Tecnologías de Corte ....

Corte al aire.Corte en aceite.Corte en SF6.Corte en vacío.Semiconductores.

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Para interrumpir una corriente es necesario que el elemento de corte pase de tener una impedancia prácticamente nula a una impedancia infinita, convirtiéndose en un aislante que impida la circulación de corriente. En corriente alterna la situación ideal se produce al paso por cero de la corriente, separando los contactos a una distancia tal que se tenga una tensión de restablecimiento que impida la formación del arco. En la práctica, ningún dispositivo es tan rápido para cortar en el paso por cero, por lo que se produce un arco que se debe eliminar lo antes posible mediante la desionización del medio y el aumento de la tensión de restablecimiento del arco.

El arco eléctrico genera una descarga capaz de producir por si misma la cantidad de iones y electrones necesarios para mantener la circulación de corriente en el seno de una masa gaseosa.

Cuando los contactos están cerrados, la presión entre sus piezas hace que la superficie de contacto sea máxima y la densidad de corriente mínima. Al producirse la separación la superficie disminuye y la densidad aumenta, atravesando la corriente la fina capa de aire entre contactos, produciendo un aumento rápido de su temperatura que da lugar al resplandor azulado de la chispa y teniendo al mismo tiempo un intenso campo eléctrico entre contactos que puede producir una fuerte emisión de electrones. Si la corriente es fuerte, el calentamiento alcanzado puede fundir y volatilizar el metal de los contactos, haciendo conductora la chispa y transformándola en arco, que se manifiesta como una columna gaseosa incandescente de trayectoria aproximadamente rectilínea entre los electrodos, con temperaturas en su núcleo del orden de 6000 a 10000ºC.

Existen diferentes medios en los que se realiza el corte, variando su utilización en función de las características del circuito de instalación.

 

Corte al aire.

Ruptura brusca.Laminado de arco.Soplado neumático.Soplado magnético.

El aire a presión atmosférica constituye el aislante mas empleado ya que sus ventajas son evidentes: mantiene sus propiedades dieléctricas, se renueva constantemente y no cuesta nada.

Su rigidez dieléctrica a presión normal y 25ºC es del orden de 30 kV/cm, correspondientes a un valor eficaz de 21 kV/cm. Como esta rigidez dieléctrica es proporcional a su densidad, en caso de instalarse en alturas elevadas se debe tener en cuenta esta disminución de rigidez.

Como el único medio de extinción disponible en un principio era el aire, se trató por diferentes medios de mejorar las características de los interruptores para aumentar su velocidad y aprovechar las características del medio de extinción disponible.

El proceso de interrupción en los interruptores de corte al aire se basa en la desionización natural de los gases por una acción refrigerante, con lo que al disminuir la temperatura, la tensión necesaria para el mantenimiento de la ionización aumenta, lo que junto al aumento de resistencia del arco obtenida por su alargamiento durante la separación de contactos, logra la interrupción al paso por cero de la corriente.

Para reforzar la acción desionizante y refrigerante del aire se recurre a diferentes métodos que dieron lugar a diferentes técnicas de ruptura en aire.

 

 

Ruptura brusca.

Fue la primera técnica utilizada, y se basa en la desionización del arco por enfriamiento del aire. El arco, bajo los efectos de los campos magnéticos y las

corrientes del aire tiende a encorvarse y alargarse, siendo mayor esta tendencia cuanto mayor sea la duración del mismo. Si se produce la apertura a elevada velocidad se reduce la ionización del aire y se incrementa la regeneración dieléctrica y el poder de corte del interruptor.

El proceso de apertura se produce a través de un resorte acumulador de energía y su velocidad es independiente de la velocidad de maniobra del operador.Normalmente se sirven de dos contactos por polo, contacto principal y contacto secundario o apagachispas, de modo que en la maniobra de apertura se produce primero la separación de los contactos principales, manteniendo el circuito cerrado a través de los contactos secundarios, que en determinado momento de la maniobra se abren a gran velocidad, interrumpiendo el circuito. De este modo se evita el desgaste de los contactos principales ya que el arco se produce entre los apagachispas.

