitan las sobretensiones.

Por otro lado, las normas que se refieren a lostransformadores definen ensayos de ondas dechoque que permiten verificar su capacidad parasoportar las sobretensiones de maniobra.

o Las inductancias shunt

Estas inductancias se utilizan para compensar lacomponente reactiva de las líneas o para evitarla elevación de tensión de líneas muy largas ypoco cargadas. Se utilizan con más frecuenciaen AT, pero también en MT.

Las sobretensiones de corte permanecen engeneral por debajo de un factor de sobretensiónigual a 2,5 como resultado de las impedanciasimplicadas. Si hay un riesgo de que lassobretensiones de corte superen este límite, hayque colocar descargadores de sobretensión yresistencias de corte en paralelo con eldisyuntor.

o Los motores

Los bobinados, estatórico y rotórico, de losmotores provocan que la intensidad queabsorben en vacío y sus corrientes de arranquesean esencialmente inductivas. Dado el númeroimportante de maniobras, las sobretensionesson muy frecuentes y pueden resultar críticaspor la degradación progresiva del aislamientoque provocan, en particular si las aperturastienen lugar durante las fases de arranque.

Como regla general, hay que elegir disyuntoresque no se reenceben, o con una probabilidadmuy pequeña de recebado. Si no, es posibleinstalar o bien sistemas R-C en los bornes delos motores para derivar las corrientestransitorias de alta frecuencia, o bien sistemaslimitadores de tensión del tipo ZnO.

n El corte de corrientes inductivas y las normas

No existen normas internacionales para el cortede corrientes inductivas, sin embargo el informetécnico 61233 de la CEI estipulan los ensayospara los disyuntores usados para la alimentaciónde motores y de inductancias shunt.

o Motores

Para los ensayos de laboratorio de disyuntorescon tensiones asignadas comprendidas entre un1 kV y 17,5 kV, se especifica un circuitonormalizado que simula un motor con el rotorbloqueado.

o Inductancias shunt

Están poco extendidas en MT, sin embargo devez en cuando se utilizan en 36 kV. Losensayos, efectuados el laboratorio sobre uncircuito trifásico, están definidos únicamentepara tensiones asignadas superiores a 12 kV.

El corte de corrientes capacitivas

El corte de corrientes capacitivas puede darlugar a sobretensiones debidas a recebadosdurante el período de restablecimiento de latensión.

n El corte de corrientes capacitivas en principiono tiene dificultad. En efecto, cuando el aparatointerrumpe la corriente, la tensión en los bornesdel generador es máxima puesto que laintensidad y la tensión están desfasadas en π/2;puesto que el condensador permanece cargado aeste valor después del corte de corriente, latensión en los bornes del interruptor, inicialmentenula, aumenta lentamente sin TTR y con unaderivada en relación al tiempo nula en el origen.

n Por contra los problemas de recebado sondelicados. En efecto después de un semi-período, la tensión de red se ha invertido y latensión en los bornes del interruptor alcanza dosveces el valor de la tensión de cresta. Así pues,los riesgos de recebado entre los contactos sonelevados y aumentan tanto más cuanto máslenta sea la apertura.

Si hay recebado en la cresta de tensión, lacapacidad se descarga entonces en lainductancia del circuito creando una corrienteoscilante cuya tensión de cresta es 3Ê (figura12). Si el corte es efectivo en el cero decorriente siguiente, el condensador permanececargado a una tensión 3Ê.

Cuando la tensión «e» se invierte de nuevo, latensión en los bornes del interruptor es igual a5Ê. Esta sobretensión puede significar entoncesun nuevo recebado. El fenómeno puedecontinuar por sí mismo con una tensión en losbornes del interruptor que puede alcanzar losvalores de 5Ê, 7Ê, etcétera.

Para cualquier recebado que haya tenido lugardurante el cuarto de período que sigue al cerode corriente, puede observarse una «escaladade tensión» y llevar a valores de crestainadmisibles para las cargas.

Por contra, los reencendidos cuyas aparicionesdependen del dimensionamiento del aparato decorte son tolerables: la tensión de oscilación enlos bornes del condensador permanece inferior,en valor absoluto, al valor cresta de la tensióndel generador, lo que no presenta peligroparticular para los aparatos.

Como recordatorio, el ensayo de sobretensiónde condensadores se realiza a 2,25 veces sutensión asignada.


La regeneración dieléctrica del mediointercontactos debe ser suficientemente rápidapara que no haya un recebado después delcuarto período.

n Establecimiento de corrientes capacitivas yrecebados

Durante el cierre del aparato de mando quealimenta las cargas capacitivas se producenfenómenos específicos de los circuitoscapacitivos.

Así, la puesta bajo tensión de una batería decondensadores provoca una sobreintensidadimportante a frecuencia elevada (figura 13 )cuya amplitud de cresta viene dada por la

ecuación: I =+c

0

U 2 CL L3

donde

L0 = inductancias de la red aguas arriba,

Fig. 12: Esquema de un circuito con una cargacapacitiva. Después del corte, si el disyuntor no abrecon suficiente rapidez, los recebados sucesivospueden provocar sobretensiones peligrosas en lacarga.

Fig. 13: Formas de la corriente y de las tensiones(sobretensión de recebado) al acoplar una bateríaúnica de condensadores.

Tensión de red

Tensión del condensador

Corriente del condensador

SA (sobretensiónaguas arriba)

SB (sobretensiónaguas abajo)

c (corriente decresta al cierre)

fe (frecuenciade oscilación)

L

e C

L0

L = inductancias de conexión a la batería,generalmente pequeñas frente a L0.

En el caso de baterías en escalones, elfenómeno todavía se acentúa a nivel de cadaescalón por la presencia de la energíaalmacenada en los condensadores que ya estánbajo tensión: las corrientes transitorias puedenalcanzar varios centenares de veces laintensidad asignada con frecuencias de varioskHz debido a los pequeños valores de lasimpedancias de conexión entre escalones.

Después de los recebados a nivel de loscontactos del aparato de mando (reencendidode un arco conductor antes de la unión de loscontactos), estas corrientes transitorias

Ua

Ub

Ê

-3 Ê

Oscilaciónde corriente

Oscilaciónde tensión

Corriente despuésdel recebado

Ub despuésdel recebado

Ua Ub

u L

e C C


elevadas provocan una erosión precoz de loscontactos y eventualmente su soldadura. Paralimitar estos fenómenos, se colocan en seriecon la batería unas inductancias de limitación(impedancias de choque).

Así, para una batería de condensadores de nescalones de capacidad unitaria C, la ecuaciónanterior resulta:

I =+c

U 2 C nL n 13

donde

L = inductancias de limitación (impedancias dechoque), elevadas frente a L0.

Hay que notar que existen aparatos adaptados aesta aplicación y deben especificarse.

n Los campos de aplicación

Las corrientes capacitivas tienen principalmentedos orígenes: los cables y las líneas, así comolas baterías de condensadores.

o Los cables y líneas

Se trata de corrientes de carga de cables envacío y de líneas aéreas largas (compensadas ono). En varios países europeos (sobre todo enlos países del sur de Europa, Francia, Italia,España, ...) las redes aéreas de MT son largas ypor tanto particularmente sensibles a lassobretensiones atmosféricas. En estas líneashay pues un número elevado de desconexionesy por tanto de reconexiones.

o Las baterías de condensadores

Están situadas en derivación en las redes ysirven para compensar la energía reactiva de laslíneas (redes de transporte) y de las cargas(MT/BT). Permiten aumentar las potenciasactivas transportadas y disminuir las pérdidas enla línea. Pueden ser:

– únicas en el caso de una compensaciónpequeña y de una carga estable,

– o en escalones (múltiples o fraccionados).

Este tipo de batería es muy utilizado por ciertasgrandes industrias (gran potencia instalada) ypor los distribuidores de energía. Está asociadaa un automatismo y el número de maniobraspuede ser importante (varias operaciones al

día): hay que especificar los aparatos teniendoen consideración un número de maniobrasadaptado a esta necesidad.

n El corte de corrientes capacitivas y las normas

La norma CEI 60056 (4ª edición 1987) da, paratodas las tensiones, unos valores de PdCasignado para los disyuntores situados comoprotección de los cables que pueden estardescargados. Pero esta especificación noobligatoria se considera inútil para las tensionesinferiores a 24 kV.

En lo que concierne al PdC asignado para losdisyuntores situados como protección de líneasen vacío, la especificación se limita a losaparatos cuya tensión asignada es ≥ 72 kV.

No se especifica ningún valor para las bateríasde condensadores.

La CEI 60056 especifica también, para losaparatos de mando y protección, unos ensayosde maniobra (figura 14 ) sobre corrientescapacitivas para las líneas en vacío, los cablesen vacío y las baterías simples decondensadores, pero no especifica nada paralas líneas largas ni para los bancos de filtros.

