La ruptura por auto-expansión -...
17
Cuaderno TØcnico n” 171 La ruptura por auto-expansión Georges Bernard
Transcript of La ruptura por auto-expansión -...
Cuaderno Técnico nº 171
La ruptura por auto-expansión
Georges Bernard
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 2
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,los sistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo delas redes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.
Puede accederse a estas publicaciones en Internet:
http://www.schneiderelectric.es
Igualmente pueden solicitarse ejemplares en cualquier delegación comercial de Schneider ElectricEspaña S.A., o bien dirigirse a:
Centro de Formación Schneider
C/ Miquel i Badia, 8 bajos
08024 Barcelona
Telf. (93) 285 35 80
Fax: (93) 219 64 40
e-mail: [email protected]
La colección de Cuadernos Técnicos forma parte de la «Biblioteca Técnica» de Schneider Electric,S.A.
Advertencia
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 171 de Schneider Electric, S.A.».
cuadernotécnico no 171
La ruptura porauto-expansión
Por: Geoges Bernard
Trad.: E. Milà
Edición francesa: diciembre 1 993
Versión española: Julio 2 000
Georges BERNARD
Se diplomó como ingeniero IEG-Institut Electrotechnique de Grenoble-en 1 960.
El mismo año entra en Merlin Gerinencargándose del Servicio dePatentes, y después del Servicio deInvestigaciones.
En 1 966 consigue el doctoradomediante una tesis científica sobre lamedida de la corriente por mediosópticos.
En 1 961 participa en los estudiosrelativos al corte SF6, y trabaja en elcampo del corte estático e híbrido.
En 1 993, dentro de la Dirección deInvestigación y Desarrollo de MerlinGerin desarrolla nuevos estudiossobre el corte para los interruptoresautomáticos del futuro.
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 4
Terminología
Densidad electrónica Número de electrones libres por unidad de volumen (≈ 1017/cm3 durante el arco de la ruptura).
AT-A y AT-B Estos términos se emplean en este cuaderno conforme a la legislación francesa (decreto 14
noviembre 1 988), correspondiendo a los siguientes valores de tensión:
n AT-A: 1 a 50 kV,
n AT-B: > 50 kV.
A nivel europeo (Circular 27 julio 1 992 de CENELEC -Comité Europeo de Normalización
Electrotécnica) se emplean los términos Media Tensión -MT- y Alta Tensión -HT-:
n MT: 1 a 35 kV,
n Hl : >35 kV.
GIS Gas lnsulated Switchgear: aparellaje herméticamente cerrado (CEl 298).
Interferometría Método de medida de muy alta precisión basado en los fenómenos de interferencias
(interferencia: fenómeno resultante de la superposición de oscilaciones u ondas de la mismanaturaleza y de frecuencias iguales próximas).
Organismos Los más importantes son:
de certificación n ASTA -Association of Short-circuit Testing Authority- en Inglaterra,
n CESI -Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano- en Italia,
n ESF -Ensemble des Stations d'essais á grande puissance Françaises- en Francia,
n KEMA -Keuring Elektrotechnische Materialen Arnhem- en Holanda.
Estos organismos son miembros a nivel internacional del SIL -Short-circuit Testing Liaison-.
Estrioscopia Método óptico que pone de manifiesto las variaciones del índice de refracción de un fluido (gas).Permite observar las variaciones de presión o de temperatura de un gas contenido en unvolumen, y conocer también sus movimientos.
SF6 Hexafluoruro de azufre.
Vacío Presión inferior a 10-1 Pascal.
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 5
Índice
La ruptura por auto-expansión
La palabra auto-expansión se aplicaa diversas técnicas o modos deruptura, según las documentacionestécnicas y los constructores deinterruptores automáticos.
En este Cuaderno Técnico, despuésde haber expuesto las notablesdiferencias que pueden escondersedetrás de un mismo término, tantosobre los principios de la rupturacomo sobre sus particularidades, elautor presenta la ruptura por auto-expansión en SF6. Hoy por hoy,solamente Merlin Gerin lo usa en losinterruptores automáticos. Paraacabar se presentan los modelos deinterruptores automáticos cuyasprestaciones muestran todo elinterés de este sistema de ruptura.
