Subestaciones eléctricas

Electricidad. Circuitos eléctricos. Interruptores de potencia. Formación de mancha anódica. Electrodos en espiral. Rigidez dieléctrica. Cámara vacío

  • Enviado por: Daniel Arturo
  • Idioma: castellano
  • País: México México
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INTRODUCCIÓN

La interrupcion de una corriente en un medio en donde se ha hecho un alto grado de vacio tiene un fenómeno en el que arco se comporta sustancialmente diferente de la interrupcion en otro medio liquido o gaseoso ya que de hecho falta la aportación del gas para la formación del canal gaseoso que se ioniza fuertemente.

En su forma mas simple un interruptor que trabaja con este principio de funcionamiento esta constituido por un recipiente de material aislante como por ejemplo porcelana o vidrio en este recipiente se encuentran montados los contactos fijos y movil, el contacto movil es controlado del exterior por medio de una varilla aislante que se apoya en un dispositivo especial que permite el movimiento. Si se supone que se quiere interrumpir una corriente alterna de un valor relativamente pequeño cuando un contacto se separa del otro que se encuentra potencial negativo se forma un mecanismo del tipo catodico que origina una pequeña descarga hacia el otro contacto que se encuentra a potencial positivo y emite iones positivos bajo la forma de vapor del electrodo del metal que constituye el electrodo mismo, este vapor se forma por efecto de la elevada temperatura en la superficie de la zona interesada del contacto.

Al primer paso de la corriente por su cero el arco se extingue de tal manera que la rigidez dielectrica entre los contactos se restablece rapidamente dad la escasez de particulas conductoras.

INTERRUPTORES EN VACIO PARA MT (13,2 kV)

Los interruptores de potencia de media tensión antiguos, interrumpen la corriente extinguiendo el arco que se produce a l separarse los contactos, mediante el empleo de un medio de extinción que refrigera y deioniza el mismo. Normalmente el arco se extingue por el paso por cero de la corriente. Como medio de extinción se emplea preferentemente aceite, aire y hexafluoruro de azufre.

El interruptor de potencia de vacío, se diferencia de esos interruptores, porque no requiere de un medio de extinción. En contraposición a los arcos de maniobra en aire, SF6 o aceite, en el vacío falta la materia ionizable necesaria para la formación de una descarga térmica de gases. Sin embargo, después de la apertura de los contactos atravesados por una corriente, en el vacío se genera un arco de vapor metálico, al cual para abreviar, de ahora en adelante llamaremos arco en vacío.

El arco en vacío genera por sí mismo, los portadores de carga necesarios para transmitir la corriente a través del vacío, mediante la vaporización del material de los contactos.

Proceso de interrupción en el interruptor

Subestaciones eléctricas
Al separarse los contactos recorridos por una corriente, se genera el arco en vacío debido a la fusión o vaporización explosiva del último punto de contacto, teniendo el arco en el primer momento, un solo pie en el electrodo negativo, la así llamada mancha catódica.

La mancha catódica es una pequeña y limitada región de alta temperatura y presión, desde la cual se emiten iones, electrones y partículas neutras. En la mancha rige una alta densidad de corriente ( >108 A/cm2 ) como así también una temperatura superficial próxima a la de evaporación del material de los contactos.

Las regiones perimetrales de la mancha, representan una fuente intensiva de vapor metálico neutro, el cual es ionizado en el cono de descarga que se genera delante del cátodo. El transporte de la corriente, en un 90% de su valor total, se efectúa mediante electrones. Los iones positivos producen una neutralización de la carga neutra del ambiente motivada por los electrones.

Si la corriente de arco excede un valor limite, dependiendo del tipo de material de los contactos, este arco, el pie del arco ubicado en el cátodo se divide en dos o varias manchas catódicas paralelas.

Podemos tener diferentes formas de arcos en vacío que se diferencian según sean las formas de las mismas:

  • Arco en vacío difuso

  • Arco en vacío contraído en el ánodo y en el cátodo.