Con este método únicamente se consigue interrumpir intensidades próximas a la intensidad nominal para las que ha sido diseñado el interruptor.

Laminado de arco.

Un método para desionizar el aire e incrementar su regeneración en el proceso de extinción del arco consiste en laminarlo entre dos placas aislantes gasógenas, que al ser barridas por el arco se descomponen dando origen a la formación de una gran cantidad de gases que absorben el calor del arco y producen un incremento de la presión en el medio circundante, lo cual genera un aumento de la tensión del arco y un efecto de soplado sobre el mismo.

Las placas de material gasógeno se fabrican a base de resinas de urea, como la melamina o metracrilato de metilo, plexiglás, y no deben hacerse conductoras al ser barridas por el arco.

Soplado neumático.

Se basa en "soplar" aire en la zona del arco, alargando y enfriando el mismo. Normalmente el barrido se produce por autocompresión de un determinado volumen de aire por medio de un pistón incorporado en el diseño del interruptor, que en el movimiento de apertura lo comprime y libera dirigiéndolo a la zona de arco, o por medio de aire a presión suministrado por una instalación auxiliar, liberado al producirse la apertura del interruptor. El aire fresco aportado enfría el arco y lo alarga, aumentando su resistencia y provocando la desionización del medio, lo que junto a la rápida separación de los contactos impiden el reencendido del mismo.

En grandes instalaciones se utilizaban equipos auxiliares de aire comprimido que actuaban al producirse la apertura del circuito.

 

Soplado magnético.

Con este sistema se trata de alargar rápidamente el arco y confinarlo en una cámara de extinción de material aislante de gran capacidad calorífica, por la acción de un campo magnético excitado por la propia corriente a interrumpir.

En serie con los contactos del interruptor de conecta una bobina de soplado constituida por un núcleo y varias espiras, produciendo un campo magnético. El arco produce un campo magnético a su alrededor que se repele con el de la bobina, con lo que se desplaza, alargándose al mismo tiempo, hacia la cámara aislante de extinción.

El arco se conduce desde los contactos hasta la cámara aislante mediante un sistema de "cuernos de arco" que lo hacen ascender y alargan debido al calentamiento del aire circundante y efectos del campo magnético.

 

La misión de la cámara aislante es laminar el arco y enfriarlo al paso por cero de la corriente.

 

Corte en aceite.

Gran volumen de aceite.Pequeño volumen de aceite.

Buscando mejores medios de interrumpir el arco se encontró que el aceite mineral posee excelentes cualidades dieléctricas, por lo que se desarrollaron interruptores con tecnologías de corte en aceite, con modalidades de gran y pequeño volumen de aceite.

Al sumergir los contactos en aceite la vaporización y descomposición del mismo produce una gran absorción de energía, enfriando el arco y los contactos. El arco genera temperaturas del orden de 6000 a 8000 ºC, descomponiendo el aceite y formándose hidrógeno, metano etileno y carbono. Estos gases, altamente ionizados forman una burbuja en el seno del aceite, en cuyo interior se desarrolla el arco, alcanzando esta burbuja una temperatura de 500 a 800 ºC. La presencia de hidrógeno, debido a su baja constante de tiempo de desionización y su elevada capacidad térmica hacen que sea un eficaz agente extintor del arco, resultando mas eficaz cuanto mayor sea la presión.

La inmersión de los contactos en aceite no evita la formación del arco, pero consigue, debido a la energía absorbida por la vaporización y descomposición del mismo, enfriar enérgicamente el arco y los propios contactos, con lo que para la misma distancia de separación de contactos la tensión del arco es mayor en aceite que en el aire.

En cualquier caso, hay que hacer notar que el aceite mineral únicamente mantiene sus excelentes cualidades en condiciones adecuadas de pureza, ya que una pequeña presencia de partículas sólidas o humedad hacen disminuir su rigidez dieléctrica notablemente. Para distancias pequeñas entre contactos, la presencia de partículas o humedad hace que se formen bajo la acción del campo eléctrico, cadenas conductoras que causan un pronto cebado del arco. Si la distancia es grande las partículas son atraídas hacia los electrodos, produciéndose una limpieza del aceite entre los mismos.

