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Cuaderno Técnico nº 101

Los interruptores automáticos deautosoplado con SF

6 bajo

esfuerzos severos

J.C. Henry,G. PerrissinC. Rollier

Cuaderno Técnico Schneider no 101 / 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.

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cuadernotécnico nº 101

Por: J.C. Henry, G. Perrissin y C. Rollier

Trad.: José Mª Giró

Edición francesa: octubre 1 978

Versión española: enero 2 000

los interruptoresautomáticos deautosoplado con SF6bajo esfuerzosseveros


los interruptores automáticos de autosopladocon SF

6 bajo esfuerzos severos

El desarrollo de redes de transporte yde redes industriales pone a losinterruptores automáticos de altatensión en condiciones defuncionamiento mucho más duras quelas previstas en las normas.

Es el caso de:

n las líneas muy largas (al conectar odesconectar la tensión, ruptura dereactancias shunt),

n los transformadores de granpotencia cuando aparece un defectoinmediatamente aguas abajo delaparato.

El interruptor de autosoplado con SF6tiene un comportamiento satisfactorioy el recurso de utilizar resistenciasauxiliares no se ha de prever más quepara la conexión de largas líneas dealta tensión.

Índice

Introducción p. 5

1 Caso de líneas largas de muy La conexión de líneas con su p. 6alta tensión extremo abierto

La desconexión de líneas con p. 7su extremo abierto

La desconexión de p. 8reactancias shunt

2 Caso de defecto alimentado a Esfuerzos p. 11través de un transformador Resultado de los ensayos p. 11

Conclusiones p. 11

Anexo: Las sobretensiones durante «Arranque» de la corriente p. 13el corte de corrientes inductivas Reencendidos sucesivos p. 14

Bibliografía p. 14


Introducción

Durante los últimos veinte años haprogresado mucho el conocimiento delfuncionamiento de las redes detransporte de alta tensión y de losfenómenos que se desarrollan durantela maniobra de los interruptoresautomáticos que las protegen. Elestudio teórico de las condiciones defuncionamiento, el análisis de lasincidencias y los trabajos del CIGREhan llevado a un replanteamiento detodas las condiciones que hay quetener en cuenta para el diseño y laverificación de los materiales de cortedestinados a las redes de AT. Porúltimo, este proceso se ha plasmadoen el reconocimiento de estascondiciones de corte en el marco delas normas internacionales cuyo

volumen y complejidad expresan laextensión de los trabajos realizados,siendo todavía algunos aspectosobjeto de trabajos importantes.

Sin embargo, de vez en cuando,pueden presentarse situacionesparticulares que respondendirectamente a las condiciones defuncionamiento previstas por lasnormas. Por ejemplo, la explotaciónintensiva de los recursoshidroeléctricos de ciertos países, querequieren la instalación de líneas muylargas, justifica el que los diseñadoresde estas redes definan condiciones nonormalizadas para la verificación delos interruptores automáticos. Estosproblemas se desarrollarán en laprimera parte de este estudio.

Situaciones excepcionales se dantambién en ciertas instalaciones contransformadores de gran potencia ybaja tensión de cortocircuito. Estasinstalaciones de tipo especial suponenpara los interruptores automáticosesfuerzos severos que no pueden sertenidos en cuenta por las normas,porque se alejarían mucho de lascondiciones de exigencia quegeneralmente se necesitan en losinterruptores automáticos de lasredes.

Este último problema será el objeto dela segunda parte de este estudio.

En cada caso, se expondrán losesfuerzos soportados por losinterruptores automáticos y losmétodos de ensayo utilizados paraasegurar un buen comportamiento deun interruptor de autosoplado con SF6.


1 Caso de líneas largas de muy alta tensión

Fig. 1: Corte de un elemento de polo deinterruptor automático de 525 kV, equipadocon resistencias de cierre.

1. Intervalo de corte2. Condensador de reparto3. Resistencia de cierre4. Soporte aislado

La técnica de autosoplado con el gasSF6 aplicada desde hace tiempo alos aparatos de redes de distribuciónde media tensión se extiendeprogresivamente, por sus ventajas, alos aparatos de redes de altatensión.