1 Reseña histórica sobre las Las técnicas de ruptura en AT-A p. 6técnicas de ruptura y AT-B
Las técnicas particulares de p. 7ruptura en SF6
2 La ruptura por autoexpansión La autoexpansión: un nuevo p. 9nivel técnico
La realización p. 9
3 Interruptores automáticos por El interruptor automático p. 14autoexpansión en el SF6 de la RM6 200 A 24 kV / 16 kA
El interruptor automático SB6 p. 142 000 A - 72 kV/31,5 kA
4 Conclusión p. 16
5 Bibliografía p. 17
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 6
1 Reseña histórica sobre las técnicas de ruptura
En el número de diciembre de 1 992de la «Revue Générale del'Electricité», J. CLADE, «controlergeneral» de EDF, escribía:
«Los materiales electrotécnicos,desde hace ya un centenar de años,están en la base del desarrollo delas redes eléctricas.
En concreto, los centros detransformación se habrían hechomonstruosos si unos progresos,poco espectaculares en cadamomento, pero numerosos yconstantes, no hubieran permitidoaumentar constantemente elrendimiento de las prestacionesespecíficas de los materiales».
La aparamenta de mando y deprotección, tanto en Baja Tensión-BT- como en Alta Tensión -AT-, noescapa de esta regla.
Si en BT, la ruptura magnética en elaire que se usa desde el principiotiene todavía futuro, la evolución de laruptura en Media Tensión -MT- o enalta tensión -AT- se apoya en loscambios del medio dieléctrico. Enefecto, cada cambio de fluido,motivado por la mejora de estos trescriterios
n rendimiento,
n seguridad,
n fiabilidad,
y por una disminución de los costes,ha implicado una modificación radicalde la técnica de ruptura.
La técnica de ruptura, en sí misma,presenta poco interés para elusuario, pero interviene en varios delos criterios que se citan acontinuación:
n el coste global (aparato -instalación - explotación),
n el dimensionado,
n los esfuerzos eléctricos generadospor la ruptura.
En realidad, para un interruptorautomático, la técnica de ruptura esdeterminante en el plano técnico-económico.
La historia de la aparamenta está,por este hecho, íntimamenterelacionada con la de la técnica deruptura y de los medios dieléctricosutilizados. Para aclarar mejor lasituación actual, se impone hacer unrepaso sobre las técnicas de rupturaque se han ido utilizando a lo largodel tiempo.
Las técnicas de ruptura enAT-A y AT-B
Se utilizan diversas técnicas: en aire,en aceite, en SF6 y en vacío.
La ruptura en el aire
Con el aumento en tensión y enpotencia de las redes, este sistemade ruptura ha recurridosucesivamente a las técnicas:
n de contactos auxiliares del arco,
n de soplado del arco,
n de alargamiento del arco porefecto magnético (principio delSOLENARC). Esta solución, utilizadahasta los 20 kV, ya casi no se usahoy en día, debido a las importantesdimensiones de los mecanismosque la componen.
Fig. 1: Evolución de la rigidez dieléctrica del aire y del SF6 en función de la presión, en elinterior de un campo débilmente no homogéneo para una distancia de 12 mm entreelectrodos.
10-8 10-6 10-4 10-2 10-1 1 10
0,1
0,2
0,3
0,6
1
23
6
10
2030
60
100
200300
600
1 000
P en bares
tensión en kV
SF6
aire
vacío
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 7
n de aire comprimido: la utilizaciónde las propiedades físicas de estedieléctrico (figura 1) ha permitidoprogresos determinantes en lafabricación de interruptoresautomáticos para muy altastensiones. Pero los aparatos queutilizan esta técnica son bastantecomplejos y caros, por tanto ya no seutilizan más que en alta y muy altatensión en países fríos, porque elaire presenta la ventaja de conservarsus propiedades a muy bajastemperaturas.
La ruptura en aceite
Este sistema de ruptura apareció aprincipios de siglo. Ha permitido lasprimeras construcciones deinterruptores automáticos en AT y,además, una disminución en lasdimensiones, gracias a la técnicaRVA (Reducido Volumen de Aceite).Estos interruptores automáticos seencuentran todavía en los centros detransformación de MT y AT, en ciertospaíses como el Brasil y en algunosde la CEl (antigua URSS). Se vansustituyendo, en Europa y en USA,por interruptores automáticos en SF6o en vacío.
Su desaparición progresiva se debeespecialmente a los peligrosinherentes al aceite (es inflamable yexplosivo), a los trabajos deingeniería civil necesarios para suinstalación (cubetas de retención) y almantenimiento preventivo.
La ruptura en SF6 y en vacío
Las técnicas que utilizan estesistema de ruptura, cuya apariciónindustrial data del principio de losaños 60, se caracterizan por lautilización de medios extintores delarco (SF6 y vacío) con propiedadesexcepcionales, dentro de recintos depolos de corte sellados, cerradosherméticamente, de pequeñasdimensiones, formando unas piezasde contacto simples.