Las tendencias normativas, para lasaplicaciones que comportan corrientescapacitivas, se orientan hacia la definición deaparatos con poca probabilidad dereencendidos, con una especificación ampliadaen cuanto a las magnitudes y al númeroesperado de maniobras para garantizar suaptitud de empleo.

Secuencia I cc del circuito Corrientede ensayo de alimentación de ensayo

en función del PdC (% I capa)del disyuntor(I cc/PdC) x 100

1 < 10 20 a 40

2 < 10 > 100

3 100 20 a 40

4 100 > 100

Fig. 14: Ensayos especificados por la CEI 60056 paralos aparatos de mando y protección.


2.3 El corte de corrientes de defecto

En el caso de un cortocircuito, el desfase entrela intensidad y la tensión es siempre muyimportante (0,07 ≤ cos ϕ ≤ 0,15) porque lasredes son esencialmente inductivas. Cuando lacorriente pasa por cero la tensión de la red estáen su máximo o casi.

En MT, la intensidad de cortocircuito alcanzaalgunas decenas de miles de amperios, enconsecuencia el corte se hace sin arranque decorriente porque el arco es muy estable. Comose ha descrito anteriormente, se descomponeen tres fases:

n un período de espera de paso por cero decorriente,

n un período de extinción,

n un período de restablecimiento.

Las corrientes de cortocircuito

n Los diferentes tipos de defecto

(Cuaderno Técnico nº 152)

Entre todos los tipos de fallo (tripolar, bipolar,monopolar y a tierra), el incidente más frecuentees el fallo monopolar a tierra (80% de loscortocircuitos). En general se debe a roturas deaislamiento fase-tierra posteriores asobretensiones de origen atmosférico, a roturaso contorneos del aislador o trabajos deingeniería civil.

Los cortocircuitos trifásicos son raros (5% delos casos) pero sirven como referencia para losensayos pues sus corrientes de cortocircuito ysus TTR son más elevadas que para los fallosmonofásicos o bipolares.

El cálculo de corrientes de fallo hace intervenirlas características de las redes y los esquemasde conexión a tierra (neutro aislado,directamente puesto a tierra o impedante). Sehan desarrollado métodos de cálculonormalizados (CEI 60909).

Actualmente, el cálculo de simulación porordenador está muy extendido y los servicios deSchneider han desarrollado y disponen deprogramas que permiten obtener resultados muyfiables.

n Localización de los defectos

o Los fallos en los bornes de salida deldisyuntor

En estas condiciones es cuando la intensidad decortocircuito es más importante puesto que noestá limitada más que por las impedanciassituadas aguas arriba del aparato. Aunque estetipo de fallo es muy poco frecuente, es el que setiene en consideración para la especificación dedisyuntores en MT.

o El defecto en la línea

Este tipo de defecto es más frecuente que elanterior en redes aéreas, pero en MT, lascaracterísticas de arco de los disyuntores y delas conexiones disyuntores/cables/líneas hacenque la limitación sea inferior a la provocada porun cortocircuito en los bornes. Así pues noexisten ensayos específicos para losdisyuntores de MT. En AT este tipo decortocircuito necesita unos ensayos particularespara los fallos próximos puesto que losfenómenos de reflexión de ondas provocan unaTTR muy exigente.

o Acoplamiento en oposición de fase (figura 15 )

Se trata de un cortocircuito particular que seproduce al conectar dos generadores nosincronizados.

Cuando dos generadores han perdido susincronismo, la tensión en los bornes deldisyuntor de acoplamiento es igual a la suma delas tensiones de cada generador. Las corrientesque debe conectar entonces el disyuntor puedenalcanzar la mitad del valor de intensidadcorrespondiente un cortocircuito en el punto deacoplamiento. Ese máximo se alcanza en elcaso de un acoplamiento en oposición de fases.

Fig. 15: Corte en caso de discordancia de fases alacoplar dos generadores no sincronizados.

X1 X2

X2

ccarranquese1 e2

X1

e1 e2

ccacoplamientos

I

I

1 2 1 2

cc arranques

cc acoplamientos

siendo e e e y X X X

e e 2eX X X

2e e2 X X

= = = =

= + =

= +


La norma CEI 60056 (§ 4106) exige que eneste caso, el aparato pueda conectar el 25% dela intensidad de fallo en sus bornes bajo unatensión igual a 2,5 veces la tensión con relacióna tierra, lo que cubre los valores prácticosencontrados.

n Formas de las corrientes de cortocircuito

Cuando hay un cortocircuito, la intensidad decorriente durante el período transitorio es sumade dos componentes, una simétrica o periódica(ia) y otra asimétrica o aperiódica (ic) (figura 16 ).

La componente simétrica (ia) es producida por lafuente a alterna que alimenta la intensidad decortocircuito.

La componente aperiódica (ic) se crea por laenergía electromagnética almacenada en lainductancia en el momento de cortocircuito. Suvalor en el instante del fallo es igual y opuesta ala de la componente simétrica para asegurar lacontinuidad de intensidad. Decrece con una

constante de tiempo L/R, característica de lared, cuyo valor normalizado vale 45 ms. De ahíresultan las expresiones siguientes:

ia = I sen (ωt + θ)

ic = - I sen θ e(-t/(L/R))

I = Intensidad máxima = E/Zcc

θ = ángulo eléctrico que caracteriza el desfaseentre el instante inicial del fallo y el origen de laonda de intensidad.

Dos casos extremos:

o El cortocircuito se produce justo en el instanteen el que la tensión (e) pasa por cero. Lacomponente simétrica y la componente continuatienen su valor máximo. El régimen deestablecimiento se llama de asimetría total.

o El instante inicial de cortocircuito coincide conel paso por cero de la componente alterna deintensidad: la componente continua es nula y elrégimen se llama simétrico.

El Poder de Corte

El poder de corte (PdC) se define como laintensidad más elevada que un aparato puedecortar bajo su tensión asignada en un circuitocuya TTR responde a una especificaciónprecisa. El aparato debe poder cortar todas lascorrientes de cortocircuito que tengan unacomponente periódica inferior a su PdC y unacomponente aperiódica cualquiera cuyoporcentaje no sobrepase un valor especificado.

Sin embargo, según el tipo de aparato, ciertascorrientes de fallo, más pequeñas que el PdC ,pueden resultar difíciles de cortar, puesto queproducen unos tiempos de arco muy largos conriesgos de que no se corte.

n El corte en trifásico

Debido al desfase de las corrientes en unsistema trifásico, el corte se produce de lamanera siguiente:

A

Ur

A', B, B', C, C'

A A'

B B'

C C' N'

N

N

1

1

3

32

2

Ur / 3

1,5 Ur / 3

Fig. 16: Cuando hay un cortocircuito, la intensidad esla suma de dos componentes, una simétrica operiódica (ia) y otra asimétrica o aperiódica (ic).

ia

ic

i

t

Fig. 17: Tensión UAA, soportada por el primer polo que abre en un aparato trifásico.


o El disyuntor interrumpe la corriente de laprimera fase (fase 1 en la figura 17 ) cuyacorriente pasa por cero.

El régimen se convierte entonces en bifásico ytodo ocurre como si el punto N se desplazara aN'. La tensión que se establece sobre la primerafase, en los bornes del contacto abierto AA' esla que existe entre A y N', que vale:

≥ = ≥red AA ' red3

U U V.k U2

k es el factor del primer polo. Su valor varía de 1a 1,5 según que el neutro esté directamentepuesto a tierra o perfectamente aislado.

o 1/2 período más tarde las otras dos fasesllegan a su vez a cero, el disyuntor corta y la redvuelve a convertirse en equilibrada con relaciónal punto neutro.

La TTR depende pues de los regímenes deneutro. La norma precisa los valores a tener encuenta para los ensayos tomando el valor 1,5para la MT y las redes de neutro aislado. Paralos otros casos se toma el valor 1,3.

n El cierre de un disyuntor sobre una corrientede fallo

Puesto que los fallos son a veces temporales,en la explotación normal es habitual cerrar eldisyuntor después de la interrupción de unacorriente de defecto. Sin embargo ciertos fallosson permanentes y el disyuntor debe pues poderrestablecer la intensidad de cortocircuito.

El cierre que se acompaña de un preencendidoprovoca una onda de tensión de frente rápidocuya cresta de corriente puede alcanzarteóricamente 2,5 Icc en la hipótesis de unaasimetría total, de una constante de tiempo de45 ms a 50 Hz y sin efecto de desfase de polos.Por tanto a los disyuntores se les exige un poderde cierre.

n Poder de corte normalizado

La conformidad de los disyuntores a las normasse demuestra especialmente por su capacidadde cortar todas estas corrientes llamadascorrientes críticas. La norma CEI 60056(§ 4.104) impone una serie de ensayos quepermiten validar el PdC del aparato y verificar suaptitud para las maniobras de cierre y deapertura repetidas.