La experiencia de uso muysatisfactoria obtenida hasta ahora hallevado a las empresas que explotanlas redes a intentar conseguir lasnumerosas ventajas de estos aparatospara las redes de tensiones mayores,en particular para las de 525 kV queconstituyen la estructura de las redesde transporte de muchos países delcontinente americano, donde laimportancia de las potencias atransportar y las distancias a loscentros de consumo han favorecido la

elección de estos valores de tensióntan elevada. Hay que recordar que laelección de un valor de tensiónelevado no es realmente ventajoso sino se ha previsto la limitación de lassobretensiones temporales y de lassobretensiones de maniobra que sepuedan presentar en las redes de altatensión. Sin esto, el coste añadido deaislamiento a prever para que lasredes puedan soportar estas fuertessobretensiones, reduce a cero elahorro conseguido con la reducción delas pérdidas.

El desarrollo de redes de tensiónigual o superior a 525 kV tiene portanto una necesidad en particular, eltener en cuenta las tres condicionesde maniobra que, por lo natural,generan las sobretensionesmayores:

o enganche y desenganche delíneas con su extremo abierto;

o el corte de líneas en vacío contensión excepcionalmente elevada;

o el corte de reactancias de shunt.

La conexión de líneas consu extremo abiertoUn interruptor automático que protegeuna línea puede tener que conectaruna que tenga su extremo abierto. Lassobretensiones debidas a la reflexiónque se produce en el extremo abiertohan de controlarse completamente.Los valores de sobretensión arespetar no son objeto de normasinternacionales por el momento y suespecificación se convierte encompetencia del diseñador de la red.Entre todos los métodos que se han

propuesto para la limitación de lassobretensiones de conexión, el mássimple consiste en poner bajo tensiónla línea por medio de una resistencia,escogida en función de lascaracterísticas y longitud de la línea.

Los interruptores automáticos aptospara proteger las redes de 525 kV y765 kV deben por tanto estar dotadosde cámaras auxiliares que permitan lainserción de resistencias durante untiempo determinado. Esta necesidad,bien aceptada por los interruptoresautomáticos de aire comprimido, lo estambién para los interruptoresautomáticos de autosoplado con SF6.En efecto, se ha podido poner unmecanismo auxiliar muy simple enestos aparatos, una conexiónmecánica que maneje los contactos deinserción de las resistencias duranteuna maniobra de cierre. (Figura 1).

Estos contactos pasanautomáticamente a la posición deabierto inmediatamente después de laconexión de los contactos principales.Una unión mecánica de este tipoasegura una excelente precisión de lostiempos de inserción de las resistenciasen el circuito en el momento de cerrar.

La elección del valor de la resistenciase puede efectuar a partir de medidassobre modelos de redes o por cálculo.En particular, las medidas efectuadassobre un analizador de transitorios hanpermitido determinar los valoresmáximos de resistencias y los tiemposde inserción mínimos a prever para lalimitación de sobretensiones dereenganche sobre una línea de 525 kVde 400 km de longitud, con un valor de2,2 veces cuando la línea no estácompensada y con un valor de 2 vecescuando lo está. (Tabla 1).

Tabla 1.

línea no línea compensadacompensada al 40 % al 70 %

valor de la resistencia (Ω) 360 360 1000

tiempo de inserción (ms) 10 8,4 10

niveles de sobretensión (probabilidad 2,2 2 2acumulada del 98 %) (en no de veces)


Los interruptores automáticos deautosoplado con SF6, equipados conun juego de cámaras auxiliares(figura 2) con sus resistencias, son,por tanto, una manera de responder ala exigencia de limitación desobretensiones de reenganche,exigencia mayor para eldimensionamiento del aislamiento deredes de muy alta tensión.

La desconexión de líneascon su extremo abiertoEsfuerzos

La severidad de las condicionesimpuestas a un interruptor automáticodurante la apertura de una líneaabierta en su extremo puede ser talque sean estas condiciones de cortelas que impongan eldimensionamiento del interruptorautomático y en particular la eleccióndel número de intervalos de corte. Elhecho principal es que, un semicicloantes del corte, el interruptor

automático debe de tener aplicadaentre sus bornes una tensión almenos igual al doble del valor decresta de la tensión fase-tierra de lared antes del corte.Desgraciadamente, en el momento dela desconexión puede suceder que latensión entre fase y tierra del polo quedebe de abrir haya alcanzado valoresmuy superiores a los especificados enlas normas para en ensayo delinterruptor automático en ese tipo deruptura. Esta sobreelevación dinámicade la tensión puede ser el resultadode varias causas. En concreto, laapertura del interruptor situado en elextremo receptor de una línea por laque circula una fuerte carga deja aesta línea abierta en su extremo. Sutensión aumenta por el hecho de lasupresión brusca de la carga, lo queno es inmediatamente compensadopor la regulación de tensión ni por lacarga capacitativa que constituye lapropia línea. Por tanto, el interruptorautomático situado en el origen puedeser llamado a abrir la línea justo en elmomento en que la tensión fase-tierraen el origen ha sobrepasadolargamente el valor normal.