En efecto, el SF6 y el vacío presentandos ventajas:
n en régimen transitorio, tienen unaconstante de tiempo de desionizaciónque puede ser cien veces menor que
la del aire comprimido. Esto eliminael riesgo de recebados sin que seanecesario el uso de artificios talescomo resistencias o condensadoresde amortiguación;
n en régimen permanente, tienenpropiedades dieléctricasdestacables, como indica la gráficade Paschen, representada en lafigura 1.
Evolución y margen de empleo
A medio plazo, sólo quedarán laruptura en SF6 y en vacío. Por lo quese refiere a los márgenes deutilización, el SF6 y el vacío deberánreservarse el mercado de la AT-A,quedando solamente el SF6 en AT(> 50 kV).
La variación de la rigidez dieléctricaentre electrodos (figura 2) muestraen efecto que, aunque el vacío esmuy eficiente en AT-A, llega a sulímite a 200 kV independientementede la distancia entre electrodos.
Las técnicas particularesde ruptura en SF
6
Siendo el objeto de este CuadernoTécnico presentar el principio delcorte por auto-expansión, esnecesario situar este principio entrelas otras técnicas que utilizan el SF6como fluido de corte.
En 30 años, se ha evolucionado,pasando, poco a poco, de un sopladodel arco provocado mecánicamente(doble presión, golpe de pistón) a unsoplado provocado por la propiacorriente a cortar (arco giratorio,expansión).
Estos términos corresponden a lasacciones sobre el arco, diferenciadaso combinadas, cuyo objeto es enfriarel arco. De hecho, no tienen siempreel mismo significado, según losconstructores que las utilizan. Latabla de la figura 3, en la página 6,muestra cómo se sopla y/o enfría elarco para cada técnica.
Fig. 2: Influencia de la distancia entre los electrodos sobre la rigidez dieléctrica.
0 10 20 30
distancia entre electrodos en mm
0
50
100
150
200
250
300
aceitevacío
aire a 1 bar
SF6 a 5 bares
SF6 a 1 bar
tensión en kV
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 8
esquema aplicaciones: en este Cuaderno otras descripción
doble presión neumático un gas, previamente comprimido en unrecipiente de «alta presión», se liberadespués del corte al abrirse una válvula:el gas sopla el arco al circular a travésde los contactos tubulares (toberas)hacia un recipiente a «baja presión».
golpe de pistón autocompresión un gas, comprimido por el movimiento(puffer) autoneumático de un pistón solidario con el movimiento
autosoplado de abertura de los contactos, sopla elarco dándole salida a través de un tubode ventilación.
golpe de pistón y autoneumático el mismo principio que en el casoexpansión térmica expansión térmica anterior pero con dos volúmenes de(puffer and (autopuffer- compresión:self pressurise) thermal blast) n un volumen que proporciona una baja
auto-expansión presión para el corte de pequeñascorrientes, por lo que se requiere unadébil energía de mando,
n un volumen «reducido» para el cierreautomático de válvulas provocado por laalta presión desarrollada por una energíade arco importante (expansión térmica),por tanto, un refuerzo del soplado.
expansión térmica autosoplado el arco se refrigera con un soplidoobtenido por la circulación de gas através del tubo, circulación debida alaumento de presión de origen térmico,producida por el arco alrededor de loscontactos.
arco giratorio el arco se enfría al girar por la acción de(rotating arc) un campo magnético radial producido
por la corriente a cortar (fuerzas deLaplace).
auto-expansión autosoplado el mismo principio que en el caso(autopuffer anterior, y, además, con un soplado deself-blast) arco obtenido por la circulación de gas
a través de los contactos; circulacióndebida a la subida de presión de origentérmico producida por el arco alrededorde los contactos.
Fig. 3: Las técnicas de corte en SF6.
volumen total de compresión (para elcorte de un arco con poca energía)
volumen de compresión reducido (parael corte de un arco de gran corriente)
movimiento de los contactos móviles
movimiento de los gases
movimiento del arco
contacto móvil
contacto fijo
zonas de alta presióncompresión mecánica y térmica
zona de baja presión
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 9
2 La ruptura por autoexpansión
La autoexpansión: unnuevo nivel técnico
Al inicio de la década de los ochenta,para mejorar las gamas existentesde interruptores automáticos yanticiparse a la evolución de losmateriales concurrentes, losservicios de marketing de laSociedad Merlin Gerin, definieron uncuaderno de cargas mucho másexigente que para una simpleremodelación de la gama.