  • Formación de la mancha anódica

Estas van a depender de la forma y el material de contacto. No existe un arco concentrado en los interruptores de potencia, al menos para corrientes en el entorno de la corriente nominal. Por ello, la erosión de los contactos durante la operación con corrientes hasta los valores de la corriente nominal, es despreciable.

Arco en vacío difuso

Tiene la siguiente característica, el único electrodo activo es el cátodo. Toda la superficie del ánodo forma una superficie de condensación para las partículas de vapor y los portadores de carga, actuando como un colector.

Si la corriente de arco excede un valor limite, dependiendo del tipo de material de los contactos, el pie del arco ubicado en el cátodo se divide en dos o varias manchas catódicas paralelas.

Sin la influencia de un campo magnético exterior, los pies de los diferentes arcos, se mueven a gran velocidad y en forma desordenada por la totalidad de

la superficie catódica rechazándose mutuamente los puntos vecinos. De esta manera, generan permanentemente un nuevo vapor metálico.

Arco en vacío contraído en el ánodo y en el cátodo

Se forma la descarga en el rango de las corrientes altas, el cual se genera con electrodos cilíndricos de cobre a partir de una intensidad de corriente de 10 kA. En ell arco de vacío contraído, se trata de un arco de vapor metálico de alta presión con caída de la tensión anódica y columna térmica, el cual se genera partiendo de los puntos difusos de las manchas anódicas y el agrupamiento de las manchas catódicas opuestas, formando así un único pie catódico. El ánodo, luego de esta solicitación, presenta nítidas erosiones. En los interruptores para altas corrientes de cortocircuito, la erosión de los contactos y el sobrecalentamiento localizado, se evitan mediante un movimiento forzado y constante de los pies de los arcos.

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Formación de mancha anódica

El arco en vacío contraído se genera partiendo de lo difuso de las manchas anódicas y el agrupamiento de las manchas catódicas opuestas, formando así un único pie catódico. La mancha catódica, es una pequeña y limitada región de alta temperatura y presión, desde la cual se emiten iones, electrones y partículas neutras. En la mancha rige una gran densidad de corriente ( > 108 A/cm2 ) como así también una temperatura superficial próxima a la evaporación del material de los contactos.

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Electrodos en espiral

El recorrido de la corriente que se logra mediante esta forma de los contactos, genera un campo magnético el cual por intermedio de sus vectores tangenciales actúa sobre los pies de los arcos desviando de esta forma el arco en vacío. Los pies de los arcos se desplazan con gran velocidad sobre los contactos. Con ello no solamente se logra una menor erosión general, sino que también se dominan mayores corrientes de maniobra.

Con la disminución del valor de la corriente instantánea es posible que la energía aportada no sea suficiente para mantener el último punto de ignición. Un debilitamiento del medio portador de la carga puede provocar la rotura abrupta del arco (current chopping) antes del pasaje por el valor cero de la corriente, provocando posiblemente grandes sobretensiones en las inductividades de la red.

Esto ha tenido como consecuencia, una demora de muchos años en la aplicación práctica de los interruptores de potencia en vacío. Entretanto es sabido, que la rotura del arco además de depender de la corriente de apertura, depende principalmente del material de los contactos.

Para disminuir la corriente de rotura del arco, en los contactos se utilizan materiales de aleación de cobre y cromo.

Con la utilización de estos materiales la intensidad de la corriente de rotura del arco es tan baja como en los interruptores con medios de extinción líquidos o gaseosos y no conducen más a las tan temidas sobretensiones.

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Cámara de vacío

Las diferentes cámaras de vacío se diferencian considerablemente entre si desde el punto de vista de la tecnología empleada para su fabricación.

El vacío se puede producir de varias formas, vamos a mencionar dos:

  • Cámaras que son evacuadas individualmente en centros de bombeo, en los cuales el extremo utilizado para realizar el vacío, una vez terminado el proceso de bombeo es soldado en frío por aplastamiento ( técnica pinch - off).

  • Cámaras que son evacuadas en un horno de soldadura, las que luego de su enfriamiento están soldadas herméticamente (técnica de cierre por soldadura). La ventaja que tiene esta técnica que la evacuación se realiza a temperaturas más altas y que el vacío propiamente dicho, alcanza valores de pureza superiores.

