Disyuntores de vacío de alta tensión: diseño y principio de funcionamiento

Entre los equipos modernos de alto voltaje diseñados para cambiar circuitos eléctricos en electricidad, se asigna un lugar especial a los interruptores automáticos de vacío. Son muy utilizados en redes de 6 a 35 kV y con menos frecuencia en esquemas de 110 o 220 kV inclusive.

Su corriente de corte nominal puede ser de 20 a 40 kA, y su resistencia electrodinámica es de aproximadamente 50 ÷ 100. El tiempo total de disparo o falla de dicho interruptor automático es de aproximadamente 45 milisegundos.

Cada fase del circuito está separada de manera confiable por aisladores y, al mismo tiempo, todo el equipo está ensamblado estructuralmente en una unidad común. Las barras de la subestación se conectan a los terminales de entrada del interruptor y la conexión de salida a los terminales de salida.

Los contactos de potencia operan dentro del interruptor automático de vacío que se presionan para proporcionar una resistencia de contacto mínima y un paso confiable de las corrientes de carga y de emergencia.

La parte superior del sistema de contacto está permanentemente fija, y la parte inferior, bajo la acción de la fuerza motriz, puede moverse estrictamente en la dirección axial.

La imagen muestra que las placas de contacto están ubicadas en una cámara de vacío y son accionadas por varillas controladas por las fuerzas de tensión de los resortes y bobinas de los electroimanes. Toda esta estructura está ubicada dentro de un sistema de aisladores, excluyendo la ocurrencia de corrientes de fuga.

Las paredes de la cámara de vacío están hechas de metales purificados, aleaciones y composiciones cerámicas especiales que aseguran la hermeticidad del ambiente de trabajo durante varias décadas. Para excluir la entrada de aire durante los movimientos del contacto móvil, se instala un dispositivo de manga.

La armadura de un electroimán de CC puede moverse para cerrar los contactos de potencia o romperlos debido a un cambio en la polaridad del voltaje aplicado a la bobina. Un imán circular permanente integrado en la estructura de accionamiento mantiene la parte móvil en cualquier posición accionada.

El sistema de resortes asegura la creación de velocidades de movimiento óptimas de la armadura durante las conmutaciones, la exclusión de rebote de contacto y la posibilidad de colapsos en la estructura de la pared.

Los circuitos cinemáticos y eléctricos con un eje de sincronización y contactos auxiliares adicionales están ensamblados dentro del cuerpo del interruptor, lo que brinda la capacidad de monitorear y controlar la posición del interruptor en cualquier estado.

Cita

En términos de sus tareas funcionales, el interruptor de vacío no difiere de otros análogos de equipos de alto voltaje. Proporciona:

1.Paso confiable de la potencia eléctrica nominal durante la operación continua;

2. la posibilidad de conmutación de equipos garantizada por personal eléctrico en modo manual o automático durante la conmutación operativa para cambiar la configuración del circuito de trabajo;

3. Eliminación automática de accidentes emergentes en el menor tiempo posible.

La principal diferencia entre el interruptor automático de vacío es el método de extinción del arco eléctrico que se produce cuando los contactos se desconectan durante el apagado. Si sus análogos crean un entorno para aire comprimido, aceite o gas SF6, aquí funciona el vacío.

El principio de extinción de arco en el circuito de potencia.

Ambas placas de contacto operan en un entorno de vacío formado por el bombeo de gases desde el recipiente del conducto de arco a 10-6÷10-8 N/cm2. Esto crea una alta rigidez dieléctrica caracterizada por propiedades dieléctricas mejoradas.

Con el inicio del movimiento del accionamiento de los contactos, aparece un espacio entre ellos, que inmediatamente contiene un vacío. En su interior, comienza el proceso de evaporación del metal calentado de las almohadillas de contacto. La corriente de carga continúa fluyendo a través de estos pares. Inicia la formación de descargas eléctricas adicionales, creando un arco en un ambiente de vacío, que continúa desarrollándose debido a la evaporación y liberación de vapores metálicos.

Bajo la acción de la diferencia de potencial aplicada, los iones formados se mueven en una dirección determinada, creando un plasma.

En su entorno, el flujo de corriente eléctrica continúa, se produce una mayor ionización.

Dado que el interruptor funciona con corriente alterna, su dirección durante cada medio ciclo se invierte.Cuando la onda sinusoidal cruza cero, no hay corriente. Debido a esto, el arco se extingue y rompe abruptamente, y los iones metálicos rechazados dejan de separarse y en 7-10 microsegundos se depositan por completo en las superficies de contacto más cercanas u otras partes de la cámara de extinción del arco.

En este punto, la rigidez dieléctrica del espacio entre los contactos de potencia, llenos de vacío, se restablece casi de inmediato, lo que asegura el cierre final de la corriente de carga. En el siguiente medio ciclo de la onda sinusoidal, el arco eléctrico ya no puede ocurrir.

Así, para terminar la acción de un arco eléctrico en un ambiente de vacío, cuando los contactos de potencia están abiertos, es suficiente que la corriente alterna cambie su dirección.

Características tecnológicas de los diferentes modelos.

Los disyuntores de vacío están diseñados para un funcionamiento continuo al aire libre o en estructuras cerradas. Las unidades de montaje externo se fabrican con postes sólidos hechos con aislamiento de silicona y para el trabajo interno se utilizan compuestos epoxi fundidos.

Las cámaras de vacío se fabrican móviles en la fábrica, configuradas de manera óptima para su instalación en una carcasa moldeada. Los contactos de potencia hechos de tipos especiales de aleaciones ya están colocados en su interior. Ellos, gracias al principio aplicado de operación y diseño, proporcionan una extinción suave del arco eléctrico, excluyen la posibilidad de sobretensión en el circuito.

En todos los diseños de interruptores automáticos al vacío se utiliza un actuador electromagnético universal. Mantiene los contactos de alimentación en estado cerrado o apagado debido a la energía de potentes imanes.

La conmutación y fijación del sistema de contactos se realiza mediante la posición del «pestillo magnético», que conmuta la cadena de imanes para reconectar o desconectar el inducido móvil. Los elementos de resorte incorporados permiten la conmutación manual por parte del personal eléctrico.

Para controlar la operación del interruptor de vacío, circuitos de relé típicos o electrónicos, unidades de microprocesador, que pueden ubicarse directamente en la carcasa del variador o fabricarse desde dispositivos remotos en gabinetes, bloques o paneles separados.

Ventajas y desventajas de los interruptores automáticos de vacío.

Beneficios incluidos:

• relativa simplicidad de diseño;

• consumo reducido de electricidad para la producción de interruptores;

• conveniencia en la reparación, que consiste en la posibilidad de reemplazo en bloque de un conducto de arco roto;

• la capacidad del interruptor para operar en cualquier orientación en el espacio;

• alta fiabilidad;

• mayor resistencia a las cargas de conmutación;

• tamaños limitados;

• resistencia al fuego y explosión;

• funcionamiento silencioso al cambiar;

• Alto respeto al medio ambiente, excepto por la contaminación atmosférica.

Las desventajas del diseño son:

• corrientes permisibles relativamente bajas de modos nominales y de emergencia;

• la aparición de sobretensiones de conmutación durante las interrupciones de corrientes inductivas bajas;

• recurso reducido del dispositivo de arco en términos de eliminación de corrientes de cortocircuito.