Los investigadores y diseñadores dela sociedad fueron invitados aestudiar un cambio importante en lastécnicas de ruptura a emplear. Eneste sentido, se fijaron, además deuna reducción significativa de loscostes, unos objetivos precisos:
n aumentar la seguridad (fiabilidad,mantenimiento, disponibilidad yseguridad) por reducción del númerode piezas en movimiento ydisminución de la energía necesariaa la maniobra. Con ello se consiguió:
o un aligeramiento global de lasestructuras electromecánicas,
o una disminución de tamaño.
n minimizar las perturbacionesinducidas en las maniobrasnormales y en la ruptura de lascorrientes de defecto para lasdiversas cargas:
o motores,
o transformadores,
o condensadores y líneas en vacío.
n emplear una nueva técnica deruptura, si es posible la misma enAT-A y en AT-B, para mejorar laacumulación de la experiencia.
Para conseguir estos ambiciososobjetivos, los diseñadores dieronpreferencia entonces a una técnicadependiente de la «corriente en símisma», siendo:
n la energía de interrupción (desoplado) obtenida de la mismacorriente a interrumpir,
n el poder de ruptura se adapta a lacorriente a interrumpir,
n se explotan al máximo lasexcepcionales propiedades del SF6.
La técnica de la autoexpansiónresponde a los objetivos delmencionado cuaderno de cargas. Esla que se está empleando en lamayoría de interruptores automáticosy corresponde, según los hechos, aun nuevo nivel en el dominio de losaparatos de corte.
La realización
La autoexpansión asocia:
n el soplado por expansión térmicadel SF6,
n la conducción del arco y susoplado por efecto electromagnético.
El soplado por expansión
El arco, que nace espontáneamenteentre los contactos al producirse suseparación, disipa una energía:
Fig. 4: Flujo de energía durante el corte de la corriente, obtenido con un modelo.Fig. 5: Principio de corte por expansiónen SF6.
energíadisipada == 75 a 80%
paredesy
electrodosconducción= 5 a 10%
conducción= 5 a 10%
convección + conducción= 15 a 20%
radiación = 70 a 80%
arco
durante el período del arco: al aumentar la temperatura, aumenta su presión=> la energía interna aumenta su velocidad aumenta=> la energía cinética aumenta
energía almacenada = 20 a 25% de la que 1/3 se empleaen el aumento de presión en el volumen de expansión.
gas
energía absorbida porel gas frío = 10 a 15%
energía absorbida por los materiales = 60 a 65%
energía adquirida porefecto Joule100%
contacto fijo
contacto móvil
movimiento del contacto móvil
movimiento del gas en expanción
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 10
ò=t
0dt)i.Ua(W
siendo: Ua = caída de tensión de arcoEsta energía se evacúa, directa oindirectamente, por:
n conducción,
n radiación,
n convección.
La figura 4 ilustra esta disipación.
En los aparatos con técnica deautoexpansión es alrededor de 1/4 dela energía de arco la que setransmite al SF6, que se calienta.
Si los contactos están encerrados enun volumen estanco (volumen aguasarriba, figura 5) el aumento de latemperatura provoca el aumento de lapresión del gas:
T·V
RP D=D
siendo R la constante termodinámicade los gases perfectos.
Si al menos uno de los contactosestá vacío o es tubular, lasobrepresión provoca el escape delgas hacia las zonas frías en elconjunto del aparato (volumen abajo).
Al escapar, el gas enfría el arco quese ha establecido entre los contactoshuecos, utilizando las toberas deescape.
La conducción del arco
La descripción precedente muestrauna situación un poco idealizada. Sino se toman precauciones, el arcopuede escaparse de la posición axial,por ejemplo bajo la acción de lasfuerzas electrodinámicas (figura 6).
Se encuentra, entonces, fuera deltrayecto de los gases de escape o almenos en una zona en la que lavelocidad es mucho menor, con loque la influencia es también menor.
Para evitar este defecto, convieneguiar o conducir el arco.
Se pueden usar dos formas deconducción: mecánica y magnética.
n la conducción mecánica
Es la más eficaz, la más segura y lamenos delicada de poner en práctica.Deriva directamente (figura 7) de ladisposición adoptada en los
interruptores automáticos a pistón.Pero presenta, al menos, un ciertonúmero de inconvenientes en elterreno de la ruptura:
o la presencia de la pieza aislantede guiado (tobera) deforma el campoeléctrico y lleva a unas distancias deapertura y a unas velocidades de loscontactos importantes, aumentandola energía necesaria para el mandomecánico.
o sólo una pequeña parte del arcose sitúa en el volumen de arriba, enuna zona muy descentrada,quedando el resto del arco situado enla tobera.