Las condiciones particulares deciertas redes han hecho aparecer laposibilidad de sobretensionesdinámicas elevadas, del orden de 1,5veces, a pesar del efecto favorableque producen las reactancias decompensación en la limitación de lassobretensiones dinámicas. Porejemplo, la tensión entre fases de unared de 525 kV se puede elevartemporalmente hasta casi 750 kV y lade una red de 765 kV hasta los1 100 kV.

Estas circunstancias sonexcepcionales y es muy normal quetales situaciones se excluyan de lascondiciones de verificación exigidaspor las normas para los cortes delíneas en vacío. Sin embargo, elhecho de que tales casos concretosse presenten ha obligado a verificar lacapacidad de los interruptoresautomáticos para soportar esastensiones. Incluso, si se puedeadmitir que tales verificaciones sehagan en el lugar mismo deexplotación de la red, esabsolutamente necesario que elfabricante demuestre a priori lasaptitudes de su material.

Métodos de ensayo

Para tensiones de red que nosobrepasen los 245 kV, esnormalmente posible hacer el ensayodirecto en la estación de ensayos yutilizar una línea real. Para tensionesde red que alcancen los 420 kV, elensayo directo es más difícil, por laserie de condiciones de explotaciónque hacen frecuentemente imposibleel disponer de una línea sin carga delongitud suficiente.

Otro proceso de ensayo consiste ensimular una línea en vacío por mediode una batería de condensadores.Aún así, los límites de los laboratoriosse alcanzan rápidamente, si se tieneen cuenta el dimensionamiento de labatería necesaria para la obtención decorrientes importantes que simulenlíneas de grandes longitudes contensiones tan grandes como las quese han citado anteriormente. Por tantoel fabricante se ve obligado a hacerlos ensayos no ya más sobre un polocompleto, sino sólo sobre una fracciónde polo, así como sobre un solointervalo de corte. Estos ensayos sepueden efectuar sea sobre un circuitodirecto que abarque una batería decondensadores de gran capacidad,

fig. 2: polo de un interruptor automático conautosoplado de SF6 con 4 intervalos decorte, equipado con resistencia de cierre.

Un = 525 kV; Ic = 50 kA; In = 3150 A

Fig. 3: esquema de circuito simuladorpara corte de corriente de líneas envacío.

Dp : interruptor automático deprotección

Db: interruptor automático debloqueo

De: interruptor automático bajo pruebaT: transformadorG: generadorS1: circuito «de corriente»S2: circuito «de tensión»C1: batería de condensadores del

circuito «de corriente»C2: batería de condensadores del

circuito «de tensión»I: corriente cortada por De. I= I1 + I2; U = U2 - Uc2


sea con la ayuda de un circuitosimulador. Es este último método elque nosotros hemos utilizado; elesquema es el de la figura 3. Laventaja de un circuito así es el noutilizar más que una batería decondensadores de pequeñasdimensiones. En efecto, sobre elcircuito «de corriente», donde esnecesario un gran valor de capacidad,es suficiente una tensiónrelativamente baja, y sobre el circuito«de tensión» conviene poner unacapacidad de bajo valoradecuadamente aislada para latensión máxima.

Los ensayos por elementosseparados para el corte de corrientesde línea en vacío no estánexplícitamente previstos en lasnormas y su utilización requiereciertas precauciones. Para losinterruptores automáticos con bajaduración mínima de arco (éste es elcaso de los interruptores automáticosde autosoplado con SF6), el defectode sincronismo entre intervalos decorte de un mismo polo no debesobrepasar el valor de unos 2 ms.En efecto, hace falta que lasobrecarga en tensión sobre elprimer intervalo que abre seadespreciable. Un cálculo rápidomuestra que, en el caso de unaduración de arco mínima de 1 ms, eldefecto de sincronismo de 2 msimplica una sobrecarga de tensión de7 % sobre el primer intervalo queabre, en el caso de un interruptor

automático de 4 cámaras, y de 12 %para uno de 6 cámaras. Porconsiguiente, este método se aplicabien a los interruptores automáticosensayados cuyo sincronismo decámaras está bien asegurado y queno implica más que un pequeñonúmero de intervalos de corte.