El PdC asignado se caracteriza por dos valores

o El valor eficaz de su componente periódicallamado generalmente «poder de corte».Los valores normalizados de PdC asignado se

toman de las series de Renard (6,3 - 8 - 10 -12,5 - 16 - 20 - 25 - 31,5 - 40 - 50 - 63 - 80 -100 kA) sabiendo que en la práctica, lascorrientes de cortocircuito tienen valorescomprendidos entre en 12,5 kA y 50 kA en MT.

o El porcentaje de la componente aperiódicaCorresponde al valor alcanzado al final de untiempo τ igual a la duración mínima de aperturadel disyuntor, a la que se le añade unsemiperíodo de la frecuencia asignada para losaparatos de fuente auxiliar. La constante detiempo de disminución exponencial normalizadaes de 45 ms. Hay otros valores superiores enestudio para casos particulares.

Los ensayos de corte en cortocircuito se hacencon los valores especificados de TTR, paravalores de intensidad de 10, 30, 60 y 100% delPdC según la tabla de la figura 18 .

Con:

A = maniobra de apertura,

CA = maniobra de cierre seguidainmediatamente de una maniobra de apertura.

Salvo especificación particular, las secuenciasasignadas de las maniobras se definen así:

o Para los aparatos sin nuevo cierreautomático rápido

A - 3 min - CA - 3 min - CA

o bien

CA - 15 seg - CA.

o Para los aparatos previstos para un cierreautomático rápido

A - 0,3 seg - CA - 3 min - CA.

Secuencia % de Ia % de I cde ensayo (componente (componente

simétrica) asimétrica)

1 10 < 20

2 30 < 20

3 60 < 20

4 100 < 20

5* 100 según la curvanormalizadade decrecimiento

*: para los disyuntores que tengan un tiempo τ < 80 ms.

Fig. 18: Valores especificados de TTR para losensayos de corte en cortocircuito de los disyuntores.


3 Las técnicas de corte

Para cortar las corrientes de carga o dedefecto, los constructores han desarrollado yperfeccionado los aparatos de corte(disyuntores y contactores principalmente)utilizando diversos medios de corte: el aire, el

3.1 El medio de corte

En el capítulo anterior se ha explicado que elcorte tiene éxito cuando:

n la potencia disipada en el arco por efectoJoule permanece inferior a la potencia deenfriamiento del aparato,

n la velocidad de desionización del medio esgrande,

n y el espacio intercontactos tiene unaresistencia dieléctrica suficiente.

En consecuencia, la elección del medio de cortees importante en la concepción de un aparato.En efecto, este medio debe:

n tener una conductividad térmica importante,especialmente en la fase de extinción, paraevacuar la energía térmica del arco,

n volver a alcanzar sus propiedadesdieléctricas lo más rápidamente posible a fin de

evitar un reencendido intempestivo (la figura 19muestra las propiedades excepcionales del SF6al respecto),

n a temperatura elevada, ser un buen conductoreléctrico para reducir la resistividad del arco ypor tanto la energía a disipar,

n a temperaturas más bajas, ser un buenaislante eléctrico para facilitar elrestablecimiento de la tensión.

Esta capacidad de aislante se mide por laresistencia dieléctrica entre los contactos, quedepende de la presión del gas y de la distanciaentre los electrodos. La tensión de perforaciónen función de la distancia interelectrodos y de lapresión viene dada por la curva de Paschen(figuras 20 y 21) que permite determinar treszonas según la presión del gas.

aceite, el vacío y el SF6. Mientras que el corteen el aire o en aceite tienen tendencia adesaparecer, no ocurre lo mismo con el corte enel vacío o el SF6, «rey» de la MT.

Fig. 19: Constantes de tiempo de desionización enfunción de la presión para distintos gases.

presión constante de tiempo de desionización

(bar)

(bar)

( s)

( s)

0

50

0,50

0,25

100

150

5 10 15

0 5 10 15

Aire

HeAr

H2

CO2

SF6

Fig. 20: Evolución de la rigidez dieléctrica del aire enfunción de la presión, en campo ligeramenteheterogéneo. (Curvas de Paschen).

106

Vs (V)

pds(bar.cm)

105

104

103

102

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10


1 - La zona de alta presión llamada de «régimenatmosférico» en la que la resistencia dieléctricaes proporcional a la presión del gas y a ladistancia intercontactos.

2 - La zona de presión baja, en la que laresistencia dieléctrica alcanza un verdaderomínimo entre 200 y 600 V según el gas utilizado(mínimo de Paschen). Se alcanza para un valordeterminado del producto de la presión por ladistancia intercontactos, situado alrededor de102 mbar.cm.

3 - La zona de vacío en la que la tensión deperforación no depende más que de ladistancia entre los contactos y del estado desus superficies.

Fig. 21: Influencia de la distancia entre los contactossobre la rigidez dieléctrica.

Fig. 22: Tipos de aparatos de corte utilizados segúnlas tensiones de utilización.

Tensión (kV)

Aire comprimido

Aire Aceite Vacío SF6

800

220

36

24

12

3

0 10 20 30Distancia entre electrodos (mm)

0

50

100

150

200

250

300

Vide

SF6 a 5 bar

SF6 a 1 bar

Tensión (kV)

Aceite (hidrógeno)

Aire a 1 bar

El estado conductor se asegura por loselectrones y los átomos arrancados sobre loscontactos en el vacío, y en un gas, por laionización rápida de los moléculas de este gas.

Estas curvas evidencian los rendimientosposibles según los medios de corte que se hanido utilizando sucesivamente: el aire a presiónatmosférica o a alta presión, el hidrógenoproducido por descomposición del aceite, elvacío o el SF6. La figura 22 indica los márgenesde tensión en los que cada una de estastécnicas se utiliza hoy.

3.2 El corte en el aire

Los aparatos que utilizan el corte en el aire a lapresión atmosférica fueron los primeros enutilizarse (disyuntor magnético).

El aire a presión atmosférica, a pesar de surigidez dieléctrica relativamente pequeña y suconstante de tiempo de desionización elevada(10 µs), puede utilizarse para el corte hastatensiones próximas a 20 kV. Para ello hace faltadisponer de una potencia de enfriamientosuficiente y de una tensión de arco elevadadespués del paso por cero de corriente paraevitar el embalamiento térmico.

El mecanismo de corte en el aire

El principio fundamental consiste en mantener elarco suficientemente corto, tanto más cuantomás importante es la intensidad, para limitar laenergía disipada y después alargarlo solamentecuando se acerca el cero de corriente.

Este principio ha llevado a la creación para cadapolo del aparato, de una cámara de corte. Setrata de un volumen situado en el espaciocercano a los contactos y dividido en placasrefractarias (placas con gran capacidad de


acumulación de energía térmica), (figura 23 )entre los cuales el arco se estira.

En la práctica, cuando la intensidad decrece, elarco sometido a los esfuerzoselectromagnéticos penetra entre estas placas.Se alarga y se enfría al contacto con losmateriales refractarios hasta que su tensión dearco se hace superior a la de la red. Así, laresistencia del arco aumenta fuertemente. Lapotencia que entonces le puede aportar la redresulta inferior a la potencia de enfriamiento y elcorte resulta efectivo. Debido a la elevadaconstante de tiempo de desionización de estatécnica, la energía de el arco a disiparpermanece elevada. En contrapartida, el riesgode sobretensión en el corte es casi nulo(figura 24 ).

Principales características de undispositivo de corte en el aire

La dimensión de la cámara de corte vieneprincipalmente definida por la potencia decortocircuito de la red (en MVA).

En los aparatos del tipo la Solenarc, la longitudmás importante del arco (varios metros en24 kV) se obtiene en un volumen razonablegracias al desarrollo del arco bajo la forma de unsolenoide. Teniendo en cuenta las velocidadesque son necesarias para la apertura de loscontactos, de algunos m/s, las energías demando son de algunos centenares de julios.

Fig. 23: Alargamiento de un arco eléctrico entre lasplacas refractarias en cerámica de una cámara decorte de un disyuntor de corte en el aire. (Disyuntordel tipo Solenarc - Marca Merlin Gerin).

Fig. 24: Comportamientos comparados de un aparatoideal y de un aparato de corte en el aire.

i

0

0

0

0

i,u

R R

i,u

i

Ideal Corte en el aire

rr

t t

u

u

E E

Los campos de aplicación del corte en elaire

Este tipo de aparato se ha utilizado mucho ennumerosas aplicaciones, pero su empleo selimita a tensiones inferiores a 24 kV. Paratensiones superiores, se emplea el airecomprimido, con lo que se consigue mejorar laresistencia dieléctrica y la velocidad deenfriamiento y de desionización. El arco seenfría entonces por sistemas de soplado a altapresión (entre 20 y 40 bars). Esta técnica se hautilizado para disyuntores de alto rendimiento opara tensiones elevadas (hasta 800 kV).