Por ello, el rendimiento energético sereduce, al igual que la sobrepresión yel soplado, sobre todo paracorrientes de pequeña intensidad.
n la conducción magnética
El arco, situado en el campomagnético de un imán permanente ode una bobina, se centra con lacomponente axial y gira bajo laacción de la componente radial(figura 8).
Comparada con la conducciónmecánica, presenta ciertasdificultades de estudio y de puesta apunto:
o la barrera magnética es inmaterial,difícil de delimitar y, sobre todo,comporta unas zonas deinestabilidad delicadas que deben
aclararse. Sólo se consiguecomprenderlas con cálculos,medidas y simulaciones.
o las distancias entre contactosestán limitadas (el campo magnéticodisminuye fuertemente con elalejamiento de la bobina).
Pero, por el contrario, ofrece unasventajas determinantes:
Fig. 6: Ejemplo de un arco no guiado.
Fig. 8: Guiado del arco mediante elcampo magnético de una bobina (mediocorte).
Fig. 7: Guiado mecánico mediante unaislante.
bobina
contacto fijo
contacto móvil
movimiento del contacto móvil
movimiento del gas en expanción
zona deguiado
paredesaislantes������
contacto fijo
contacto móvil
movimiento del contacto móvil
movimiento del gas en expanción
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 11
o el campo eléctrico no quedaperturbado por la presencia de unapieza aislante y los valores de rigidezdieléctrica son importantes paradistancias cortas debido a:
- la posibilidad de utilizar el SF6 abaja presión,
- una ruptura facilitada de corrientescapacitativas,
- una posibilidad de minimizaciónde las carreras de los contactos y conello una necesidad de menosenergía de mando,
o el cambio de energía arco-gasqueda facilitada.
n la rotación del arco
Disminuye considerablemente laerosión de los contactos lo queaumenta el número de maniobras(endurancia eléctrica); esta técnica,muy interesante, se utiliza en losinterruptores automáticos ycontactores modelos Fluarc y Rollarc(Cuaderno Técnico nº 123). Es unade las consecuencias importantes dela conducción magnética del arco.
La asociación de esta conducción alsoplado por expansión permitemejorar notablemente lascaracterísticas de los aparatos: losinterruptores automáticos porautoexpansión pueden así trabajar enAT contrariamente a los que noutilizan el arco giratorio.
En efecto, la expansión realiza unbarrido eficaz de la zona entre loscontactos y bajo la acción del chorrode gas:
o las partículas metálicasprovinentes de los electrodos sonevacuadas fuera de las toberas,
o al acercarse al cero de corriente,las raíces del arco son repelidashacia el interior de los electrodostubulares (toberas) y se enfríanrápidamente (figura 9).
Los medios de puesta a punto
La voluntad de no utilizar másenergía que la desarrollada por elpropio arco y las fuerzas magnéticasinducidas por la corriente a cortar hanecesitado, en la puesta a punto, elempleo de útiles sofisticados.
Fig. 9: Centrado del arco en los intantes próximos al cero de la intensidad.
Fig. 10: Dispositivo óptico de estrioscopia.
Fig. 11: Visualización de la circulación de gas cuando se abren los contactos (a laderecha de la fotografía están los filamentos resistivos destinados a calentar el gasambiente).
1: laser2: espejo esférico 200 mm3: filtro espacial
4: interruptor automático 5: filtros6: diafragma7: cámara ultra-rápida8: modulador acústico-óptico765
1 8 2
3
3
4
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 12
A título de ejemplo:
n para el estudio de losdesplazamientos gaseosos y lavisualización del arco, ha sidonecesario apoyarnos en la óptica.Los desplazamientos de gas, enpresencia o no del arco eléctrico sehan visualizado por estrioscopia.Esta técnica utiliza la desviaciónaportada por un medio de índice derefracción variable al trayecto de unhaz luminoso que lo atraviesa.
De los múltiples montajes posibles,los diseñadores han utilizado el de lafigura 10.
El modulador acústico-óptico situadoa la salida del láser de argón permiteaumentar artificialmente lasprestaciones de una cámaramecánica de prisma giratorio. Si seutiliza sin el prisma, el moduladortiene el mando directamente deltiempo de exposición y de la cadenciade las exposiciones (típicamente 0,5y 20 µs respectivamente). De estamanera es posible observar elcentrado del arco y su alargamientohacia las toberas al aproximarse alcero de corriente (figura 9).
El estudio estrioscópico en gasesfríos (sin arco eléctrico) ha permitidover con claridad las zonas deturbulencia, de desprendimiento delas ondas de choque y, comomuestra la figura 11, las líneas dedesplazamientos gaseosos.
