El Tablero de Media Tensión Inteligente AX1 Leif Lundin, Manager de Investigación y Desarrollo, Division Media Tensión y Subestaciones Compactas, ABB Distribution, Sweden (Artículo Traducido por el Ingeniero Pablo Rosenfeld) Resumen El recientemente lanzado tablero de media tensión AX1, representa una nueva y funcional alternativa de arquitectura de tablero, que utiliza nuevas tecnologías sin las limitaciones de los antiguos componentes. Además de la incorporación de software inteligentes, tiene otras ventajas como su diseño compacto, fácil instalación, confiabilidad de servicio y gran seguridad para los operarios. AX1 puede instalarse con un carro conteniendo una sistema de baterías para la energía auxiliar. Los reles de protección y botones de operación son remplazados por computadoras que contienen todas las protecciones, operaciones y enclavamientos entre los aparatos en el tablero. El moderno sistema de control requiere menos cables que los anteriores. La filosofía básica para la arquitectura del tablero es mantener todas las partes con media tensión en un compartimiento separado y todas las partes mecánicas y auxiliares accesibles afuera del compartimiento de media tensión. Las partes a las que se necesita acceder como auxiliares y actuadores del interruptor son bajo éste concepto accesibles en forma fácil y segura, incluso también cuando las barras de media tensión se encuentran vivas y el interruptor está cerrado. El tablero tiene un sistema especialmente diseñado y muy rápido de “Extinción de Arco”. Este concepto es diseñado para una simple y rápida instalación. Los módulos tienen puertas corredizas, manteniendo el área de operación libre para los operarios y limitanto el espacio requerido. 1. Una nueva arquitectura de tablero para modernas

tecnologías 1.1 Filosofía La norma IEC 60298 para tableros “metal-enclosed” de maniobra y cotrol, 1-52 KV, define tres tipos de arquitectura diferentes: metal-clad, compartimentado, y módulos de maniobra y control. Con el nuevo tablero AX1, una nueva arquitectura es introducida, no definida aún por la norma. Las definiciones de metal clad y compartmented tableros –tableros con diferentes compartimientos para al menos el interruptor, la barra colectora y la conexión de cables- es basada en las antiguas tecnologias con antiguos componentes de media tensión, los cuales necesitaban acceso regular para mantenimiento. La función básica de los compartimientos separados es proteger al personal de contacto accidental con partes vivas cuando se realizan operaciones de mantenimiento en otras partes del circuito principal. Una segunda función, no considerada por la norma IEC, pero a menudo requerida, es limitar las fallas y los severos daños producidos por fallas en caso de arco interno. La verificación de éstos límites no está definido por ningún ensayo según norma. Ambas funciones,

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son, sin embargo, resueltas en forma completamente diferente, por el tablero AX1.

1.2 Compartimiento separado de media tensión para el circuito principal La idea basica de la nueva arquitectura del tablero es instalar todas las partes del circuito principal en un compartimiento separado con acceso limitado para el personal. Los modernos componentes de media tensión normalmente no necesitan mantenimiento y fácil acceso, excepto posiblemente los actuadores. El compartimiento del circuito principal del AX1 forma, en realidad, una fuerte encapsulasión del mismo. El acceso a ésta encapsulación es sólo posible a través de una pared atornillada, la cuál es parte del compartimiento del interruptor. La ventaja de que el compartimiento de media no tenga una puerta regular es una muy segura protección para el personal que trabaja frente al tablero. Esto significa protección tanto hacia una acceso accidental o contra el resultado de una falla de arco interno. El ensayo para probar la seguridad de un tablero en caso de falla interna no es válido en caso de que una puerta se encuentre abierta. El compartimiento del circuito principal es común para todos los módulos en el corte del tablero. Este layout tiene varias ventajas: fácil instalación, mejor enfriamiento, mejor rigidez dieléctrica y una solución más compacta. También significa una menor presión interna en caso de un arco interno. Cualquier daño creado por un arco es evitado eficientemente por el Eliminador de Arco, ver abajo.

1.3 El compartimiento del actuador hace accesible al interruptor La experiencia con interruptores de SF6 o vacío indica que la única parte del interruptor que puede necesitar acceso para mantenimiento es el actuador mecánico. Todos los actuadores son fácilmente accesibles dentro del compartimiento separado del AX1. El acceso a cualquier parte de un interrptor en un tablero metal-clad, es imposible sin extraer el interruptor del compartimiento. Esto significa que el circuito tiene que ser abierto, así también como el compartimiento de media tensión del tablero. El compartimiento separado del actuador lo hace posible de mantener. Todas las partes auxiliares de los interruptores y seccionalizadores estan completamente afuera del compartimiento del circuito principal. Los polos de los interruptores SF6 son también accesibles desde el compartimiento del actuador para recargar el gas, incluso con el interruptor en servicio. Con equipamiento moderno esto no resulta necesario pero posblemnte sea favorables en algunos casos. Un nombre adecuado para éste tipo de instalación del interruptor es Interruptor Accesible, puesto que todo el interruptor resulta siempre accesible para la mayoría de los casos de mantenimiento. Los polos dentro del compartimiento del circuito principal están conectados con contactos plug-in con las barras colectoras y pueden ser cambiados despues de desenergizar las barras colectoras. Esto, sin embargo es un muy raro caso de mantenimiento.