En BT, la técnica de corte en el aire a presiónatmosférico se ha utilizado universalmente porsu simplicidad, su resistencia mecánica, suausencia de sobretensión y su efecto limitador.

En MT, se han preferido otras técnicas, puestoque el corte en el aire presenta variosinconvenientes:

n volumen ocupado por la aparamenta(dimensiones más grandes a causa delalargamiento del arco),

n poder de corte influenciado por la presenciade las envolturas metálicas de la celda quecontiene el aparato y por la humedad del aire,

n coste y ruido.

Los disyuntores de MT con corte en el aire yacasi no se fabrican hoy día.


3.3 El corte en aceite

El aceite, que servía ya como aislante, ha sidoutilizado desde el principio del siglo XX comomedio de corte, ya que esta técnica permite laconcepción de aparatos relativamente sencillosy económicos. Los disyuntores en aceite se hanutilizado principalmente para tensiones de5 a 15 kV.

Principio

Los contactos están sumergidos en un aceitedieléctrico. Después de la separación, el arcoprovoca la descomposición del aceite que liberahidrógeno (70%), etileno (20%), metano (10%) ycarbono libre. Una energía de arco de 100 kJproduce alrededor de 10 litros de estos gases.Estos gases forman una burbuja que, por inerciade la masa de aceite, se encuentra sometidadurante el corte a una presión dinámica quepuede alcanzar de 50 a 100 bars. Cuando laintensidad pasa por cero, el gas se expande ysopla el arco que se apaga. El hidrógeno,resultante de la descomposición del aceite, sirvecomo medio de extinción. Es un buen agenteextintor gracias a sus propiedades térmicas y asu constante de desionización mejor que la delaire, en particular a presión elevada.

Diferentes tecnologías de corte en aceite

n Disyuntores de gran volumen de aceite

En los primeros aparatos que utilizaban aceite,el arco se formaba libremente entre loscontactos creando burbujas de gas noconfinadas. Para evitar reencendidos entrefases o entre bornes y masa, estas burbujas nohan de alcanzar en ningún caso la cuba ojuntarse entre sí (figura 25 ). En consecuencia,los aparatos así diseñados alcanzabandimensiones extraordinariamente grandes.

Además de las dimensiones, estos aparatostienen numerosos inconvenientes como la faltade seguridad a causa del hidrógeno producidoque se acumula bajo la tapa, el mantenimientoelevado necesario para vigilar la pureza delaceite y la conservación de sus propiedadesdieléctricas. Para evitar estos inconvenientes(falta de seguridad, aparatos voluminosos), losconsultores han creado los disyuntores depequeño volumen de aceite.

n Disyuntores de pequeño volumen de aceite

El arco y la burbuja se confinan en una cámarade corte aislante. La presión del gas aumentadurante el paso del arco por una sucesión decámaras y después, cuando la intensidad pasapor cero, se expande a través de una boquilla enla zona del arco. Éste es entoncesenérgicamente barrido, lo que asegura larecuperación de las propiedades dieléctricasintercontactos.

o Influencia del valor de la corriente sobre elPdC

Para las grandes corrientes, la cantidad dehidrógeno producido y los aumentos de presiónson importantes. Por consiguiente los tiemposde arco son cortos. Inversamente, para lascorrientes pequeñas, los aumentos de presiónson débiles y los tiempos de arco son largos.Estos tiempos de arco aumentan hasta un nivelcrítico en que se hace difícil alcanzar el corte.Unos dispositivos de soplado complementariosal final del recorrido pueden mejorar este punto.

o Características principales de los disyuntoresde pequeño volumen de aceite

El valor de intensidad de cortocircuito o deintensidad asignada impone un diámetro mínimodel contacto móvil. La longitud de la cámara decorte y el recorrido de la parte móvil son casiproporcionales a la tensión aplicada. Para evitarpresiones excesivas, el tiempo de arco mínimopara corte de una gran intensidad debe serinferior a 10 ms y debe permanecer inferior a40 ms para las corrientes críticas. La envolventeaislante de la cámara de corte debe, por otraparte, ser concebida para soportar presionesmuy elevadas generadas por fallosconsecutivos, puesto que la disminución depresión necesita alrededor de 1 segundo.

Fig. 25: Burbujas de gas en el origen de un fallo fase-masa en el momento del corte en un disyuntor de granvolumen de aceite.


Sin embargo, a pesar de la reducción delvolumen de aceite, esta técnica presentatodavía algunos inconvenientes:

– La descomposición del aceite no es reversible.

– La degradación del aceite y el desgaste de loscontactos deterioran la resistencia dieléctrica loque conlleva costes suplementarios demantenimiento.

– En caso de volver a cerrar rápidamente elpolo, todavía hay una presión elevada y su PdCdisminuye.

– El riesgo de explosión y de inflamación no sehan eliminado completamente.

Los campos de aplicación del corte enaceite

Esta técnica de corte ha sido muy empleada entodos los ámbitos, tanto de transporte como dedistribución, de la energía eléctrica.Progresivamente se ha sustituido por lastécnicas de corte en el vacío y en el SF6,técnicas que no presentan los inconvenientesindicados en los párrafos anteriores.

3.4 El corte en el vacío

Las propiedades dieléctricas del vacío seconocen desde hace tiempo y se han utilizado,por ejemplo, en los tubos de vacío para rayos X.La utilización del vacío en la aparamenta decorte se ha visto como una posibilidad desde1920, pero, a causa de dificultadestecnológicas, no ha sido efectiva a escalaindustrial hasta después de 1960. Después delos años 70, la técnica del vacío se generalizamás y más por las ventajas que aporta:dimensiones reducidas, mayor seguridad ymayor resistencia mecánica.

Propiedades dieléctricas del vacío

En principio, el vacío es un medio dieléctricoideal: no hay material y por tanto no hayconducción eléctrica. Sin embargo, el vacíonunca es perfecto y desde luego tiene un límitede resistencia dieléctrica. A pesar de todo, el«vacío» real tiene unas característicasespectaculares: a la presión de 10-6 bar, larigidez dieléctrica en campo homogéneo puedealcanzar una tensión de cresta 200 kV para unadistancia interelectrodos de 12 mm.

El mecanismo que hay en el origen de la rupturadieléctrica en el vacío está vinculado a losfenómenos de emisión electrónica fría, sinefecto de avalancha por ionización. Este es elmotivo por el que su resistencia dieléctrica nodepende prácticamente más que de la presión

cuando ésta es inferior al 10-6 bar. Esta rigidezdieléctrica depende entonces de la naturaleza delos materiales, de la forma de los electrodos (enparticular de la presencia de asperezas) y de ladistancia interelectrodos. La forma de la curvaque da la tensión de perforación en función de ladistancia intercontactos (figura 21 ) muestra porqué el campo de aplicación del vacío permanecelimitado en tensión. En efecto, las distanciasnecesarias para la resistencia dieléctricaaumentan muy rápidamente cuando la tensiónsobrepasa de 30 a 50 kV lo que conlleva costosprohibitivos con relación a las otras tecnologías.Además está la emisión de rayos X cuando latensión se eleva.

El mecanismo de corte en el vacío

El corte en el vacío es muy particular en razónde las características muy específicas del arcoen el vacío.

n El arco eléctrico en el vacío

El arco se compone de vapores metálicos y deelectrones que provienen de los electrodos demanera distinta a las otras técnicas de cortemencionadas anteriormente en las cuales estacolumna se compone principalmente por el gasintercontactos ionizado por colisiones. El arcopuede tener dos aspectos concentrado o difuso,según la intensidad de corriente que lo atraviesa.


o Para valores elevados de intensidad (mayor oigual que 10000 A) el arco es único yconcentrado como en los fluidos tradicionales(figura 26a ) las manchas catódicas y anódicasde varios milímetros cuadrados alcanzantemperaturas muy elevadas. Una fina capa delmaterial de contacto se vaporiza y el arco sedesarrolla en una atmósfera de vaporesmetálicos que ocupan todo el espacio. Cuandola intensidad decrece, estos vapores secondensan sobre los mismos electrodos o sobrelas pantallas metálicas dispuestas al efecto. Eneste régimen, la tensión de arco puedealcanzar 200 V.

o Para valores de corriente inferiores a algunosmiles de amperios, este arco se encuentra enforma difusa. Se compone de varios arcosseparados unos de los otros, de forma cónicacuyo vértice está en el cátodo (figura 26b ). Susraíces catódicas, llamadas manchas, tienen unasuperficie muy pequeña (10-5 cm2) y la densidadde corriente es muy elevada (105 a 107 A/cm2).Las temperaturas locales muy altas (3000 K)implican una emisión combinadatermoelectrónica/efecto de campo muy intensapara una evaporación del material de contactomoderada. La corriente entonces esesencialmente debida al flujo de electrones.