Descripción de la cápsula:

  • La estructura externa es de un material del tipo aislador cerámico, fabricado con óxido de aluminio.

  • Las tapas de acero inoxidable de la cámara están fijadas al aislador con soldadura

  • El corazón de una cámara de vació son los contactos, fabricados con una aleación de cobre puro y cromo.

  • La conducción de la corriente a los contactos se realiza por intermedio de los pernos, fabricados con cobre purísimo libre de oxigeno.

  • La transmisión del movimiento de operación se realiza por intermedio de un fuelle de acero inoxidable, el que está soldado herméticamente por un lado al perno móvil y por otro a una tapa de la cámara.

  • Para proteger el fuelle y el aislador cerámico contra salpicaduras de material líquido proveniente de los electrodos y para mejorar la distribución del campo eléctrico se han incorporado pantallas metálicas que están ubicadas en forma concéntrica a los contactos.

  • Subestaciones eléctricas

    Es una característica propia de los interruptores de vacío que las cámaras de maniobra posean contactos planos, los que solo se tocan en sus superficies frontales.

    Contactos tan simples como éstos, son posibles debido a que en el vació no es posible la oxidación o la formación de capas extrañas. Por tal motivo se hace innecesario el empleo de movimientos de tales capas extrañas como es el caso en los interruptores con otros medios de extinción. Por otro lado se requieren contactos simples, dado que no pueden emplearse resortes de contacto. Estos resortes se recocerían con la alta temperatura requerida para la soldadura

    Propiedades de la cámara de vacío

    La rápida disminución de la densidad del portador de carga del arco de vacío y la rápida condensación del vapor metálico sobre la superficie de los contactos al pasar la corriente por cero, llevan a una rápida recuperación del dieléctrico

    Tiene una importante propiedad que es la recuperación rápida del dieléctrico, que se produce cuando la corriente pasa por cero y se debe fundamentalmente a :

  • la rápida condensación de los vapores metálicos sobre la superficie de los contactos

  • la disminución rápida de la densidad de los portadores de carga del arco de vacío.

  • Subestaciones eléctricas

    La rigidez dieléctrica en la cámara de vacío aumenta a valores muy altos casi inmediatamente después de pasar la corriente por su valor nulo. En comparación con ello, se han incorporado los valores correspondientes a interruptores son diferentes medios de extinción donde se distingue claramente, que al utilizar hexafluoruro de azufre, nitrógeno (medio de extinción esencial en los interruptores de aire comprimido) o hidrógeno ( medio esencial en interruptores de aceite) el aumento de la rigidez dieléctrica entre los contactos es mucho más lento.

    Debido a la recuperación casi inmediata de la rigidez dieléctrica entre los contactos, los interruptores de vacío son muy apropiados para la maniobra de circuitos con muy alto incremento de la tensión de recuperación.

    Dado que se logra una alta rigidez dieléctrica entre los contactos aún con distancias reducidas, la desconexión está asegurada aún cuando los contactos se abran unos pocos milisegundos antes del pasaje de la corriente por cero. Esto disminuye los tiempos de arco, en comparación con los interruptores de aceite o SF6, aproximadamente la mita, lo cual, conjuntamente con la reducida tensión de arco, ayuda a mantener al mínimo la erosión de los contactos.

    Vida útil de las cámaras de vacío

    La vida útil de los interruptores tradicionales, estaba limitada generalmente por el desgaste de los contactos o de la cámara de extinción. Este hecho puede ser excluido en los interruptores de vació.

    La reducida erosión de los contactos en las cámaras de vacío significa, que hasta el valor de la corriente nominal, la vida útil de la cámara de extinción como así también del interruptor, no dependen de las solicitaciones eléctricas sino de las solicitaciones mecánicas. Inclusive desconectando altas intensidades de corriente, el desgaste del material de los contactos se mantiene reducido por tal motivo es posible interrumpir la corriente de cortocircuito nominal de una cámara, según sea el tipo, hasta 100 veces.