1.4 Compartimientos estandarizados de control El compartimiento de control está localizaqdo arriba del compartimiento del actuador. AX1 es controlado y operado a través de una computadora con diferentes alternativas de software.

Actuador para el switch seccionalizador/tierra.

Actuator for circuit-breaker

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La moderna tecnología junto con las funciones definidas por el software hacen posible estandarizar los cableados y hacer todo el diseño requerido en el software. Todos los cables son prefabricados antes del ensamblado en la fábrica. Esto mejora la calidad final y simplifica el mantenimiento futuro. El cableado total resulta fuertemente reducido comparado con otras tecnologías convencionales.

El sistema de baterías está montado sobre un carro extraíble en el panel de soporte.

1.5 Módulo de soporte como interface externa con una fuente de tensión auxiliar integrada

Todas las conecciones exteriores para control están concentradas en un sólo módulo, algunas veces equipado para funciones especiales como medición de ingresos. Este módulo puede también ser equipado con un carro con baterías para alimentación auxiliar. La unidad de carga y control de las mismas está integrada en el carro. Esto ofrece una solución muy compacta para muchos casos, debido a que no es necesario un lugar especial para éste equipamiento. 2. Alta confiabilidad de servicio y máxima seguridad para

los operarios La confiabilidad de servicio y seguridad para los operarios son ,en muchos aspectos, dos caras de la misma moneda – Problemas ocurridos sobre alguno de los dos aspectos frecuentemente implican uno del otro. Algunas características del concepto del AX1 contribuyen especialmente para lograr una gran confiabilidad y seguridad. 2.1 Operación eléctrica y enclavamiento con monitoreo

integrado La operación más segura posible es la operación eléctrica remota, la cuál es una característica estándar de los interruptores y seccionalizadores. Las operaciones también pueden ser realizadas localmente, pero siempre eléctricamente. Esto significa que también los enclavamientos entre dirferentes aparatos son eléctricos, siendo una parte del software para operación y control. El seccionalizador reemplaza el sistema mecánico de extracción del interruptor, comparado con los tableros metal-clad. Un seccionalizador es generalmente un componente más confiable que el más complicado sistema mecánico. El seccionalizador y el interruptor cooperan en la operación de puesta a tierra. El seccionalizador primero desconecta al interruptor de la barra colectora y lo conecta a la barra de tierra.del tablero. Esto se hace, por supuesto, con interruptor abierto. Luego, el interruptor es cerrado y conectado el cable con la barra de tierra. El interruptor es un muy confiable interruptor de puesta a tierra, capaz de realizar un gran número de operaciones de cierre con gran corriente de cortocircuito. Toda la secuencia de operación es realizada automáticamente con un comando. Puesta a tierra de la barra colectora es un muy raro caso para éste tablero, ya que todas las partes

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importantes para el mantenimiento son accesibles desde el exterior. Todas las funciones eléctricas tienen un alto grado de control.

Campos electromagnéticos uniformes logran un diseño compacto con poco espacio entre distintas fases.

2.2 Tecnología Bus-bar para alta confiabilidad de servicio y dimensiones compactas

AX1 es un tablero aislado con aire para un máximo de 24 KV, de aproximadamente el mismo tamaño que los aislados con gas para los mismos valores técnicos. Las dimensiones totales han sido minimizadas gracias a la optimización del diseño desde el punto de vista del dieléctrico. La barra colectora está hecha con tubos de cobre, teniendo la geometría ideal para un campo dieléctrico para la mejor conductividad por unidad de superficie Las conecciones son fundidas o por un diseño especial de conexión con un resorte helicoidal con muy poca resistencia total. De ésta forma, la dependencia del montaje y envejecimiento de la conexión con tornillos es evitada. Las barras colectoras están construídas a partir de tubos circulares, teniendo el campo eléctrico ideal y la más eficiente capacidad de transporte de corriente. Las conexiones entre tubos son fundidas o realizadas por unos especial y flexibles contactos con resortes. Ambos tipos de contactos son más confiables que los convencionales con tornillos, los cuáles dependen de la calidad del ensamblado y son afectados por temperaturas cíclicas y saturación del material Los contactos de resorte están construídos como un helicoide con muchas vueltas, resultando en una gran conductividad y flexibilidad. Los contactos están revestidos de plata, engrasados y cubiertos con un burlete protector de goma para incrementar la resistencia a ambientes agresivos. Aún cuando el concepto de las barras colectoras es relativamente nuevo, el contacto con resortes ha sido usado por muchos años en interruptores de media tensión con muy buenos resultados.