El método de interferometríadiferencial, mucho más sencillo deemplear que los montajes clásicos(Michelson, Mach-Zender ...) y menossensible a los defectos de alineacióny a las vibraciones, permite compararlas velocidades de escape de losgases en diversas geometrías,simétricas y asimétricas (figura 12).
La presencia de un arco disminuyebastante el interés de ciertosmétodos precedentes, en particular lainterferometría, debido a la apariciónde regiones fuertemente turbulentas.Las bandas de interferencias sedeforman, se interrumpen, y hastadesaparecen completamente.
En cambio, se pueden realizar otrasobservaciones directas sobre el arco:la medida de su radiación o de sutemperatura por espectrografía. Lanotable reproductibilidad obtenida
Fig. 14: Densidad electrónica n del arco cerca del cero de intensidad.
Fig. 13: Temperatura del arco.
Fig. 12: Velocidad radial de desplazamiento del SF6, medida con el interferómetrodiferencial.
0 2 4 6,5 8 10
16
32
48
64
r (mm)
v (m.s-1) geometríasimétrica
geometríaasimétrica
rZ0
rint
rintR y Z0 posición del punto de medida
0 1 2 3 4 5 6 7
12
14
16
18
8 9 10 11 12
20
t (ms)
T (x 103 K) temp rature de l'arc
courant( max. = 6,4 kA)
800 600 400 200 0 (mA)
n.e (x 1017 cm-3)
0,5
1
2
1,5 17 000 K
15 000 K
11 000 Klímite de resolución
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 13
sobre la maqueta de estudio hapermitido la obtención de las figuras13 y 14. Estas experiencias hanpermitido observar la temperatura y ladensidad electrónica justo en losinstantes cerca del paso por cero dela corriente.
n para optimizar ciertos parámetrostermodinámicos que influyen sobre laruptura se ha utilizado la informáticacientífica.
En efecto, las diferentes medicionesu observaciones realizables nopueden tener en cuenta el conjuntode fenómenos por su propiacomplejidad. Además, la mayoría deestas medidas no son precisas y nopueden efectuarse sobre lasmaquetas concebidas para elensayo. No se prestan a un estudiocon variación de parámetros.
Para experimentar las principalesmagnitudes: velocidad, presión delos gases, temperatura,... en funciónde la geometría del aparato y de lacorriente que lo recorre, se hadiseñado un modelo termodinámico.
Las mediciones, tanto con el gas fríocomo en presencia de arco, sirvenpara «catar» el modelo (y con ellomejorar el conocimiento de losfenómenos físicos en juego!).
Los resultados de cálculo puedenverificarse indirectamente yrecuperarlo eventualmente para sucomparación con la experiencia,cuando ello es posible. Es el casopara la tensión de arco y la presión,magnitudes ambas calculables ymedibles (figuras 15 y 16).
La concordancia entre mediciones ycálculos permite alcanzar un gradode confianza suficiente cuando losresultados se obtienen, por ejemplo,en los campos de la velocidad o elescape, prácticamente inaccesibles ala experimentación.
Esta modelización conduce, además,a una reducción sensible de lostiempos y costes de desarrollo.
Fig. 15: Comparación entre los resultados de las experiencias y de los cálculoscientíficos (programa NS2) con tensión de arco.
Fig. 16: Comparación entre los resultados de las experiencias y los cálculos cientíticos(programa NS2) sobre el aumento de la presión en el volumen aguas arriba.
0 2
100
150
200
t (ms)
tensión de arco (V)
4 6 8 10
solución calculada resultados experimentales
50
0
0 2
19
22
25
t (ms)
presión (10 4.Pa)
4 6 8 10
solución calculada resultados experimentales
16
13
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 14
3 Interruptores automáticos por autoexpansión en el SF6
El dominio de la técnica de laautoexpansión ha permitido lacomercialización, tanto en AT-A comoen AT-B, de productos adaptados alas necesidades. El interruptorautomático de la RM6 y el interruptorSB6 son una demostración de ello.
El interruptor automáticode la RM6 200 A24 kV / 16 kA
El bloque RM6 es un equipo «todoSF6» (aparamenta GIS dentro de lanorma CEl 298), con funcionesintegradas, de reducidasdimensiones. Está diseñado parapermitir una continuidad de serviciomáxima de las redes de distribuciónen anillo.
Consta de dos interruptores de anillo yun interruptor automático (o uninterruptor-fusible) cuya función esrealizar una derivación sobre el anillo yasegurar la conexión y la protección deun transformador MT/BT (figura 17).