Resultados de los ensayos

Los ensayos se efectúan con un solointervalo de corte de un interruptorautomático de autosoplado con SF6,como el representado en la figura 2.Los ensayos representan el esfuerzoexperimentado para un solo intervalode corte de un interruptor automáticoque tendría 4 intervalos en el caso deque la tensión entre fases de red de525 kV se elevara a 750 kV.

La figura 4 representa el oscilogramade un corte así.

La tensión de ensayo se determinaconforme a la relación siguiente:

Los ensayos se han efectuado deacuerdo a la norma en lo que serefiere al instante de separación de loscontactos. Los resultados se indicanen la tabla 2.

Estos resultados, que no dan lugar aningún recebado, demuestranperfectamente la capacidad delinterruptor automático para cortar laslíneas en vacío en las difícilescondiciones descritas anteriormente.

La desconexión dereactancias shuntLa utilización de reactancias decompensación conectadas en paralelosobre líneas es casi siemprenecesaria en las redes de muy altatensión. En efecto, permiten evitar lassobreelevaciones de tensióndemasiado fuertes a lo largo de lalínea, en el caso de que ésta esté envacío o muy poco cargada. Se conocetambién el efecto muy favorable queejercen las reactancias decompensación en las sobretensionesdinámicas en caso de desconexiónbrusca de la carga en el extremo deuna línea larga. En fin, lasreactancias ejercen también unefecto favorable sobre la limitación de

Tabla 2: Resultados de los ensayos decorte de corriente de líneas en vacío.

no U2 U I ta(kV) (kV (A) (ms)

cresta)

1 128 345 815 22 128 340 815 93 128 353 815 84 128 340 815 65 128 352 815 56 128 352 815 37 128 353 815 28 128 355 815 19 128 332 815 9

10 128 340 815 811 128 332 815 712 128 340 815 5

tensión de maniobra de enganche odesenganche de líneas en vacío.

Entonces se presentan variasposibilidades para beneficiarse de lasventajas de las reactancias shunt:

n poner permanentemente enderivación, en paralelo sobre cadafase de la línea, una inductancia cuyovalor se escoge para ser aceptable entodos los casos de funcionamiento dela red;

n o bien conectar la inductancia a lalínea por medio de un interruptorautomático, de manera que,ordenando su conexión odesconexión, se consiga una mayorflexibilidad en la utilización de lareactancia, según la carga transmitidapor la línea. (Figura 5).

Estos interruptores automáticosfuncionan en condiciones particularespuesto que son para interrumpir unacorriente débil (algunos centenaresde amperios) y que se maniobran

Fig. 4: Oscilograma obtenido durante elcorte de una corriente capacitativa sobreel circuito representado en la figura 3.

Fig. 5: Esquema de conexión de lasreactancias shunt.

kV4

1.

3

750.2,1U2 =


muy frecuentemente. Tienen quetener por tanto una fiabilidadmecánica muy grande y no provocarsobretensiones anormales durante elcorte de esta corriente.

Se han publicado ya diversosartículos sobre la excelente fiabilidadde los interruptores automáticos deautosoplado con SF6, fiabilidad que sedebe, sobre todo, a la simplicidad desu diseño.

En cambio, el comportamiento de losinterruptores automáticos durante elcorte de corrientes débiles inductivases muy poco conocido y elestablecimiento de las normas deensayo correspondientes se reveladifícil por el hecho del gran número deparámetros susceptibles de interveniry del carácter aleatorio de losresultados normalmente obtenidos.Por otra parte, es complicadoreproducir adecuadamente enlaboratorio las condiciones reales defuncionamiento de los interruptoresautomáticos previstos para lastensiones más elevadas.

Se encuentran normalmente dosdificultades:

n tensión de ensayo demasiado baja;

n capacidades propias del circuito deensayo demasiado elevadas.