El O-ring y la glándula selladora protegen el contacto de resorte bovinado, con un grado de protección IP6X

2.3 Conexiones de cables prebabricadas El antiguo tipo de conexiones de cables fabricadas en el sitio, ha causado muchos flash-overs, cuando no eran realizadas correctamente. Incluso pueden ser destruidas por ratones, si pueden entrar adentro del tablero. AX1 es diseñado sólo para conexiones de cables pre-fabricadas is designed only for pre-fabricated cable connections. Para valores hasta 1250 A inclusive son usadas las regulares conexiones outer-cone. Para corrientes más altas, un nuevo tipo de conexiones plug-in han sido desarrollados Las conexiones con el tablero son de una fase y cubiertas por metal. Esto simplifica el diseño del compartimiento del cable, puesto que no puede originarse un arco en éste compartimiento.

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Outer cone cable termination for max 1250A

Plug-in type >1250A

2.4 Arcos Internos eliminados inmediatamente

El eliminador de arco está integrado en el soporte de las aislaciones de la busbar.

Un arco “abierto” originado por una severa falla en el tablero es básicamente prevenido por un buen diseño del tablero y sus componentes, incluyendo la prevención del ingreso de animales en el compartimiento de media tensión. El peligro para los operarios situados frente al tablero en caso de un arco interno es evaluado por un ensayo especial de acuerdo a la norma IEC 60298. Este no es un ensayo obligatorio, pero cada vez es más demandado por los clientes. Prueba la resistencia de la encapsulación hacia las temperaturas altas y a la consiguiente alta presión causada por los arcos abiertos adentro de ella. No tiene en cuenta los gases tóxicos que se generan por el arco quemando en aire sobre las barras de cobre. Si se permite salir a esos gases (nitrogenados y otros) dentro de la habitación del tablero, ésta se va a convertir en un lugar muy peligroso para los operarios. Tanto el peligro hacia los operarios como el daño del tablero dependen mucho de la duración del arco. El daño térmico es substancialmente limitado, incluso con un tiempo de duración de arco menor a 100 ms, en comparación con una duración de arco de 1 s. Para limitar los daños mecánicos causados por la alta presión del aire interno, la duración del arco debe ser reducida a menos de 10 ms. El tiempo normal para la apertura de los flaps reductores de presión en un tablero a prueba de arcos es 20-40 ms. Esto define la presión máxima, normalmente de 0.5 a 1 bar. El tablero AX1 tiene un extremamente rápido “Eliminador de Arco” , el cual elimina el arco en menos de 5 ms. Un arco es detectado por un sensor óptico y el dispositivo conecta automáticamente la barra colectora a tierra. La falla de arco es convertida en un cortocircuito normal, el cual es interrumpido de la forma normal. El tablero es diseñado para soportar el cortocircuito y la mínima duración del arco, no causa ni presiones altas ni daños térmicos. Esto significa también, que no hay ningún tipo de peligro de gases tóxicos en la habitación del tablero y que no se requieren conductos especiales de salida de gases. También significa que no se necesitan diferentes compartimientos para limitar el daño del arco a cierta parte del tablero. El Eliminador de Arco, contribuye, en consecuencia, para lograr un muy simple y seguro diseño de las partes de media tensión, con aislación en aire. El eliminador de arco es un dispositivo estándar en el AX1, aún cuando el diseño del tablero ha sido probado para soportar una duración de arco interno de 1 segundo. El mismo se puede resetear despues de una operación de cierre.

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Se origina unarco

El arco es detectadopor el sensor dearco

Una señal de disparo es mandadaal eliminador de arco, el cuálempieza a operar

Todas las fases sonconectadas a tierra yel arco es eliminado

La falla es eliminadapor el interruptoraguas arriba.

