Tesis Doctoral: Modelizacin de Interruptores Elctricos de Potencia

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Todas ellas podrn ser investigadas en menor o mayor medida, ya que todas ellas son

vlidas dentro de ciertos lmites de aplicacin, pero lo que aqu se est buscando es poner luz al empleo de nuevas tcnicas de simulacin, ms all de la investigacin fsica del hecho en s; es decir, dejar de lado tcnicas exclusivamente de grandes laboratorios que se guardan con sumo recelo y expandir su uso hacia otros ambientes de investigacin y acadmicos ya que en ellos el desinters econmico potencia las aplicaciones que luego sern la base para analizar el funcionamiento de los SEP en las compaas elctricas y en las casas de altos estudios. 1.3.- OBJETIVO GENERAL DEL TRABAJO Dentro de este marco, el objetivo general del trabajo es realizar aportes en el campo de la modelizacin del interruptor de potencia buscando reproducir lo ms fielmente posible lo que ocurre en la realidad y desarrollar una tcnica de aplicacin que sea metdica para su empleo en otros tipos de interruptores y a otros niveles de tensin. Adems debe brindar la capacidad de ser utilizado y comprendido por cada usuario de algn software de simulacin y de aquellos profesionales encargados de gestionar el funcionamiento de un sistema de potencia. De acuerdo a lo anterior el enfoque que se aplica para este trabajo es desarrollar una herramienta de anlisis capaz de ser utilizada slo en base a observaciones y mediciones exteriores al interruptor de potencia como nica forma de evitar el conocimiento minucioso de los fenmenos fsicos involucrados con el proceso de corte de la corriente. En este sentido, se elabor todo el trabajo a partir de registros oscilogrficos lo que permiti tambin independizar el anlisis del comando del interruptor ya que ste es propio de cada tipo de interruptor.

Para satisfacer el objetivo general del trabajo se han tenido que cumplir una serie de etapas que se brindan a continuacin:

> Etapa 1: Recopilacin temtica y bibliogrfica para conocer el estado del arte al inicio del trabajo. > Etapa 2: Investigacin de cada una de las posibilidades ms habituales de representacin del interruptor encontradas en la literatura. > Etapa 3: Desarrollo de una metodologa capaz de ser aplicada de forma general a la simulacin de interruptores en ordenadores personales a partir de datos de ensayos. > Etapa 4: Comprobacin y verificacin de los modelos matemticos existentes. Propuesta y desarrollo de una nueva forma de interpretar los parmetros elctricos involucrados en ellos. > Etapa 5: Extensin de la metodologa hacia otros tipos de interruptores y otras tensiones nominales. Verificacin del proceso mediante la realizacin de ensayos de laboratorio. > Etapa 6: Mejoramiento final de todo el proceso de simulacin.

Captulo 1: Introduccin General

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> Hexafluoruro de azufre (SF6): es un gas pesado, incoloro y no txico, con una rigidez dielctrica tres veces la del aire causada por los tomos extraordinariamente electronegativos del fluor. Bajo el efecto de la temperatura del arco el SF6 se disocia en tomos de fluor y azufre. Estos capturan los electrones portadores de carga de la corriente hasta lograr el corte de la corriente y luego el gas se regenera por enfriamiento obtenindose as el apagado del arco. Existen diferentes tipos llamados de simple o doble presin, de arco rotante, autosoplante; diferenciadas por el mtodo empleado para mejorar la accin del SF6 sobre el arco elctrico.

1.2.- JUSTIFICACIN E IMPORTANCIA DEL TRABAJO El campo de aplicacin de cada tipo de interruptores se ve limitado en su mayora por la tensin a la que pueden operar y hasta que se desarrollen nuevos tipos se puede decir que el interruptor en base al SF6 est ganando la carrera en cuanto a ampliar su utilizacin y esta es una de las razones por la cual se ha escogido trabajar con este tipo de interruptores. Adems, es actualmente aquel que est siendo sometido a estudio en diversas compaas, laboratorios y por ltimo en distintas universidades [2-4]. A su vez, el papel que ha comenzado a jugar el ordenador para la planificacin, operacin y mantenimiento de grandes Sistemas Elctricos de Potencia (SEP) con su principal ventaja de que en l nada se quema ni se rompe y que casi todo tiene solucin, si es que el operador esta capacitado, potenciado esto por la aparicin de numerosos programas de simulacin [2,5,7,8,12-22] de utilidad indiscutible, han expandido el mbito de estudio a otros estamentos no slo a laboratorios y grandes empresas. Esto tiene su consecuencia en que el operador del sistema se encuentra en una encrucijada vital que es saber ...que pasa si...????; y es ah donde entra en juego la simulacin por ordenador de los componentes del sistema de potencia. Para ello hay que contar con un conocimiento cabal del funcionamiento del SEP y de los modelos matemticos que se utilicen para representar cada uno de sus componentes y por sobre todo, su campo de validez y las limitaciones propias de cada modelo de forma de no caer en situaciones errneas [5,7,12-25]. Sumado a lo anterior, la rapidez del fenmeno del corte de corriente, aun ms en interruptores de SF6 - del orden de dcimas de microsegundos -, y lo costoso de un ensayo real en condiciones de cortocircuito sobre el interruptor varios miles de dlares estadounidenses por da de trabajo, aparte de la escasa cantidad de laboratorios de alta tensin con equipamiento disponible para estos ensayos, unos siete en todo el mundo y an as hay limitaciones en la potencia necesaria para realizarlos -, trae consigo la necesidad de contar con una metodologa capaz de verificar el funcionamiento en cada una de las innumerables posibilidades a la que se encuentra sometido un interruptor, de forma de poder predecir su eficacia al momento de despejar una falla o de maniobrar con un elemento del circuito [5,7,12,14,24-27]. Como se ver en el desarrollo de este trabajo, existen numerosas posibilidades para la representacin de un interruptor de potencia originadas en el software utilizado, en el rango de tensin o en el grado de perfeccionamiento del modelo matemtico que se desee emplear [12-14,18-23,28-30].