Es por tanto muy deseable poderpredeterminar las sobretensionessusceptibles de producirse encualquier condición defuncionamiento, basándose en losresultados de ensayos efectuados encondiciones precisas, a ser posiblecon un número reducido de intervalosde corte en serie. Los autores hanpuesto ya en evidencia ciertas leyesde la variación de la corrientearrancada de un tirón, generalmentesobretensiones. Se verá que losresultados obtenidos en la estación deensayo sobre un interruptorautomático de autosoplado con SF6del tipo representado en la figura 2cumplen bien estas leyes y quetodavía es posible una valoración delas sobretensiones máximas quepuede producir un interruptorautomático de este tipo.

Condiciones de ensayo

Se han efectuado dos series deensayos diferentes, totalizando másde cien cortes sobre diversos

elementos del interruptor automático.En las dos series, los circuitos deensayo son monofásicos; suscaracterísticas esenciales son lassiguientes (Figura 6):

Serie no 1:

U = 235 kVf = 50 HzI = 245 517 1100 AC1 = 1µFC2 = 46 127 nFnúmero de intervalos de corte en serie= 3.

Serie no 2:

U = 20 40 kVf = 50 HzI = 250 500 AC1 = 17 nFC2 = 1,9 a 12 nFnúmero de intervalos de corte en serie= 1 ó 2.

La serie no 1, efectuada con uninterruptor automático de 3 cámaras,es representativa del funcionamientode un aparato de 4 cámaras en unared de 525 kV. La tensión del circuitode ensayo de 235 kV ha sido el valormás alto de tensión disponible en ellaboratorio. A lo largo de esta serie, noha sido posible reducir la capacidaddel circuito aguas abajo a un valorsuficientemente bajo para serrepresentativo de la capacidad propiade una reactancia shunt. Es esto porlo que los ensayos se han efectuadocon tensión reducida concapacidades aguas abajo de valorbajo a fin de estudiar la influencia delnúmero de intervalos de corte y de lacapacidad sobre el valor de lacorriente arrancada.

Resultados de los ensayos

Pueden presentarse dos fenómenoscuando se cortan corrientes inductivasde bajo valor: el arrancar de un tirónla corriente y los reencendidossucesivos (ver anexo).

Al hacer las dos series de ensayos,el arranque de las corrientes ha sidoobservado de modo casi sistemático,pero algún corte no ha dado lugar areencendidos sucesivos. Esteresultado es muy importante porquesignifica que las sobretensionesproducidas por el interruptorautomático pueden serpredeterminadas de modo seguro sise puede conocer la ley de variaciónde la corriente arrancada en funciónde los parámetros del circuito. Losresultados que han obtenidoanteriormente los investigadores alhacer ensayos con interruptoresautomáticos de autosoplado con SF6 ytambién ciertos estudios teóricos yexperimentales publicados muestranque la corriente arrancada quedarádeterminada por la relación siguiente:

30 'C.n.I λ= [6]

donde:I0 = corriente arrancada,λ = es un coeficiente propio del inter-

ruptor automático expresado enA.F1/2 (amperios . faradio)1/2,

n = número de intervalos de corte enserie por polo,

C3 = capacidad en paralelo sobre elpolo.

Para determinar el coeficiente λ,gracias a los resultados de losensayos, sólo se toman en cuenta losresultados obtenidos paraduraciones de arco iguales omayores a 5 ms. Las duraciones dearco más cortas dan lugar a

Tabla 3: Valor medio del coeficiente λ para duraciones de arco inferiores a 5 ms.

no de cámaras 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3

tensión (kV) 20 20 20 20 40 20 20 20 40 235 235 235corriente (A) 250 250 250 250 500 250 250 250 500 245 517 1100cortadaC'3 (nF) 4,2 5,2 9,2 9,5 9,2 3,9 7,9 8,3 7,9 110 45 47λ . 103 94 89 95 90 92 81 84 96 96 81 74 92

Fig. 6: Esquema del circuito de ensayodel corte de corriente inductiva.


corrientes arrancadas que nointeresa estudiar por el hecho de susvalores tan bajos y de su dispersiónasí como por lo impreciso de sumedida. La tabla 3 indica los valoresmedios de λ obtenidos en losdiferentes circuitos de ensayos; cadamedia se calcula normalmente sobre 5ensayos. Se constata que los valoresasí obtenidos son muy próximoscuando las condiciones de ensayoabarcan una amplia gama de valoresde los parámetros n y C3; estodemuestra que la relación [6] se aplicabien a este tipo de interruptorautomático.