Secuencia de operación del eliminador de arco activo

2.5 Modernos sensores de tensión y corriente Los sensores de corriente de bovinas Rogowski, son estándar para las mediciones de las protecciones. Estos sensores abarcan todo el rango de corrientes, desde pequeñas hasta corrientes de cortocircuito. Los transformadores de corrientes convencionales, a veces, tienen que ser reconectados para mantener su sensibilidad a las corrientes más altas de la alimentación. Esta operación no es aplicable en los sensores Rogowski, lo cuales contribuyen también a mantener el compartimiento del circuito principal libre de acceso durante el servicio. Para mediciones e indicaciones de tensión divisores resistivos y capacitivos son usados. Estos no tienen hierro, en consecuencia no tienen problemas con resonancia ferrosa. 3. Fácil y rápida instalación en el lugar

Estructura inferior con adaptador para terminal de cable.

3.1 Pre-instalación de compartimientos de cable y conexiones de cables

Un tablero convencional consiste en un número de módulos, montados en el lugar, juntos en fila Después de la instalación del tablero, los cables deberían ser cortados en longitudes apropiadas y conectadas adentro de los módulos. El concepto AX1 posibilita una instalación de otra manera. El módulo básico del AX1 no tiene el compartimiento de conección de cables. Esto es creado con una estructuras de perfiles de aluminio, enviados en paquetes compactos al lugar. La estructura puede estar completamente montada antes del envío de los módulos. Una simple herramienta está disponible para indicar el lugar preciso donde se encuentran los puntos de conexión de los módulos. De ésta forma, la conexión prefabricada de cable puede ser montada completamente con anterioridad y luego ser conectada rápidamente a los módulos después de su instalación. 3.2 Rápida instalación de módulos con barras colectoras

plug-in y cableado y software pre-ensayados El ensamblado de los módulos en la estructura plana pre-montada es muy simple. La conexión de las barras colectoras plug-in es fácil de realizar y los cables auxiliares están también preparados con contactos plug-in. El soft-ware y el cableado son ensayados en la fábrica antes de su envío. Todo esto disminuye el tiempo de instalación del tablero sustancialmente. Junto con los cortos tiempos de envío, posibilitados por el concepto de estandarización, el tiempo total entre una orden y el servicio puede ser reducido mucho.

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4. Tablero compacto aislado con aire El diseño general del compartimiento del circuito principal con barras colectoras tubulares resulta en un tablero muy compacto, comparable con los diseños aislados con gas, aún cuando es aislado con aire. Una habitación de un tablero necesita espacio no sólo para el tablero en sí sino también para proveer un trabajo seguro a los operarios. Diferentes regulaciones especifican el espacio necesario para extracción de interruptores y escape seguro de la habitación en caso de una falla seria. Las puertas normales abren hacia el área de operación y pueden hacer peligrar las posibilidades de escape. Lo mismo pasa con los carros de los interruptores, dejados en frente del tablero. El concepto AX1 da acceso a las partes importantes de los interruptores, incluso adentro del tablero. También tiene puertas corredizas verticales, las cuales nunca interferirán con el área de operación. El resultado es una disminución del espacio total requerido y aumento de la seguridad de los operarios. Las puertas corredizas posibilitan también dan una examinación y hacen el trabajo más fácil. 5. Diseño con cuidado medioambiental Un factor muy importante para el diseño de nuevos productos es minimizar el impacto ambiental del producto para todo su ciclo de vida. Esto significa que el material debe ser reciclable y que la cantidad de energía necesaria para la producción y uso (pérdidas durante el servicio) deben ser minimizadas. Durante la última década, diferentes algoritmos han sido desarrollados para informarse de ésto, llamados Life Cycle Assessment, LCA. Cada análisis es hecho mediante diferentes enfoques y con diferentes detalles. En concecuencia, no es posible presentar un solo valor de la carga ambiental para cierto producto. Los cálculos, sin embargo, son muy útiles para comparar entre diferentes alternativas de diseño para un producto, y la información de diferentes productos alternativos son comparables, si fue obtenida con las mismas condiciones. AX1 ha sido desarrollado con LCA, como una herramienta para elegir el material y la tecnología. La solución general compacta contribuye en gran parte con la baja carga ambiental, comparado con tableros convencionales. Como resultado de los análisis, barras colectoras aisladas fueron evitadas, para hacer el material reciclable. Un hecho interesante es que el aluminio usado en los perfiles en el frente y la estructura, tiene una baja carga ambiental comparado con otros, si es reciclable, pero un alto impacto si no es reciclable. Esto es debido a la relativamente alta cantidad de energía necesaria para hacer aluminio con bauxita y a la baja cantidad de energía que se necesita para fundir el aluminio cuando se lo recicla. Es también obvio desde un LCA, que las pérdidas de energía del tablero, contribuyen substancialmente con la carga ambiental total. “from the cradle to the grave”. Esto da un bonus extra por la gran capacidad de transporte de corriente y también por alimentadores lower rated, esto es el resultado de una consistente estandarización del AX1 con un mínimo de diferentes variantes de barras.

Desperdicio

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