Los iones metálicos positivos producidos en elcátodo tienen una energía cinética tal (entre 30 y50 eV) que pueden ocupar todo el espacio hastael ánodo. Así neutralizan las cargas de espaciosintercontactos, de lo que resulta un pequeñogradiente de potencial y una baja tensión de arco(como máximo 80 V).

n Paso por el cero de corriente

En régimen de arco difuso directo o, si es acontinuación de un arco único y concentrado,después del suficiente tiempo para que losvapores metálicos hayan podido condensarse, elcorte se realiza con facilidad en el cero decorriente.

En efecto al aproximarse a cero, el número depuntos de arco disminuye hasta que el últimodesaparece cuando la energía aportada por elarco es insuficiente para mantener unatemperatura de pie de arco suficientementeelevada. La extinción brutal del último punto es elorigen de los fenómenos de arranque que seproducen con frecuencia al aplicar estatecnología.

Hay que darse cuenta de que, al invertir latensión, el ánodo se convierte en cátodo, peroestá frío y no puede emitir electrones, lo quesignifica una constante de tiempo dedesionización excesivamente pequeña. Enconsecuencia, los aparatos de vacío puedencortar las corrientes con crecimientos del TTRmuy rápidos y también las corrientes de altafrecuencia.

Para las intensidades elevadas, a cero deintensidad todavía puede quedar un plasma dearco y el corte no resulta seguro. Esencialmentepues, la densidad de vapor metálico residual esla que determina el PdC.

n Fenómenos de reencendido y de disparoindeseado

Estos fenómenos se producen cuando loscontactos liberan demasiados vaporesmetálicos. Se considera que si la densidad devapor después del cero de corriente sobrepasa1022/m3, la probabilidad de corte es casi nula.

De forma general, estos fenómenos son pocoreproducibles y difíciles de modelizar.

Se necesitan numerosos ensayos para validarlos diseños. En particular, se pueden observarfallos dieléctricos tardíos posteriores al corte,posiblemente fugaces, relacionados con lapresencia de partículas o condensaciones demetal.

Las distintas tecnologías de corte en vacío

Todos los constructores se encuentran frente alas mismas exigencias:

n reducir el fenómeno de arranque de corrientepara limitar las sobretensiones,

n evitar la erosión precoz de los contactos paraobtener una durabilidad mecánica elevada,

n retrasar la aparición del régimen de arcoconcentrado para aumentar el PdC,

n limitar la producción de vapores metálicospara evitar los disparos indeseados,

n conservar el vacío, indispensable paramantener las características de corte durante lavida del aparato.

Sus soluciones se orientan principalmente endos direcciones: el control del arco por uncampo magnético y la composición de losmateriales de los contactos.

Fig. 26: Arco concentrado (a) y arco difuso (b).

Ánodo

a b

Cátodo


n Elección del campo magnético

Se emplean dos tipos de campos magnéticos:radial y axial.

o La tecnología del campo magnético radial(figura 27 )

El campo está creado por la corriente quecircula entre los electrodos previstos a esteefecto. En caso del arco concentrado los puntosde arranque del arco se desplazan con unmovimiento circular, el calor se reparteuniformemente lo que limita su erosión y ladensidad de los vapores metálicos. Cuando elarco es difuso, los puntos de arranque sedesplazan libremente sobre la superficie delcátodo como si fuera un disco sólido.

Las formas de los electrodos bastantecomplejas que esta tecnología exige, hacen másdifícil la rigidez dieléctrica entre electrodos.

o La tecnología del campo magnético axial(figura 28 )

La aplicación de un campo magnético axialimprime a los electrones y a los iones unatrayectoria helicoidal siguiendo las líneas delcampo magnético. Esto estabiliza el arco difusoy dificulta la aparición del régimen concentrado.La aparición de marcas anódicas se evita y laerosión queda limitada, lo que permite alcanzarpotencias de corte elevadas.

Fig. 28: Contactos que crean un campo magnético axial.

4 elementos de espira

4 elementos de espira

Llegadade corriente

Salidade la corriente

Pastillas de contacto(las ranuras impiden la circulación

de corrientes inducidas que se oponena las corrientes que circulan por las espiras)

B B

B

F

Fig. 27: Contactos que crean un campo magnéticoradial. El arco obedece las leyes delelectromagnetismo, se desplaza desde el centro hastael extremo de los «pétalos» y después gira en laperiferia de los electrodos.


Este campo magnético puede generarse porunas espiras internas o externas a la cámara devacío, recorridas permanentemente por lacorriente.

Las espiras internas deben protegerse del arco.Las externas, no tienen el riesgo del arco, peroen contra sus dimensiones son mayores,aumentando las pérdidas térmicas e imponenlimites debidos al riesgo de calentamiento.

La tabla de la figura 29 presenta unacomparación entre estas dos tecnologías.

n Elección de los materiales

Para conservar la calidad del vacío, esindispensable que los materiales utilizados paralos contactos y las superficies en contacto conel vacío sean muy puros y exentos de gas. Elmaterial de los contactos es importante porquela presión de vapor de saturación en la cámarano ha de ser ni demasiado elevada, nidemasiado baja:

o Una presión de vapores metálicos elevadapermite estabilizar el arco y delimitar el fenómenode arranque de corriente (sobretensiones).

o Por el contrario, una presión baja de vaporesmetálicos es más favorable para la interrupciónde corrientes elevadas.

Además hace falta que su resistividad seareducida, que tenga poca propensión a soldarsey una buena resistencia mecánica.

Los contactos con aleación cobre/cromo(50-80% Cu, 50-20% Cr) se utilizan en lamayoría de disyuntores por su resistencia a laerosión, su baja resistividad y su baja presiónde vapor.

Otros materiales como el cobre/bismuto(98% Cu, 2% Bi) o más recientemente Ag/W/Cse utilizan en los aparatos de elevada cadenciade maniobras (tipo contactores) puesto que noprovocan arranque y tienen una baja propensióna la soldadura.

En lo que se refiere a los otros elementos encontacto con el vacío, los materiales cerámicosasociados con el proceso de soldado a altatemperatura son, por el momento, los másadecuados para mantener un nivel de vacíoextremado (presión habitual inferior a10-6 mbar).

n Concepción de la envolvente y del dispositivode corte

La limitación esencial es la estanqueidad de lacámara de vacío: por ejemplo, las piezasmóviles que la atraviesan deben evitarse. Lasensibilidad a las partículas y la posibilidad desoldadura en frío hacen que los contactosdeslizantes no se utilicen en el vacío. Enconsecuencia, los contactos son simplemente

frontales y la energía de maniobra para estosaparatos es pequeña (30 a 50 J). Encontrapartida, las presiones de contacto debenser elevadas para minimizar la resistencia decontacto y evitar la separación de los contactoscuando pase una intensidad de cortocircuito.Estas presiones de contacto necesariasimponen unas limitaciones mecánicas elevadas.

Teniendo en cuenta que las distancias deaislamiento en el vacío son pequeñas, y que losmecanismos han de ser simples, las cámaraspueden ser muy compactas. Así, su volumen esfunción del PdC (que incide en el diámetro de lacámara) pero es la rigidez dieléctrica externa dela envolvente la que resulta preponderante paradefinir el dimensionado del aparato.

Esta tecnología la dominan bien ahora losgrandes constructores, cuyos aparatos tienenuna esperanza de vida superior a 20 años. Sinembargo hay que resaltar que el controlpermanente del vacío durante la explotación noes posible, ya que se necesita poner el equiposin tensión y un aparato de medida adecuado.

El mantenimiento predictivo necesario, en casode fuga accidental, para vigilar la fiabilidad de loscuadros eléctricos de MT no es pues aplicablecon esta tecnología.

Los campos de aplicación del corte en elvacío

Está técnica de corte permite hoy la realizaciónde aparatos que tienen una gran durabilidadmecánica y eléctrica con unas TTR de frentemuy rápida.

Es en el campo de la MT donde más se empleaesta técnica: hay disponibles disyuntores de usogeneral para las diferentes aplicaciones contodos los poderes de corte habituales (hasta63 kA). Se utilizan para la protección y mando:

n de cables y de líneas aéreas,

n de transformadores,

n de condensadores en batería única,

n de motores e inductancias shunt.

Campo Camporadial axial

Resistencia de + -contacto/calentamiento

Tensión de arco - +

Erosión de los contactos - +

PdC/diámetro de los contactos = =

Fig. 29: Tabla comparativa de los puntos fuertes ypuntos débiles de cada tecnología.


Están particularmente adaptados para el mandode hornos de arco (alta durabilidad eléctrica) perohay que utilizarlos con precaución en el mando deescalones de condensadores en paralelo.

Esta técnica se utiliza también para loscontactores que requieren una gran resistenciamecánica, pocas veces, por razoneseconómicas, se utiliza para los interruptores.