Puesto que el coeficiente λ esindependiente del circuito de ensayo,es interesante analizar su distribuciónestadística para el conjunto de losensayos considerados. La figura 7representa el histograma de valoresde λ que hace aparecer unadistribución gaussiana:

valor medio de λ:

λ_

= 88,5 .103 A.F-1/2

desviación típica:

σ = 14.103 A.F1/2.

La curva de frecuencia acumulada deλ se representa en la figura 8, en laque se dibuja igualmente la ley normalcorrespondiente a λ y a σ. Se constataque la distribución de λ sigue una leynormal, en particular para los valoressuperiores al valor medio. Estopermite calcular la probabilidad deexistencia de fuertes valores decorriente arrancada.

Cálculo de sobretensiones

En el caso general donde lacapacidad aguas arriba es granderespecto a las otras capacidades delcircuito, el factor de sobretensión loda la relación siguiente, establecidaen el anexo:

2m

22

U

L..n1k

λ+= [5]

donde:L2 = autoinducción aguas abajo,Um = amplitud de la tensión fase-tierra.

Conociendo estadísticamente elcoeficiente λ es posible calcular laprobabilidad de aparición desobretensiones en el caso de uninterruptor automático de 4 intervalosde corte, utilizado para la maniobra dereactancias shunt sobre una red de525 kV. A título de ejemplo,consideraremos tres valores dereactancia, correspondientesrespectivamente a las potenciasmonofásicas de 37, 75 y 150 MVA. Alaplicar a λ la ley normal definida en elpárrafo precedente se obtienen losresultados indicados en la tabla 4.

Estos valores de sobretensiónpredeterminados, a pesar deapoyarse en un muestreorelativamente restringido (alrededorde 100 ensayos), muestran sinembargo que el interruptorautomático ensayado no produciráuna sobretensión anormalmenteelevada al utilizarlo en una red.

A título comparativo, los ensayosefectuados con un interruptorautomático de aire comprimido hanpermitido determinar para elcoeficiente λ un valor medio de 230A.F1/2 que es un valor 3 vecesmayor que el correspondiente alinterruptor automático de autosopladocon SF6. La aplicación del método depredeterminación de lassobretensiones de corte de corrienteinductiva con un interruptorautomático de aire comprimido,implican 6 intervalos de corte y, paralos valores de reactanciaconsiderados anteriormente, indicaque los niveles de sobretensiónsobrepasarían largamente los valoresadmisibles. En consecuencia, lalimitación de sobretensiones porresistencias se impondrá. Se disponepor otra parte de resultados deensayos comparativos efectuadossobre la red de Hydro-Québecmostrando que el corte de reactanciascon interruptores automáticos de airecomprimido no dotados deresistencias para la apertura estáacompañado de sobretensionesinaceptables.

Por tanto, se está demostrando queesta importante ventaja del interruptorautomático de autosoplado con SF6,del que se está hablando, seráapreciada puesto que permite utilizarpara la maniobra reactancias y unaparato no dotado de resistencias, sinningún riesgo para el aislamiento delas reactancias.

Tabla 4: Probabilidad calculada de niveles de sobretensión.

k

P 150 MVA 75 MVA 37 MVA

102 1,27 1,5 1,87103 1,32 1,57 2104 1,35 1,62 2,07

Fig. 8: Frecuencia acumulada de losvalores del coeficiente λ.

resultados experimentalesley normal: λ = 88,5 .10 3; σ = 14.10 3

Fig. 7: Histograma de valores delcoeficiente λ.


2 Caso de defecto alimentado através de un transformador

EsfuerzosYa se ha descrito la severidad quepresentan para un interruptorautomático las condiciones creadasen el momento del corte de uncortocircuito situado aguas abajo deun transformador. Se ha puesto enevidencia que el corte de uncortocircuito así, aunque de intensidadmuy inferior a la plena capacidad decorte de un aparato, podrá poner endificultades ciertos tipos deinterruptores automáticos. En concretose explica el que los interruptoresautomáticos de bajo volumen deaceite tengan una cierta sensibilidadpor el hecho de que, para corrientesde defecto relativamente débiles, lapotencia de desionización, función dela intensidad de la corriente cortada,era insuficiente, habida cuenta de larapidez con la que se restablece latensión en un circuito oscilante defrecuencia muy elevada. También sehan destacado las condiciones deinstalación de un interruptorautomático de aire comprimido en lasque el interruptor no tiene medio decortar una corriente de cortocircuitoque represente el 40 % de su poderde corte, por el hecho del valor de lafrecuencia de la tensión derestablecimiento, compuestaprincipalmente por una oscilación de20 kHz de un transformador de150 MAV. (Figura 9).