Tesis Doctoral: Modelizacin de Interruptores Elctricos de Potencia

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TENSIONES NOMINALES Y TIPO DE INTERRUPTORES

TECNICA TENSIONES EN [kV]

DE CORTE 0 1 3 12 24 36 72,5 245 765 Aire

Aceite Aire comprimido.

SF6 Vaco

Semiconductores. FALTA DESARROLLO Ideal NO EXISTE Figura N1-1: Relacin entre tensin nominal y tipo de interruptor.

Como se ha mencionado existen distintos tipos de interruptores de potencia [1-8], a saber:

> Aire libre: El proceso de interrupcin del arco se basa en la desionizacin natural de los gases por la accin refrigerante del aire circundante que se encuentra a menor temperatura. Para facilitar el corte de corriente se somete al arco a un proceso de estiramiento con el fin de aumentar su resistencia y favorecer su enfriamiento. Tambin se pueden emplean diversos mtodos para facilitar el corte como son la divisin y la constriccin del arco. > Aceite: aqu se incluyen los interruptores de gran volumen como los de pequeo volumen ya que ambos tienen el mismo proceso de interrupcin de la corriente: los contactos se encuentran inmersos en aceite y al comenzar a separarse, el arco elctrico que se forma vaporiza el aceite y lo descompone en hidrgeno, metano y etileno; enfriando energticamente la columna del arco, consiguindose as al apagado del arco. > Aire comprimido: Estos interruptores basan su accin en soplar el arco que se forma entre los electrodos mediante la apertura de una vlvula de aire comprimido que estira y enfra el arco. El sentido del flujo de aire los divide en de soplo axial, radial o cruzado. > Vaco: Estos interruptores poseen los contactos inmersos en una cpsula con alto vaco que es el encargado de apagar el arco elctrico debido a la altsima rigidez dielctrica que alcanza el aire a una presin de 10-4 10-5 [Pa]. Existen combinaciones en serie de hasta cinco cmaras con lo cual se logra alcanzar tensiones de 132 [kV]. > Semiconductores: En teora, el semiconductor se aproxima mucho ms que el arco elctrico, al paso por cero de la corriente y cambiar de sentido, al interruptor ideal. La resistencia elctrica de un semiconductor es reducida cuando la corriente circula en sentido convencional (anodo-ctodo) y prcticamente infinita, dentro de ciertos lmites, cuando circula en sentido contrario; ste hecho es el que alienta la investigacin de interruptores de este tipo aunque solo se trate de teora para interruptores de potencia.

Captulo 1: Introduccin General

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CAPTULO 1:

Introduccin General 1.1.- INTRODUCCIN En la actualidad el continuo crecimiento del consumo de energa elctrica [1-3] y el necesario cumplimiento de las exigencias propias del mercado y de los Entes Reguladores, obliga a las compaas prestadoras del servicio elctrico a mejorar da a da la calidad de la energa entregada y a un paulatino incremento del rea de servicio abarcada; trayendo consigo un continuo aumento de la longitud de las lneas de transmisin y su necesaria interconexin para asegurar un ptimo abastecimiento de la demanda. Existe un elemento que es comn a todos los sistemas de energa, renovables o no, en baja o en alta tensin, en corriente alterna o corriente continua, en la generacin, transmisin o distribucin; usado como elemento de proteccin o de interconexin: un interruptor de potencia es un dispositivo cuya funcin consiste en interrumpir y/o restablecer la conduccin de corriente en un circuito elctrico. Este cambio de estado se puede efectuar bajo carga, para despejar por ejemplo una falla; o bien por razones de servicio para conectar o desconectar cualquier tipo de equipo elctrico o lnea de transmisin [1-8]. El comportamiento de los interruptores en un sistema de potencia, independientemente del tipo del que se trate, es de suma importancia pues la corriente que los suele atravesar, puede ser de naturaleza capacitiva (lneas en vaco, maniobras con bancos de capacitores), resistiva o inductiva (como lo son la mayora de las cargas) [5,9-11]. Por su capacidad, por su tensin de operacin o por su clase, se pueden clasificar de distintas maneras, pero como regla general se agrupan segn la tecnologa empleada para apagar el arco elctrico que se forma entre los contactos cuando comienza la operacin de apertura o termina la operacin de cierre. En otras palabras, se puede decir que existe una correlacin entre tensin y tipo de interruptor que se muestra en la figura 1-1, y tambin entre el avance de la tecnologa y la capacidad del interruptor tal como se muestra en [2-4,10].