 

 

Gran volumen de aceite.

Durante el proceso de ruptura la presión en el interior de la cuba cerrada que contiene el aceite se incrementa debido a la descomposición del mismo y formación de gases. El incremento de la longitud del arco conlleva un aumento de la energía desarrollada, con lo que la burbuja de gas aumenta de tamaño y el aceite puede alcanzar la cubierta de la cuba. Ya que la ruptura se produce libremente en el seno del aceite, es fundamental en este tipo de interruptores que el arco quede confinado en el interior de la burbuja gaseosa y no derive hacia otros polos o las paredes de la cuba, por lo que se tendió a aumentar las dimensiones y volumen del aceite. El riesgo de explosión por sobrepresión en caso de cebado del arco y la presencia de hidrógeno libre, además del elevado costo de mantenimiento para controlar la pureza del aceite, cuya descomposición no es reversible y se ve afectada también por el desgaste de los contactos, hizo que se dejara de utilizar esta técnica y se mejorara mediante la tecnología de pequeño volumen de aceite.

 

Pequeño volumen de aceite.

Aprovechando la cualidades del aceite mineral, en este tipo de interruptores la ruptura se produce en el interior de una cámara aislante llena de aceite, para cada polo, construida de modo que los gases producidos por la descomposición del aceite provocan una corriente del mismo hacia el arco, produciendo, con su nueva descomposición un enfriamiento del mismo.

 

Corte en SF6.

Los gases electronegativos tienen propiedades dieléctricas muy superiores a las del aire y los aceites minerales.

La necesidad de nuevos aislamientos en tecnologías para Alta Tensión llevó al desarrollo y estudio de las características de estos gases, entre los que destacó el hexafluoruro de azufre. Sus características hicieron que posteriormente se aplicara en tecnologías de Media Tensión.

En este tipo de interruptores los contactos se hallan situados en el interior de una cuba estanca llena de gas, con diferentes niveles de sobrepresión en función de las características de diseño.

El hexafluoruro de azufre, SF6, es un gas sintético de elevada energía de formación, 262 kcal/mol, altamente estable, que se descompone a partir de los 500 ºC. A temperatura ambiente es un gas pesado, de densidad próxima a 5, inodoro, incoloro y no tóxico. La molécula es simétrica e inerte, estando formada por un átomo de azufre en el centro y seis átomos de flúor a su alrededor, con enlaces covalentes saturados.

La rigidez dieléctrica del SF6 es triple que la del aire y se licua a los 20ºC con una presión absoluta de 22 bar, pero no existe riesgo de condensación para temperaturas superiores a –40ºC con una presión relativa de 3.5 bar. Su coeficiente de transmisión del calor, a presión atmosférica es de 1,6 veces la del aire, por lo que permite una mejor disipación de energía.Esta elevada rigidez dieléctrica hace que las distancias de aislamiento y entre contactos sean menores que en otras tecnologías, con lo que se ha reducido notablemente el espacio requerido por este tipo de instalaciones frente a otras de tipo convencional.Por otro lado, al reducirse estas distancias y tratándose de recipientes herméticos, es necesario disponer de medios de comprobación de la presión de gas o de la rigidez dieléctrica en su interior, y así se ha recogido en el MIE-RAT, exigiendo la instalación de indicadores de presión en cada cuba, o cualquier otro medio que permita comprobar su rigidez dieléctrica, dado que sería peligroso su maniobra en

ausencia de gas producida por causas fortuitas.El arco eléctrico disocia la molécula en átomos de azufre y flúor, siendo captados los electrones liberados por los átomos de flúor, altamente electronegativo, quedando rodeado de una capa de gas no conductora de la electricidad pero si del calor, lo que permite un efectivo enfriamiento.

Al enfriarse el arco por debajo de 6000ºK los electrones libres son absorbidos por el flúor, por lo que, al cesar la corriente, la conductancia en el camino del arco es prácticamente nula. La recomposición de la molécula de SF6, debido a su gran calor de formación, enfría enérgicamente el arco, extinguiéndolo a su paso por cero.