Se encuentran cada vez másfrecuentemente casos como éste enlas instalaciones alimentadas a lastensiones de 72 a 170 kV, y suseveridad aumenta, habida cuenta dela potencia de los transformadoresinstalados. La dureza de lascondiciones de corte aumenta tambiéncuando se trata de transformadoresde baja tensión de cortocircuito,utilizados para la alimentación deciertas instalaciones industriales.

Las conclusiones que se sacan delos estudios citados sobre talesredes muestran que las TTR (tensióntransitoria de restablecimiento)puestas en juego en el caso de un

defecto alimentado a través detransformador, son mucho másseveras que las especificadas por lasnormas para las corrientes decortocircuito correspondientes al 10 y30 % del poder de corte. Era por tantoimportante asegurar que el interruptorautomático de autosoplado con SF6no se vería en apuros en casosemejante.

Resultados de los ensayosEl aparato ensayado es un interruptorautomático de autosoplado con SF6que tiene un solo intervalo de corte(figura 10) y que se puede utilizarsobre redes de tensiones entre 72 y170 kV. La utilización de unareactancia en el aire, situada aguasabajo del interruptor automático(figura 11) ha permitido realizar losensayos para los valores de corrientedébil (1 y 2,5 kA). Siendo limitadas lasposibilidades de ajuste del valor de lacorriente en este circuito, se hautilizado más tarde un circuito deensayo simulador con inyección decorriente para una gama de corrientesde corte entre 5 y 20 kA.

La tabla 5 muestra las condiciones deensayo y los resultados obtenidos.

Los ensayos efectuados presentanunas condiciones de severidad que sesitúan mucho más allá de las exigidaspor las normas. Los resultadosobtenidos demuestran claramente laaptitud de este interruptor automáticopara sobreponerse a los esfuerzosmás severos que puedan aparecer enel caso de defectos alimentados portransformadores potentes, como losque se encuentran en ciertos tipos deinstalaciones.

ConclusionesSe ha puesto en evidencia que, paralos interruptores de redes o deinstalaciones industriales, puedenaparecer condiciones de funcionamientoexcepcionales que sobrepasanlargamente o que ni siquiera entran enel cuadro de condiciones normalizadas.

Fig. 10: Interruptor automático conautosoplado de SF6 con 1 intervalo decorte para una tensión de 72 a 170 kV.

Fig. 9: Oscilograma de la TTR obtenidodurante el corte de un defecto aguas abajode un transformador 220/60 kV,P = 150 MVA, Ucc = 10,3 %.

Se refieren especialmente a:

n el corte y conexión de corrientes delínea en vacío con tensionesexcepcionalmente elevadas;

n el corte de corrientes de reactanciashunt de líneas de alta tensión;

n el corte de corrientes decortocircuito alimentadas a través deun transformador.


Fig. 11: Circuito de ensayo que tiene unareactancia elevada aguas abajo delinterruptor automático.

En cada caso, ha sido posibledemostrar, por los ensayosefectuados en laboratorio, que losinterruptores automáticos deautosoplado con SF6 ensayados soncapaces de hacer frente a condicionesespecialmente severas con las que losinterruptores automáticos de técnicasmás antiguas podrían encontrarse endificultades.

Tabla 5: Resultados de ensayos de corte a frecuencia elevada.

Ensayos corriente número 1a cresta frecuencia T1 ó T3 VATRcortada de de tensión F (kHz) (µs) (kV/µs)I (kA) ensayos U1 ó Uc

(kV)

Ensayos con 1,1 5 140 17 26 5,4autoinducción 2,5 6 85 28 15 5,7aguas abajo

5 10 126 33 13,5 9,310 3 126 22 20 6,310 2 126 50 9 1415 3 139 22 20 7

5 3 250 18 24,5 10,210 5 250 18 24,5 10,215 3 250 19 23 10,920 2 250 21 21 11,9

Ensayosconsimulador


Anexo: Las sobretensiones durante el cortede corrientes inductivas débiles

Se conocen perfectamente losfenómenos susceptibles de producirsobretensiones durante el corte decorrientes inductivas débiles.