El interruptor automático integrado enla RM6 tiene como característicasasignadas 200 A, 24 kV. La aplicaciónde la técnica de la autoexpansión leaporta una serie de ventajas técnicasdeterminantes:
n está ubicado, al igual que losinterruptores de anillo, en un recintolleno de SF6 a presión atmosférica(figura 17),
n el número de piezas es muyreducido, por ejemplo una piezaúnica garantiza las funciones:
o paso de corriente,
o interrupción (contacto móvil delinterruptor automático),
o aislamiento y puesta a tierra(interruptor automático abierto),
n la energía total de accionamiento(cerrado-abierto) no llega a los 100julios,
n el volumen es menor que el delconjunto interruptor+fusible. Seinstala en el sitio del interruptor de«salida».
Los objetivos propuestos, (capítulo2), se han conseguido en el cuadrode esta aplicación de AT-A con uninterruptor automático simple,compacto, económico y que tiene unpoder de corte de 16 kA a 24kV ó20 kA a 17,5 kV.
En lo que se refiere al objetivo de«sobretensión mínima de maniobra»,el rendimiento obtenido después dela conexión a tensión de un trans-formador poco cargado es muchomejor que lo que exige la norma CEl298 (figura 18) y sitúa al interruptorautomático de la RM6 entre losmejores productos del mercado.
El interruptor automáticoSB6 2 000 A - 72 kV/31,5 kAEste interruptor automático, destinadoa equipos de centros detransformación de AT-B, se puedeutilizar en los centros clásicos deintemperie (figura 19) o estarintegrado en un centro bajo envolventemetálica (centro «blindado»).
Fig. 17: Equipo de protección con interuptor automático, para distribución AT-A y unavista con la tapa quitada que muestra el interruptor automático colocado en el centro(RM6 - Merlin Gerin)
Fig. 18: Resultado de las pruebasefectuadas según la norma UTE C 64-115con un interruptor automático deautoexpansión en SF6 (interruptorautomático de un equipo RM6 - MerlinGerin).
30
40
50
60
70
74 sobretensión máxima admitidasegún la norma UTE C 64-115
sobretensión máxima registrada(en 16 ensayos de ruptura trifásica)
valor medio de las 10sobretensiones mayores(de 48 medidas efectuadas)
media de las 48 medidas
(kV)
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 15
Aún así, la simplicidad de esteinterruptor automático se nota, a títulode ejemplo:
n en el plano electromecánico, poruna energía de accionamiento(cerrado-abierto) de 520 J, (valortradicional en AT-A), resultando de uninterés evidente por su fiabilidaddebido a lo corto de su carrera y a lolibiano de su parte móvil,
n en cuanto a la ruptura, por unaconexión muy «suya» de líneas envacío, como lo muestra la figura 20,en la que no se aprecia ningunasobretensión visible, a pesar de laelección de un instante de aberturamuy desfavorable (0,5 ms antes delcero de la alimentación). Lo decisivoes el crecimiento muy rápido de larigidez dieléctrica entre contactosjunto con la distancia de abertura. Ladistribución del campo eléctrico asícomo la ausencia de piezas aislantes(sin el tubo de soplado) en el espacioentre contactos permite conseguireste resultado.
Este ensayo de ruptura de una líneaen vacío es parte de las pruebas decertificación previstas por las normaspara un interruptor automático.
Ensayos de desarrollo ycertificación
Antes de comercializar un interruptorautomático, su constructor debe:
n realizar numerosos ensayosdurante su desarrollo. Y esto a pesarde haber hecho prototipos y habersimulado en ellos los fenómenosfísicos que contribuyen eficazmente ala puesta a punto y así a la reduccióndel número de ensayos,
n verificar que, durante los ensayos,se han respetado las normas,mediante el empleo de un banco depruebas acreditado por uno o variosorganismos nacionales (léxico).
Estos ensayos permiten obtener uncertificado de conformidad condiversas normas.
En AT-A y en AT-B las normas dereferencia son las CEl 56, 694 y
Fig. 20: Prueba de corte de una línea no cargada hrcha con un interruptor automático deautoexpansión en SF6; el sistema de medida tiene una banda pasante de 10 Mhz(interruptor automático SB6 - Merlin Gerin).
Fig. 19: Interruptor automático para uncentro de transformación de AT-B(interruptor automático SB6 - MerlinGerin).
ANSI C37-04 y siguientes. EDF exigeen otros casos ensayossuplementarios según sus propiasespecificaciones.
A título de ejemplo, para poder ponera la venta el interruptor automáticoSB6, se han necesitado un centenarde ensayos de corte para conseguirla relación completa de permisos.
n más allá de los certificadosoficiales, la experiencia lleva a losconstructores serios a efectuarnumerosos ensayoscomplementarios. Éstos deben decomprobar que, para configuracionesparticulares de la red o para ciertascargas, el interruptor automático nofalle.