Al descender por debajo de los 3000ºK prácticamente se recompone la totalidad del gas disociado, pudiendo formarse una pequeña cantidad de residuos formados por la reacción de los productos resultantes de la descomposición del gas con partículas arrancadas de los contactos o materiales aislantes del interior.

Para obtener la interrupción del arco, normalmente, se utiliza el método del soplado del gas por autocompresión a través de un pistón asociado al interruptor o por la rotación del mismo y canalización, mediante un adecuado diseño, hacia la zona de generación del arco.

En estos momentos y debido a la degeneración de la capa de ozono, es uno de los seis gases controlados por el Protocolo de Kyoto, con serias reticencias a su uso en diversos países con preocupaciones ambientales (estudios en Dinamarca, Holanda, Austria). Aunque es difícilmente sustituible en subestaciones blindadas subterráneas de alta tensión, instaladas en zonas urbanas, su aplicación en media tensión puede verse comprometida a medio plazo.

Corte en vacío.

La rigidez dieléctrica en un medio de alto vacío es superior a valores de 199 kV/cm. Esta elevada rigidez y el hecho de que el arco en vacío tiene una tensión muy baja debido a que los electrones no encuentran obstáculos en su camino, y al no existir partículas ionizadas de gas entre los electrodos, hicieron que se investigara esta técnica para su aplicación en media tensión.El proceso se centró en el desarrollo de cámaras aislantes que fueran capaces de mantener el vacío permanentemente, en las que se instalan los contactos, manteniendo la.

http://perso.wanadoo.es/hormilec/curso/tecnocorte.htm

Interruptor en SF6 y medio ambiente

Un estudio encuentra al Interruptor de aislación SF6 bueno para el medio ambiente. El gasSF6 (hexafluoruro de azufre) de aislamiento del interruptor de media tensión es menos dañino para el medio ambiente que los elementos asociados, las líneas de alta tensión y transformadores, de acuerdo a un estudio realizado en conjunto por compañías líderes de energía, incluyendo ABB.

ABB participó recientemente en un estudio de ciclo de vida de valoración (LCA, life cycleassessment) para adquirir datos medio ambientales sobre la distribución de energía de media tensión en Alemania.

El estudio fue comisionado como un proyecto en conjunto por ABB, Areva T&D (anteriormente ALSTOM), Siemens, EnBW, E.ON Hanse, RWE y Solvay Fluor.

El estudio LCA establece un perfil medioambiental comparando el aislado en aire y el equipo aislador SF6. Éste muestra que el total de contribución en la distribución de energía que lleva al calentamiento global, es muy bajo, ese equipo de tecnología en el rango de medio voltaje hace solo una contribución menor al efecto invernadero, y las pérdidas óhmicas(calor producido por la resistencia eléctrica) causada mayormente por el uso de cables, recalentamiento de líneas y transformadores, principales contribuyentes en el efecto invernadero.

Según el estudio, esta contribución puede ser reducida significantemente con el uso de los sistemas de aislado SF6 . En suma, las pérdidas óhmicas utilizando el equipo de aislado SF6 es menor en la fase operacional.

El qué y porqué del SF6

El hexafluoruro de azufre no es tóxico, es inerte, y es un gas refrigerante aislador de aire de alta fuerza dieléctrica y estabilidad termal. . Es particularmente aplicable para ambos, equipos de medio y alto voltaje, asimismo como en aceleradores de partículas, rayos X, fundición de equipos de UHF (Ultra High Frecuency) de aluminio y magnesio.

El SF6, es un gas hecho por el hombre, siempre es usado en sistemas eléctricos cerrados y sellados.

Al final del uso de vida del equipo, el gas puede ser recobrado, reciclado y vuelto a usar.

El SF6 también es ampliamente usado en tecnología médica, por ejemplo como agente contraste en examinaciones ultrasónicas, asimismo como oftalmológicas, neumonológicas y enfermedades de oído, entre otras. Tratamiento de pérdida de escucha en infecciones del centro del oído.