Son de 2 tipos:

n la interrupción anticipada decorriente, normalmente llamada«arranque de la corriente»,

n los reenganches sucesivos.

Por otra parte, estos dos fenómenospueden aparecer sucesivamente, enuna misma maniobra.

En los dos casos, la corriente id seinterrumpe cuando la corriente i2 noes nula, como continuación de lasoscilaciones de alta frecuencia que sesuperponen a la componente decorriente de frecuencia industrial en elinterruptor automático. (Figura 12).

«Arranque» de la corrienteLa corriente id se interrumpe cuandola corriente i2 es igual a i0 y la tensiónu2 tiene el valor de U0. (Figura 13).

Si se puede pasar por alto laamortiguación del circuito aguas abajodurante 1/4 de período de suoscilación propia, el cálculo de lasobretensión es evidente:

20

2

220C I.

'C

LUU += [1]

donde C'2 es la capacidad enparalelo sobre la autoinducción L2después del corte:

31

3122 CC

C.CC'C

++= [2]

Si Um es la amplitud de la tensiónaguas abajo antes del corteU0 ≈ Um [3]el coeficiente de sobretensiónk = Uc /Um, se expresa entonces:

21k ε+= [4]

donde:

2

2

m

0

'C

L

U

I=ε [5]

Es interesante estudiar el término εcuando el valor de la corriente"arrancada" cumple la ley:

30 'CnI λ= [6]

donde:

n es el número de intervalos de corteen serie para un polo y

C3 es la capacidad en paralelo sobreun polo:

21

2133

CC

C.CC'C

++= [7]

La relación (4) se convierte en:

21

31

m

2

CC

CC

U

Ln

++λ

=ε [8]

Por regla general, los valores decapacidad son tales que:

C1 >> C2 y

C1 >> C3.

La relación (8) se convierte por tantoen:

m

2

U

Lnλ=ε [9]

de donde:

22m

2

LnU

1kλ+= [10]

Fig. 12: Esquema representativo delcorte de una corriente inductiva.

Fig. 14: Corte seguido de variosreencendidos sucesivos.

Fig. 13: Corte con «arranque» decorriente.

id : corriente en el interruptor automático.

I2 : corriente en la autoinducción aguas abajo.

u2 : tensión aguas abajo.


Existe siempre un límite superior delvalor de L2 más allá del cual estarelación ya no se aplica. Este límite sealcanza cuando la corriente«arrancada» es igual a la amplitud dela corriente cortada.

En definitiva, si se produce un«arrancamiento» de la corriente sinreencendido, el nivel de lasobretensión puedepredeterminarse. Por otra parte, si lacapacidad aguas arriba es granderespecto a otras capacidades, el nivelde sobretensión depende sólo, paraun tipo de interruptor automático yuna tensión dados, del número deintervalos de corte por polo y del valorde la autoinducción aguas abajo.

Reencendidos sucesivosLos fenómenos de reencendidossucesivos ilustrados en la figura 14han sido descritos en la literaturatécnica. Hay que recordaresencialmente que, en este caso, lasobretensión es debida a latransferencia en la capacidad aguasabajo de la energía que esreinyectada en el circuito aguas abajoen el momento de cada reencendido.La máxima tensión no se alcanzanecesariamente después del cortedefinitivo, pero se puede producirsobre todo en función de losintercambios de energía entre elcircuito aguas arriba y el circuitoaguas abajo. El nivel de sobretensióndepende de numerosos parámetros,tales como:

n la frecuencia propia del circuitoaguas abajo;n el instante de apertura de loscontactos respecto a la fase decorriente;n la velocidad de restablecimiento dela rigidez dieléctrica entre contactos;n las características de oscilación dela corriente de alta frecuencia quedependen ellas mismas de la distanciaque separan las capacidades aguasarriba y aguas abajo.

La naturaleza de algunos de estosparámetros confiere a este fenómenoun carácter muy aleatorio, y parecemuy difícil predeterminar el nivel desobretensión que podrá alcanzarse enuna red dada. Esto queda todavíaagravado por la interacción que puedeproducirse entre las fases.

Bibliografía

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