En baja tensión: el uso de esta técnica esmarginal por razones de coste y de falta depoder limitador. De una manera general, en BTsu empleo se limita a las corrientes asignadascomprendidas entre 800 y 2500 A y parapoderes de corte inferiores a 75 kA. En altatensión (U ≥ 52 kV) el uso de esta técnica estátodavía en el campo de la prospectiva.

Observaciones:

n Para el corte de corrientes capacitivas, en elvacío la resistencia dieléctrica después del cortees aleatoria, y se traduce por un riesgo dereencendidos importante. De hecho, losdisyuntores bajo vacío se adaptan mal a laprotección de redes capacitivas con tensionessuperiores a 12 kV o que incluyen baterías decondensadores.

n Con los interruptores con contactos en elvacío hay un riesgo de soldadura de contactos,en particular después de un cierre sobre uncortocircuito. Este es el caso en algunasoperaciones de explotación, por ejemplo parareparar un defecto, o en el ciclo de ensayosprevistos por las normas. En efecto, después deuna abertura sin carga, la ausencia de arco nopermite eliminar las asperezas dejadas por larotura de la soldadura, soldadura realizadadespués del cierre en carga. Este deterioro delestado de la superficie facilita todavía más elpreencendido después de cierres sucesivos yamplifica la importancia de las soldaduras, con elriesgo de una soldadura definitiva.

El empleo de estos interruptores exige puesalgunas precauciones.

n Para el mando de motores, hay que tomarprecauciones particulares debido a que losdisyuntores o contactores en vacío cortan lascorrientes de alta frecuencia (fenómenos dereencendidos) y así están en el origen desobretensiones. Aunque existen aparatosespecíficos, es preferible prever limitadores desobretensión del tipo de ZnO.

3.5 El corte en el SF 6

El hexafluoruro de azufre –SF6– es un gasapreciado por sus numerosas cualidadesquímicas y dieléctricas. La técnica de corte eneste gas ha sido desarrollada, en los años 70,simultáneamente con la del vacío.

Propiedades del SF 6

n Propiedades químicas

Es un gas no contaminante, incoloro, inodoro, noinflamable y no tóxico en su estado puro. Esinsoluble en el agua.

Es químicamente inerte: sus moléculas tienentodos sus enlaces químicos saturados y unaenergía de disociación elevada (+ 1096 kJ/mol)así como una gran capacidad para evacuar elcalor producido por el arco (entalpía elevada).Durante el período de arco, bajo el efecto de latemperatura que puede alcanzar 15 000 ó20 000 K, el SF6 se descompone. Estadescomposición es casi reversible: cuando laintensidad disminuye, la temperatura disminuye yentonces los iones y los electrones serecombinan para reconstruir la molécula SF6.

En presencia de impurezas, tales como el dióxidode azufre o el tetrafluoruro de carbono, se generauna pequeña cantidad de subproductos de ladegradación del SF6. Estos subproductospermanecen confinados en las cámaras y seabsorben muy fácilmente por elementos activoscomo el silicato de aluminio frecuentementeemplazados dentro de la envolvente del aparatode corte.

El informe 61634 de la CEI sobre la utilizacióndel SF6 en la aparamenta de corte da unosvalores típicos de subproductos encontradosdespués de varios años de servicio. Lascantidades producidas se mantienen pequeñas ysin riesgo para las personas ni el entorno: aire(unas pocas ppmv), CF4 (40 ppmv a 600 ppmv),SOF2 y SO2F2 (en cantidad despreciable).

n Propiedades físicas

o Propiedades térmicas

La conductividad térmica del SF6 es equivalentea la del aire, pero el estudio de la curva deconductividad térmica del SF6 a temperaturaselevadas indica un pico a la temperatura dedisociación del SF6 (figura 30 ).


o Propiedades dieléctricas

El SF6 tiene una rigidez dieléctrica muy elevadagracias a las propiedades muy electronegativasdel flúor (figura 21 ):

– Sus electrones libres tienen una vida mediamuy pequeña y, con las moléculas de SF6,forman unos iones pesados de poca movilidad.La probabilidad de ruptura dieléctrica poravalancha queda así retardada.

– Confiere a su entorno una constante de tiempode desionización muy pequeña, del orden de0,25 µs (figura 19 ).

El mecanismo de corte en el SF 6

n El arco eléctrico en el SF6

Su estudio térmico permite describirlo como queestá formado por un plasma de SF6 disociado,de forma cilíndrica, constituida por un núcleo auna temperatura muy elevada en función de lacorriente cortada, envuelto de una vaina de gasmás frío. El núcleo y la vaina están separadospor una zona de transición de temperatura ligadaa la temperatura de disociación de la molécula.Cerca de 2 000 oC, esta zona de transiciónpermanece sin cambios cuando la intensidad dela corriente varía (figura 31 ).

Durante el período de arco, la totalidad decorriente se transporta por el núcleo puesto quela temperatura de la zona de transición esinferior a la temperatura mínima de ionización yla vaina exterior se mantiene aislante. Lascaracterísticas generales del arco dependen deltipo de corte utilizado (auto-compresión, arco

giratorio, auto-expansión) y se indican en lospárrafos que tratan de cada uno de estos tiposde corte.

n Paso por cero de corriente

Con la disminución de la intensidad, latemperatura del núcleo disminuye, con lo que suconductividad eléctrica comienza también adisminuir.

Al acercarse el cero de corriente, losintercambios térmicos entre la vaina y el núcleoresultan muy importantes. El núcleo desaparece,implicando la desaparición de la conductividadcon una constante de tiempo muy pequeña(0,25 µs) pero insuficiente para cortar lascorrientes de alta frecuencia (no losreencendidos).

Las distintas tecnologías de corte en el SF 6y sus campos de aplicación

En los aparatos de SF6, los contactos estánsituados en el interior de una envolvente cerraday rellena de gas cuya presión varía según latensión y los parámetros de diseño. Estasenvolventes generalmente están selladas de por

Fig. 30: Curva de conductividad térmica del SF6 enfunción de la temperatura.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0

Temperatura (K x 103)

Conductividad térmica (W/cm K x 102)

2 4 6 8 10 12 14

Fig. 31: Curva de distribución de la temperatura de unarco contenido en un tubo cilíndrico lleno de SF6.

Núcleo del arco

Temperatura(x 103K)

Fuerte conductividadeléctrica

15

5

2iarco < iarco < iarco

Buen aislamientoeléctrico

Muy buenaislante eléctrico

Nivel de ionización

Vainatérmica


vida puesto que se ha conseguido que las tasasde fuga estén a un nivel muy bajo. Puedeninstalarse unos sistemas de presostatos o dedensímetros que permitan controlarpermanentemente la presión del gas dentro de laenvolvente.

Existen muchas tecnologías de aparamenta conSF6 que difieren por el modo de enfriamiento delarco y cuyas características y campos deaplicación varían.

n El corte por auto-compresión

En este tipo de disyuntor, la expansión de unvolumen de SF6 comprimido por un pistón sopla elarco. Al abrir el aparato, un cilindro solidario conel contacto móvil se desplaza y comprime unvolumen de SF6 (figura 32a ). Un tubo de sopladocanaliza el gas hacia el centro del arco. El gas seevacúa a través de los contactos huecos.

Con intensidades fuertes, el arco provoca unefecto de tapón que contribuye a la acumulaciónde gas comprimido. Cuando la intensidad seaproxima a cero, el arco primero se enfría ydespués se extingue gracias a la inyección denuevas moléculas de SF6. El valor medio de latensión de arco está comprendido entre 300 y500 V.

Esta tecnología permite cortar sin dificultadtodas las intensidades hasta el PdC, sin unaintensidad crítica puesto que la energíanecesaria para soplar el arco se produce porempuje mecánico y por tanto es independientede la corriente que hay que cortar.

o Magnitudes características

Las presiones relativas de SF6 que se utilizangeneralmente varían entre 0,5 bar (16 kA, 24 kV)hasta 5 bar (52 kV), lo que permite la realizaciónde envolventes selladas sin fugas con todas lasgarantías de seguridad.

Fig. 32: Principios de corte por auto-compresión y [a], y por arco giratorio [b].

Los factores que afectan a las dimensiones dela cámara de corte son los siguientes:

– La capacidad para soportar la tensión de losensayos de entrada/salida, lo que condiciona ladistancia de aislamiento entre los contactosabiertos. Ésta puede ser constante y del ordende 45 mm teniendo en cuenta las presiones deSF6 utilizado.

– La intensidad de cortocircuito a cortardimensiona el diámetro del tubo de soplado y delos contactos.

– La potencia de cortocircuito a cortar imponelas dimensiones del pistón de soplado (en 24 kVel volumen de gas soplado es del orden de 1 litropara un PdC de 40 kA).

La energía de apertura de 200 J (16 kA) a 500 J(50 kA), es relativamente elevada a pesar de locompactos que son los aparatos a causa de laenergía necesaria para la comprensión del gas.

o Campos de aplicación del corte por auto-compresión

El principio de auto-compresión es el másantiguo. Se ha utilizado para todos los tipos dedisyuntores de uso general. No implicasobretensiones demasiado elevadas puesto queel fenómeno de arranque es pequeño y no existeel riesgo de reencendidos sucesivos.