Pérdidas Óhmicas

El LCA analizó redes de distribución de energía representativas en zonas urbanas y rurales, y encontraron que un 92 por ciento de la contribución al efecto invernadero de la distribución de energía venía de la pérdida óhmicas en los cables, sobretodo en líneas alta y transformadores. Sólo un 8 por ciento, provenía del equipo.

A los equipos de cualquier tipo se los encontró como causantes de una proporciónrelativamente menor a estas pérdidas, y asimismo, el uso del aislador SF6 y como medio de equipo extinguidor de arco, esta probado que es competitivamente ecológico comparado a otras formas de aislado en aire.

Medioambientalmente el SF6 es la mejor opción

Los conductores de corriente deben ser aislados entre ellos y de su alrededor, y para este propósito el SF6 es tres veces más efectivo que el aislamiento de aire. Usando el SF6 también reduce la cantidad de espacio necesitado para el equipo, y lo protege de influencias ambientales y climáticas.

Sobretodo, los resultados del criterio del LCA, en demanda de energía, potencial decalentamiento global, lluvia ácida y potencial de nitrificación, son significantemente más favorables con los sistemas aisladores de SF6 que los aisladores de aire.

El SF6, como medio aislador, por ejemplo, es 20 por ciento mejor que el aire, en términos de potencial de gas con el efecto invernadero, porque el menor diseño compacto del equipo de aislado SF6 y hasta la energía requerida para los materiales y la producción de sistemas es considerablemente reducida.

http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/2009/11/interruptor-en-sf6-y-medio-ambiente.html

Qué es el SF6 ?

El Hexafloruro de Azufre o SF6 es un gas artificial utilizado ampliamente en los equipos eléctricos de alta tensión. Es incoloro, inodoro, no combustible y químicamente muy estable por lo que a temperatura ambiente no reacciona con ninguna otra sustancia. Su gran estabilidad se basa en el arreglo simétrico perfecto de sus seis átomos de Flúor en torno a su átomo de Azufre central. Es esta estabilidad precisamente lo que vuelve a este gas muy útil en la industria. El SF6 es un excelente aislante eléctrico y puede apagar un arco eléctrico en forma efectiva. Esto lo ha hecho muy popular y por lo tanto pueden encontrarse hoy en día miles de equipos eléctricos alrededor de mundo en media y alta tensión que lo utilizan.

El SF6 en su forma pura no es tóxico ni tampoco peligroso al ser inhalado, sin embargo dado que es casi seis veces más pesado que el aire, en ambientes cerrados desplaza al oxígeno existiendo en consecuencia riesgo de sofocación para las personas.

En qué y cómo se utiliza el SF6 ?

El SF6 es utilizado como gas aislante en subestaciones encapsuladas GIS, como aislante y medio de enfriamiento en transformadores de poder y como aislante y medio de extinción en interruptores de alta y media tensión. Todas estas aplicaciones son sistemas cerrados, muy seguros e idealmente sin posibilidades de filtraciones.

En el caso de los interruptores se requiere que estos tengan la capacidad de interrupir las corrientes de falla de los sistemas eléctricos de potencia para los cuales han sido diseñados. El SF6 cumple efectivamente las funciones de aislante y de medio de extinción debido a su alta capacidad calórica y sus propiedades electronegativas.

Las subestaciones encapsuladas o GIS se encuentran generalmente en zonas urbanas o con restricciones fuertes de espacio. Estas subestaciones reducen el campo magnético en forma considerable y eliminan por completo el campo eléctrico. Esto es una ventaja significativa para los instaladores, personal de mantenimiento y la gente que pueda vivir próximo a una subestación.

El SF6 es utilizado también en otro tipo de aplicaciones. Mezclado con Argón se utiliza como medio aislante en ventanas. El SF6 es también utilizado en la industria metalúrgica, por ejemplo para la purifiación del magnesio. El SF6 puede ser utilizado como agente de extinción de incendios debido a que es no combustible y su alta capacidad térmica.

Para las aplicaciones en eléctricas, el SF6 es utilizado