    Deberían ser muy escasas las ocasiones en las cuales los requerimientos superen las posibilidades que ofrece el interruptor de vacío. Expresado en otras palabras, en los casos normales la suma de los requerimientos, en los casos normales la suma de los requerimientos, en lo que se refiere alas capacidades de corte, no alcanzará los límites de las posibilidades que ofrece una cámara de vacío.

    Una importante condición para el perfecto funcionamiento de una cámara de vacío. La descarga del arco en el vacío, para valores de presión menores a 14 -4 mbar es independiente de la presión y esta determinado por procesos que se desarrollan en los electrodos. La descarga del arco no es comparable con el que se produce e otros medios. {ello es una consecuencia del hecho que las distancias intermoleculares aumentan de firma tal, que los procesos de repulsión en el gas residual, pierden significancia para el proceso de propagación del arco. La rigidez dieléctrica para una determinada distancia dieléctrica sometida a vacío, tanto para corriente continua como alterna, aumenta en una campo homogéneo o casi homogéneo en forma aproximadamente proporcional con la raíz cuadrada de la distancia dieléctrica. También para la corriente de impulso se ha verificado en forma experimental esta relación.

    Recién para valores de presión mayores de 10 -3 mbar, la propagación del arco se produce según la conocida ley de Paschen.

    La aislación del vacío es autorecuperable, es decir, que luego de una única descarga puede alcanzarse nuevamente el valor original y aún superar el valor de la misma.

    Por medio de mediciones apoyadas estadísticamente, realizadas durante muchos años en cámaras de vacío mantenidas en depósito, se sabe que la vida útil es superior a los 20 años. A ello aportan también los así llamados materiales Getter alojados dentro de la cámara, los cuales pueden absorber una determinada cantidad de gases penetrados a la cámara.

    De acuerdo a lo mencionado, al interrumpirse las corrientes en una cámara de vacío, se generan vapores de cobre y cromo los cuales poseen una gran afinidad con el oxígeno y el hidrógeno absorbiendo por tal motivo, una parte de los átomos y moléculas libres de oxígeno e hidrógeno. De esta forma, maniobrando corrientes en el entorno de la corriente nominal, se reduce la presión en la cámara y la vida útil de la cámara se incremente nuevamente.

    Las cámaras sometidas a tales solicitaciones, es decir, que maniobran ocasionalmente las corrientes de servicio, tienen por regla general una vida útil de aproximadamente 30 años.

    CONCLUSIONES

    El uso de interruptores en los circuitos de potencia son necesarios ya que permiten manejar los equipos de una instalación contra cortocircuitos y sobrecargas y para realizar las operaciones de conmutación ordinarias. Su funcion es de tal manera que de forma automatica cuando ocurre un cortocircuito o una situación anomala que incremente de forma repentina la corriente se activan y nos permite mantener un control a una distancia determinada para no entrar en contacto directo con el equipo. En el momento en el que el equipo interrumpe la corriente se forma un arco electrico entre sus terminales, para evitar este arco, algunos interruptores como los utilizados para proteger generadores y las secciones de las lineas de transmisión primarias estan sumergidos en un liquido o gas aislante como lo son los de maniobra en aire, SF6 o aceite.

    El interruptor de potencia de vacío, se diferencia de esos interruptores, porque no requiere de un medio de extinción. En contraposición a los arcos de, maniobra en aire, SF6 o aceite en el vacío falta la materia ionizable necesaria para la formación de una descarga térmica de gases. Sin embargo, después de la apertura de los contactos atravesados por una corriente, en el vacío se genera un arco de vapor metálico.

    El arco en vacío genera por sí mismo, los portadores de carga necesarios para transmitir la corriente a través del vacío, mediante la vaporización del material de los contactos.

    BIBLIOGRAFÍA

    Subestaciones electricas

    Pag 142 y 143

    http://www.efn.uncor.edu

    Enciclopedia Microsoft®2000©1993-1999 Corporation.

    Reservados todos los derechos

    Aumento de la rigidez dieléctrica en la luz entre contactos en función del tiempo, tras el apagado del arco al pasar la corriente por el valor cero.