Los disyuntores a auto-compresión se adaptanbien a la maniobra de baterías decondensadores puesto de tienen unaprobabilidad muy pequeña de reencendidos poruna parte y una gran resistencia mecánica a lascorrientes de cierre por otra parte.

Sin embargo, la energía de maniobra necesaria,relativamente importante, genera unasexigencias muy elevadas sobre losaccionamientos y, eventualmente, una limitacióndel número de maniobras.

a

b

Contacto móvil

Contacto fijo

Zonas de alta presiónCompresión mecánica y térmica

Zona de baja presión

Movimiento de los contactos móviles

Movimiento del gas

Movimiento del arco


Esta tecnología todavía se utiliza hoy amplia-mente, sobre todo para los aparatos de fuerteintensidad y las tensiones superiores a 24 kV.

n El corte por arco giratorio

Con esta tecnología, el arco se enfría por supropio desplazamiento relativo en el SF6. Uncampo magnético, creado por una bobinarecorrida por la corriente de fallo, genera unmovimiento de rotación del arco a velocidad muyelevada (que puede superar la velocidad delsonido a presión atmosférica -Pat-).

Al abrir los contactos principales, la corriente seconmuta a la bobina y aparece el campomagnético axial. La fuerza de Laplace resultanteacelera el arco en un movimiento circular. Loscontactos de arco tienen forma de pistascirculares que pueden ser o bien concéntricas(arco radial y campo axial) o bien frente a frente,como está representado en la figura 32b (arcoaxial y campo radial). Así el arco se enfría deuna manera homogénea en el SF6.

La potencia de enfriamiento del aparatodepende pues directamente del valor de lacorriente de cortocircuito lo que da a estosdispositivos una suavidad de corte que nonecesita más que una pequeña energía demaniobra: la energía necesaria para corte lasuministra enteramente el arco y las corrientespequeñas se cortan sin arranque nisobretensiones.

Gracias al movimiento rápido de las chispas delarco, los puntos calientes que desprenderíanvapores metálicos se evitan y la erosión de loscontactos es mínima, en particular en el caso dela geometría axial.

Hay que notar que al aproximarse el cero decorriente, el campo magnético disminuye. Esimportante que conserve un valor nulo demanera que el arco se mantenga en movimientodentro del SF6 frío en el momento de la apariciónde la TTR, y que así se evite la existencia decorrientes críticas. Esto se obtiene insertandoanillos en cortocircuito que obligan a que elcampo magnético esté en ligero desfase con lacorriente.


En MT, el arco giratorio en SF6 tiene una tensiónde 50 a 100 V para una longitud de 15 a 25 mm.Gracias a la pequeña energía de corte, losaparatos son muy compactos, incluso con unapresión de rellenado relativamente pequeña (deorden de 2,5 bar) y la energía de mando para laobertura que es inferior a 100 J.

o Campos de aplicación

La tecnología de corte por arco giratorio seadapta bien al mando de máquinas sensibles alas sobretensiones tales como motores de MT y

alternadores. Su excelente resistencia mecánica,debida al pequeño desgaste de los contactos y alas energías pequeñas de mando, la hace muyinteresante para aplicaciones con un grannúmero de maniobras (función contactor).

La técnica de arco giratorio utilizada sola nopermite obtener más que un PdC limitado(25/ 30 kA a 17,5 kV) y no se aplica a tensionesinferiores a 17,5 kV.

n El corte por auto-expansión

Utiliza la energía térmica disipada por el arcopara aumentar la presión de un pequeñovolumen de SF6 que se escapa por un orificioatravesado por el arco (figura 33a ). Cuantomás importante es la intensidad del arco, mayores el efecto tapón que dificulta el escape del gasa través del orificio. El gas frío bloqueado eneste volumen aumenta de temperatura, a causade la disipación térmica del arco (principalmentepor radiación), y por lo tanto su presión tambiénaumenta. En el cero de corriente, el tapóndesaparece, el SF6 se expande y sopla el arco.El efecto de soplado depende del valor de lacorriente, de donde resultan energías de mandopequeñas y cortes suaves, pero con un riesgode existencia de corrientes críticas. Éstas seencuentran generalmente alrededor del 10%del PdC.

o Se han desarrollado dos métodos de guiadodel arco, el guiado mecánico y el guiadomagnético, que permiten estabilizar el arco en lazona de soplado y además suprimir lascorrientes críticas.

– El guiado mecánico (tipo auto compresión)(figura 33b )

El arco se mantiene centrado entre loscontactos por unas paredes aislantes queconfinan los flujos gaseosos de maneraparecida a los tubos huecos utilizados en auto-compresión.

Esta técnica, desarrollada por todos los grandesconstructores, es segura y sencilla peroaumenta la energía necesaria para la actuación.En efecto, la presencia de estos dispositivos enla zona de arco disminuye las característicasdieléctricas del SF6 durante el período derestablecimiento, lo que implica aumentar lasdistancias entre electrodos y las velocidades dedesplazamiento de los contactos, y por tanto lapresión del SF6.

– El guiado magnético (tipo arco giratorio)(figura 33c )

Un campo magnético hábilmente dimensionadopermite centrar el arco en la zona de expansióndel SF6 al tiempo que le imprime un movimientode rotación rápido de manera parecida a latecnología del arco giratorio. Esta tecnologíanecesita una gran maestría de concepción y


tiene la ventaja de evitar la presencia de otrosmateriales que no sean SF6 en la zona del arco.El rendimiento termodinámico es óptimo y el SF6mantiene todas sus cualidades dieléctricas. Asílas distancias de aislamiento pueden reducirseal máximo, y la energía de actuación necesariaes pequeña.


Para las corrientes pequeñas, el soplado es casiinexistente y generalmente la tensión de arco nova más allá de los 200 V.

La presión de rellenado de la cámara escercana a la presión atmosférica.

El volumen de soplado térmico está comprendidoentre 0,5 y 2 litros.

La energía de actuación a 24 kV es inferiora 100 J.

Todas estas características hacen que el cortepor auto-expansión sea hoy la tecnología demejor rendimiento. Sus capacidades de cortepueden ser muy elevadas con unas presiones yunas energías de actuación pequeñas, y portanto con una fiabilidad muy elevada.

Fig. 33: Auto-expansión: Su principios de funcionamiento [a] y los dos métodos de guiado del arco, mecánico [b] ymagnético [c].

o Ámbitos de aplicación

Esta tecnología, desarrollada para corte decorrientes de defecto, se adapta bien al corte decorrientes capacitivas puesto que acepta lassobreintensidades y las sobretensiones.También es adecuada para el corte decorrientes ligeramente inductivas.

Sin un medio auxiliar, los aparatos de expansióntérmica tienen un PdC y una tensión de empleolimitadas. La auto-expansión, por tanto, seasocia con frecuencia a la auto-compresión conarco giratorio o con pistón. Entonces se utilizaen los aparatos destinados a la MT e incluso a laAT, y en ésta para todas sus aplicaciones.

Los resultados alcanzados gracias a laasociación de la expansión térmica y del arcogiratorio son tales que se ha considerado utilizarestas técnicas para disyuntores destinados aaplicaciones muy exigentes, por ejemplo laprotección de alternadores de centrales (fuerteasimetría y TTR elevada), o que requieren unaelevada resistencia mecánica.

Bobina

Contacto fijo

Contacto móvil

Movimientos de contacto móvil

Movimientos del gas en expansión

P

Zona de guiado

Paredesaislantes��

��

a b c


3.6. Comparación de las distintas técnicas

Hoy, en el campo de la BT, el corte magnéticoen el aire es el único empleado, salvo unospocos casos particulares.

En MAT, la técnica de corte en el SF6 esprácticamente la única que se instala.

Para la MT, en la que se pueden utilizar todaslas técnicas, las de corte en SF6 y en el vacíohan sustituido las del aire por razones de costo yde dimensiones externas (figura 34 ) y las delaceite por razones de fiabilidad, de seguridad yde reducción del coste de mantenimiento(figura 35 ).

Las técnicas de corte en el vacío o en el SF6tienen unos resultados comparables y suscualidades respectivas hacen que una u otra seadapten mejor a ciertas aplicaciones.

Según el país, se emplean mayoritariamente unau otra de estas técnicas esencialmente porrazones históricas o de elección de losconstructores.

La tabla de la figura 36 resume las cualidadesrespectivas de cada una de estas dos técnicas.

o Los disyuntores en SF6 y en vacío sondisyuntores de uso general y pueden adaptarsea todas las aplicaciones.

Los progresos tecnológicos en los medios deproducción de cámaras de vacío han permitidoobtener aparatos muy fiables y competitivos almismo nivel que los aparatos de SF6.

