Conmutación de resistencia en un interruptor automático
Conmutación de Resistencia
La conmutación de resistencia se refiere a la práctica de conectar un resistor fijo en paralelo con el espacio de contacto o arco de un interruptor. Esta técnica se aplica en interruptores con alta resistencia post-arco en el espacio de contacto, principalmente para mitigar los sobretensiones de reestablecimiento y las sobretensiones transitorias.
Las fluctuaciones severas de voltaje en los sistemas de potencia surgen de dos escenarios principales: la interrupción de corrientes inductivas de baja magnitud y la interrupción de corrientes capacitivas. Estas sobretensiones representan riesgos para la operación del sistema, pero pueden ser manejadas eficazmente a través de la conmutación de resistencia, lograda al conectar un resistor a través de los contactos del interruptor.
El principio subyacente implica que el resistor en paralelo desvía una parte de la corriente durante la interrupción, limitando así la tasa de cambio de la corriente (di/dt) y suprimiendo el aumento de la tensión de recuperación transitoria. Esto no solo reduce la probabilidad de reencendido del arco sino que también disipa la energía del arco de manera más eficiente. La conmutación de resistencia es particularmente crítica en sistemas de muy alta tensión (VAT) para aplicaciones sensibles a las sobretensiones de conmutación, como la desconexión de líneas de transmisión sin carga o la conmutación de bancos de condensadores.
Cuando ocurre un fallo, los contactos del interruptor se abren, iniciando un arco entre ellos. A medida que el arco se desvía por la resistencia R, una fracción de la corriente del arco se desvía a través del resistor, reduciendo la corriente del arco y acelerando la tasa de deionización del canal del arco.
Esto desencadena un ciclo de retroalimentación: a medida que la resistencia del arco aumenta, más corriente fluye a través del resistor en paralelo R, privando aún más al arco de energía. Este proceso continúa hasta que la corriente cae por debajo del umbral crítico para el sostenimiento del arco (como se muestra en la figura a continuación), en cuyo punto el arco se extingue y el interruptor interrumpe exitosamente el circuito.
El mecanismo se basa en el resistor en paralelo regulando dinámicamente la distribución de la corriente, forzando al arco a entrar en un ciclo vicioso de "decadencia de la corriente → deionización acelerada → aumento de la resistencia del arco". Esto permite una rápida recuperación de la resistencia dieléctrica en el canal del arco, a menudo antes del cruce por cero de la corriente, lo que resulta particularmente efectivo para suprimir las sobretensiones de reencendido de alta frecuencia. Esta funcionalidad es crítica en interruptores de VAT durante la interrupción de corrientes capacitivas o la interrupción de pequeñas corrientes inductivas.
Alternativamente, la resistencia puede ser enganchada automáticamente transfiriendo el arco desde los contactos principales a los contactos de sonda, como se ve en los interruptores de explosión axial, con esta acción ocurriendo en un tiempo extremadamente corto. Al sustituir la trayectoria del arco por una vía metálica, la corriente que fluye a través de la resistencia se limita, permitiendo una interrupción fácil.
El resistor en paralelo también juega un papel crítico en la atenuación del crecimiento oscilatorio de las transitorias de sobretensión de reestablecimiento. Matemáticamente, se puede demostrar que la frecuencia natural (fn) de las oscilaciones en el circuito mostrado está gobernada por: introducir un elemento resistivo mejora las características de amortiguamiento del circuito, reduciendo la amplitud de las oscilaciones y retardando las tasas de aumento de la tensión. Esto es análogo a incorporar una rama disipativa en un bucle oscilatorio LC, transformando las oscilaciones no amortiguadas en decrescentes y mejorando significativamente la estabilidad de la interrupción del interruptor.
En configuraciones de explosión axial, la transferencia rápida del arco asegura que el resistor se enganche antes del cero de la corriente, proporcionando control de amortiguamiento al inicio del proceso transitorio. Este diseño es particularmente adecuado para aplicaciones de VAT que requieren limitación de sobretensiones de conmutación, ya que el efecto sinérgico de la resistencia y el arco permite la disipación ordenada de la energía electromagnética durante la interrupción.
Resumen de las Funciones de la Conmutación de Resistencia
En resumen, un resistor a través de los contactos del interruptor puede realizar una o más de las siguientes funciones:
Reduce la Tasa de Aumento de la Sobretensión de Reestablecimiento (TASR) en el Interruptor
Al desviar la corriente del arco y acelerar la deionización del canal del arco, el resistor suprime la tasa de aumento de la tensión de recuperación transitoria (TRV), aliviando la carga de recuperación de la resistencia dieléctrica en el interrumpidor del interruptor.
Mitiga las Transitorias de Sobretensión de Reestablecimiento de Alta Frecuencia Durante la Conmutación de Cargas Inductivas/Capacitivas
Al interrumpir corrientes inductivas (por ejemplo, transformadores sin carga) o corrientes capacitivas (por ejemplo, cables de carga), el resistor en paralelo limita las amplitudes de sobretensión oscilatoria a través de la disipación de energía, previniendo riesgos de ruptura de aislamiento.
Iguala la Distribución de TRV en Interruptores de Múltiples Cortes
En interruptores con múltiples brechas de interrupción, el resistor asegura una distribución uniforme de TRV a través de las brechas de contacto mediante la división de tensión, evitando el reencendido debido a la concentración de tensión en cualquier brecha individual.
Escenarios Donde la Conmutación de Resistencia No es Necesaria
Los interruptores convencionales con baja resistencia post-arco en el espacio de contacto (por ejemplo, interruptores de aire de media/baja tensión) no requieren resistores en paralelo adicionales. Sus canales de arco se deionizan naturalmente lo suficientemente rápido para cumplir con los requisitos de interrupción sin resistencia externa.
Análisis del Principio Técnico
El valor central de la conmutación de resistencia radica en su mecanismo sinérgico de "emparejamiento de impedancia-disipación de energía-amortiguación de oscilación", que controla las transitorias de conmutación dentro de los límites de resistencia del equipo. Esta tecnología es particularmente crítica en sistemas de VAT (110kV y superiores), abordando eficazmente:
Estas soluciones superan las limitaciones de los métodos tradicionales de extinción de arcos en el control de sobretensiones transitorias.