Cuando se trata de una nueva técnicade ruptura, estos ensayos sontodavía mucho más numerosos.
(kV)300
- 200
Ut5 ms/div.
(kV)300
- 300
Ut 5 ms/div.
(kV)300
- 200
Ut5 ms/div.
U red
U salidas
U interruptor automático
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 16
4 Conclusión
La técnica de ruptura porautoexpansión de SF6 permite lafabricación de interruptoresautomáticos de corte suave y auto-adaptables, simples y fiables. Elprincipio de «con la propia corriente»y la no utilización de artificiossustitutivos, tales como: autoválvulaso protectores de sobretensiones,resistencia, condensador, hacen dela autoexpansión la técnica deruptura que consigue que uno seolvide del interruptor automático.
Recordemos sus cualidades:
n ruptura limpia (con cualquiercarga),
n buena fiabilidad (pocas piezas enmovimiento y poca energía deaccionamiento),
n bajo mantenimiento y poca presiónde SF6,
n endurancia eléctrica elevada,
n pequeñas dimensiones.
No hay ninguna limitación teórica otecnológica que se oponga hoy a lautilización de esta técnica en AT-A o
en AT-B. El principal freno a sugeneralización es su duración y elcoste de su desarrollo y de suspruebas.
Los interruptores automáticos deSF6, que utilizan el principio de laauto-expansión asociada a lossistemas digitales de protección,mando y control de redes son, yserán más todavía en el futuro, losgarantes de una disponibilidad mejorde la energía eléctrica.
Cuaderno Técnico Schneider n° 171 / p. 17
5 Bibliografía
Normas
n ANSI 037: Circuits-breakersswitchgear substations and fusesstandards.
n CEl 56: Interruptores automáticosde corriente alterna de alta tensión.
n CEl 298: Aparellaje bajo envolventemetálica para corriente alterna detensiones asignadas superiores a 1kV e inferiores o iguales a 52 kV(≈ NF C 20-312).
n CEl 694: Cláusulas comunes a lasnormas de aparellaje de alta tensión(NF C64-010).
n UTE C 64-115: Interruptoresautomáticos tripolares: reglascomplementarias especiales para elcorte de corrientes detransformadores en vacío.
Cuadernos Técnicos Merlin Gerin
n El proceso de corte con uninterruptor automático Fluarc o uncontactor Rollarc por medio de arcogiratorio en SF6.
Cuaderno Técnico nº 123 - C.DUPLAY
Publicaciones diversas
n Pressure transients in a self-blowncircuit-breaker. Eight InternationalConference on gas discharges.Oxford, september 1 985.
H. DELECROIX et A. GLEIZES.
n La expansión: una técnica confuturo para los interruptoresautomáticos con SF6.
Jornadas de estudio SEE sobreaparellaje de corte en AT y MT. Marzo1 987.
G. BERNARD et P. MALKIN.
n Un interruptor con SF6 que utiliza elprincipio de auto-expansión. IEEEtrad. PWRD, Vol. 3, nº 4, octubre1 988.
G. BERNARD, P. MALKIN et W.LEGROS.
n Use of an auto-expansion circuit-breaker in a Ring Main Unit. lEE Proc.Vol. 135, Part. C, nº 3,1 988. G.
BERNARD, G. PERISSIN et J.MARZOCCA.
n An SF6 auto-expansion breaker :the correlation between magnetic arccontrol and critical current. IEEESummer meeting, july 1 989.
G. BERNARD, A. GIRARD, P. MALKINet P. SCARPA.
n La ruptura por autoexpansión enalta tensión. Una nueva aproximacióna la reducción de peso y a lafiabilidad.
GIGRE, 1 990.
M. BARRAULT, G. BERNARD, A.GIRARD, A. DELAHOUSSE, O.FILLEAU et J.C. HENRY.
n Simulación digital de la interacciónarco eléctrico-desprendimiento degases en los interruptoresautomáticos de AT-A y AT-B.
Tesis doctoral.
INPG, Grenoble, 1 990.
P. CHEVRIER.
n Los interruptores automáticos deautoexpansión son el fruto deestudios profundos.
RGE, nº 11, diciembre 1 992.
M. BARRAULT, G. BERNARD, P.CHEVRIER, O. FILLEAU, J.P.KERSUSAN, J. MAFTOUL, S. ROWE,et P. SCARPA.
n Post-arc current measurementsdown to the ten milliamperes range.IEEE Winter meeting, Colombus,january and february 1 993.
M. BARRAULT, G. BERNARD, J.MAFTOUL et S. ROWE.