100

%

80

60

40

20

0

1980

Aire Aceite Vacío SF6

82 84 86 88 90 92 94 96

Fig. 34: Evolución del mercado de los disyuntores deMedia Tensión en Europa.

Fig. 35: Comparación de las diferentes técnicas de corte.

Aceite Aire SF 6/vacío

Seguridad Riesgo de explosión y de Manifestaciones exteriores No hay riesgo de explosión ni deincendio, si el aumento de importantes (emisiones de manifestaciones exteriorespresión (maniobras múltiples) gases ionizados y calientesproduce un fallo. después de los cortes).

Ocupación Volumen del aparato relativa- Instalación que necesita de Pequeña.del espacio mente importante. amplias separaciones

(corte no confinado).

Mantenimiento Sustitución periódica del Si es posible, periódica Nulo sobre los elementos deaceite (descomposición sustitución de los contactos corte. Lubricación mínima de losirreversible del aceite en de arco. Mantenimiento mecanismos del actuador.cada corte). periódico del actuador.

Sensibilidad El medio de corte puede ser alterado por el entorno No sensibles: cámara selladaal entorno (humedad, polvo,...) de por vida.

Corte en El tiempo de disminución de La evacuación muy lenta de SF6 - vacío recobran muy rápida-ciclo rápido presión, largo, necesita des- aire caliente necesita una mente sus propiedades dieléctri-

clasificar el PdC si hay riesgo desclasificación del PdC. cas: no hay desclasificaciones.de cortes sucesivos.

Durabilidad Mediocre. Media. Excelente.mecánica


Fig. 36: Comparación de las técnicas de corte en el SF6 y en el vacío.

Las técnicas de vacío son más fáciles deimplementar a tensiones bajas (tensión inferior a7,2-12 kV). Por contra, la de SF6 permiteobtener más fácilmente elevados resultados decorte (tensión o intensidad de cortocircuito).

o En funciones de mando (contactor, tensión eintensidad moderadas, exigencia de granresistencia mecánica), la técnica del vacío estámuy extendida a pesar de las precauciones quehay que tomar con las sobretensiones. Por

contra es casi inexistente en las funciones deapertura (interruptor) por razones económicas;en particular, la excelente rigidez dieléctrica delSF6 después del corte permite integrar en unsolo aparato las funciones de corte y deseccionamiento, cosa que con el vacío estáproscrita.

La mayor parte de los grandes constructoresutilizan hoy, en sus aparamentas, las dostécnicas de corte según sus especificidades.

SF6 Vacío

Aplicaciones Motores, hornos, Todas. Sobre todo adaptada a Todas. Sobre todo adaptadas alíneas aplicaciones de corte elevadas tensiones pequeñas y a TTR muy

(I y U) rápidas.

Disyuntores, Todas Las funciones de seccionamientocontactores están proscritas.

Características Durabilidad Satisfactoria para todas las Puede ser muy elevada para algunasmecánica aplicaciones habituales aplicaciones habituales

Sobretensión No hay riesgo para pequeñas Recomendado limitador de sobreten-corrientes capacitivas. siones para la maniobra de motoresMuy pequeña probabilidad de y de escalones de condensadores.recebado para las corrientescapacitivas

Aislamiento Muy reproductible, permitiendoentrada-salida funciones de seccionamiento

Dimensión Muy compacto a tensiones bajas.

Seguridad de Pérdidas de Hasta el 80% de rendimientosfuncionamiento estanqueidad se mantiene a presión atmosférica.

Posible monitorización continua.

Mantenimiento Reducido sobre el mecanismo Reducido sobre el dispositivo dede mando. Control permanente mando. Control ocasional posibleposible de la presión del gas del vacío.

Número de fallos Muy bajo (< 4/10000), principal- Muy bajo, si el procedimiento demente debido a los equipos auxiliares fabricación de las cámaras está

bien hecho.


3.7 ¿Cuáles son las posibilidades de otras técnicas?

Después de muchos años, los ingenieros siguenbuscando desarrollar disyuntores sin arco y sinpiezas en movimiento, utilizando principalmentecomponentes electrónicos.

Los tiristores permiten realizar aparatos decorte cuyo comportamiento puede ser cercanoal del interruptor ideal puesto que cortan lacorriente a su paso por cero. Además suresistencia mecánica es excepcional en lascondiciones normales de empleo. Por desgracia,además de su coste, los componentes estáticostienen algunos inconvenientes:

n disipación térmica importante,

n sensibilidad elevada a las tensiones ysobreintensidades,

n intensidad de fuga en estado bloqueado,

n limitación de la tensión inversa.

Estas particularidades hacen que sea necesarioasociarles:

n radiadores,

n limitadores de sobretensiones,

n fusibles ultra-rápidos

n interruptores o seccionadores

n y, desde luego, una electrónica de mando.

Los semiconductores (tiristores, GTO, IGTB)han hecho enormes progresos y sonampliamente utilizados en BT en aplicacionesdiversas, por ejemplo para realizar contactorescada vez que la cadencia de las maniobras esimportante.

En AT, los tiristores se sitúan en automatismosde regulación de impedancias compuestos deautoinductancias y de condensadores, en losFACTS -Flexible Alternative CourantTransmission System- para optimizar yestabilizar las redes de transporte, y en lasCustom Power para la redes de distribución.

En MT, las aplicaciones son muy raras y losdisyuntores estáticos están todavía en estadode prototipo, puesto que, además de sus puntosdébiles citados arriba, para aguantar la tensiónasignada, necesitan de muchos componentes enserie. En conclusión, salvo para aplicacionesmuy particulares, el corte estático no tiene hoyun gran desarrollo. Cortar gracias al arcoeléctrico sigue siendo actualmente la solucióninsoslayable.


4 Conclusión

De todas las técnicas de corte en MT, el corteen el SF6 y el corte en el vacío se imponen porsus resultados.

La elección entre el vacío y el SF6 depende,sobre todo, del ámbito de aplicación y de laselecciones tecnológicas de los constructores asícomo de los países: de ahí vienen lasdisparidades en el reparto geográfico de losaparatos que utilizan SF6 o el vacío.

Actualmente no se vislumbra ninguna otratécnica capaz de sustituir el corte en el vacío oen el SF6, puesto que esas dos técnicas tienennumerosas ventajas respecto a las técnicasantiguas:

n La seguridad: no hay riesgo de explosión,incendio ni de manifestaciones exterioresdespués del corte.

n Las reducidas dimensiones: el vacío y el SF6son muy buenos aislantes, por tanto losaparatos son menos voluminosos.

n La fiabilidad: pocas piezas en movimiento conuna energía de mando pequeña, de lo queresulta un mantenimiento reducido, unadisponibilidad importante, y una duración de vidamuy larga.

n La puesta en envolvente más fácil de estosaparatos y la realización de celdas de tensiónprefabricadas muy compactas es otra ventajaimportante ya que el PdC no está influenciadopor la presencia de barreras mecánicas.

Gracias a los medios de cálculo actuales quepermiten la modelización y la simulación, laaparamenta mejora sin cesar. Sin embargo, losavances más importantes en términos deseguridad de funcionamiento de las instalaciones(fiabilidad, seguridad, mantenibilidad) estánvinculados a la utilización generalizada deequipos bajo envolventes prefabricadas,probadas en fábrica. Con estos equipos seforman los aparatos de corte asociados asistemas integrados de protección y de control.


Bibliografía

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n El control de las sobretensiones de maniobracon los aparatos con SF6.O. BOUILLIEZ,Cuaderno Técnico nº 125.

n Cálculo de corrientes de cortocircuito.

B. DE METZ-NOBLAT & G. THOMASSET,Cuaderno Técnico nº 158.

n Control-mando y protección de motores MT.J.-Y. BLANC,Cuaderno Técnico nº 165.

n El corte por autoexpansión.G. BERNARD,Cuaderno Técnico nº 171.

n SF6 propiedades y uso en interruptoresautomáticos en MT y AT.D. KOCH,Cuaderno Técnico nº 188.

n Maniobra y protección de baterías decondensadores.D. KOCH,Cuaderno Técnico nº 189.

Obras diversas

n High Voltage Circuit Breakers-Design andApplications-. RUBEN, D. GARZON.

n Disjoncteurs HAUTE TENSION: Comparaisondes différents mode de coupure.B. JOYEUX-BOUILLON (GEC ALSTHOM) &J.-P. ROBERT (Merlin-Gerin).

n Disjoncteurs SF6: Evolution de 1959 à 1994.D. DUFOURNET, (GEC ALSTHOM- T&D).

n Manoeuvre des courants capacitifs - Etat del’art -. ELECTR n°155, Août 1994.

n Etude des technologies existantes desdisjoncteurs de distribution. IREQ, Avril 1991.

n Guide technique du disjoncteur. P. POLO & P.ATTIER, 1993.

CT193 Las técnicas de corte en MT

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