Breu Història del Passat i el Present dels Interruptors de Circuit de Vacum a Alta Tensió
Interruptors de corrent fort sota buit: Una visió general
Introducció
Els interruptors de corrent fort sota buit (HV VCBs) han emergit com una alternativa viable als interruptors tradicionals aïllats amb gas SF6, especialment en aplicacions on el canvi freqüent i els costos de manteniment més baixos són crítics. Des del 2014, els HV VCBs s'han adoptat cada vegada més com a alternativa als interruptors de corrent fort a gas, oferint una solució més verda i sostenible eliminant l'ús del SF6, un potent gas d'efecte hivernacle.
El quadre de commutació sota buit s'ha utilitzat extensament en sistemes de distribució durant més de tres dècades, principalment per fer i trencar corrents de falla i commutar càrregues de diversos tipus. La fiabilitat i el rendiment de la tecnologia de commutació sota buit en el rang de tensió mitja (fins a 52 kV) han estat excepcionals, portant a la seva dominància en els sistemes de distribució. No obstant això, els esforços per estendre la tecnologia de commutació sota buit a nivells de tensió de transmissió van començar tan aviat com a la dècada dels 1960, amb èxits significatius al voltant de 1980 quan es van instal·lar els primers interruptors de corrent fort sota buit al Japó. Cap a 2010, aproximadament 10.000 HV VCBs estaven en operació, principalment en entorns industrials però també en aplicacions de serveis públics. La preferència per la tecnologia sota buit sobre el SF6 va ser impulsada per la seva capacitat per gestionar operacions de commutació freqüents i requisits de manteniment més baixos.
Els Estats Units, els interruptors de banc de condensadors sota buit s'han utilitzat durant diverses dècades a tensions fins a 242 kV. Al voltant del 2008, programes intensius de recerca i desenvolupament (R&D) a Xina i Europa van tenir com objectiu desenvolupar HV VCBs, amb un focus en reduir o eliminar l'ús del SF6. Això va portar a l'introducció de productes capaços d'operar a tensions fins a 145 kV. A Xina, s'espera que la ràpida adopció d'HV VCBs en aplicacions comercials continuï, amb centenars d'unitats ja en servei a nivells de tensió fins a 126 kV. A Europa, es continuen fent proves de camp per validar el rendiment dels dispositius tipus provats abans d'entrar al mercat.
Tecnologia i Disseny
Tots els productes HV VCB estan basats en la ben establerta tecnologia d'interruptor de tensió mitja sota buit, que s'ha refinat a lo llarg dels anys. No s'han necessitat característiques tècniques fonamentalment noves per estendre aquesta tecnologia a nivells de tensió més alts. El repte principal resideix en escalar la geometria de l'interruptor per acomodar les classificacions de tensió més altes. Per exemple, el diàmetre i la longitud de la separació del contacte han de incrementar-se per gestionar tensions superiors a 52 kV. En alguns casos, per tensions que superen 126 kV, s'empraven dos intervals de buit en sèrie per assegurar un funcionament fiable.
Característiques Operatives
Gestió de Corrent Normal: Per a corrents normals fins a 2.500 A, no hi ha diferències significatives entre els HV VCBs i els interruptors de circuit SF6. Tanmateix, assolir classificacions de corrent més altes (superiors a 2.500 A) en els HV VCBs és complicat degut a la generació de calor de l'estructura de contacte i la limitada capacitat de transferència de calor de l'interruptor.
Monitorització: És més fàcil monitoritzar la qualitat del medi d'interrupció en els interruptors de circuit SF6, ja que el grau de buit en els HV VCBs no es pot monitoritzar de manera pràctica durant el servei.
Operacions de Comutació: Els HV VCBs poden realitzar un nombre més elevat d'operacions de comutació en comparació amb els interruptors de circuit SF6 degut a la superior resistència del sistema de contacte sota buit a l'arc. Això fa que la tecnologia sota buit sigui particularment atractiva per a aplicacions que requereixen comutacions freqüents, com ara les operacions diàries.
Energia de Propulsió: En una classificació típica de 72,5 kV, l'energia de propulsió requerida per un interruptor de circuit sota buit és significativament menor, aproximadament el 20% de la requerida per un interruptor de circuit equivalent SF6. Les mides físiques dels dos tipus de dispositius són comparables.
Configuració de l'Interruptor: Per sobre de 145 kV, els HV VCBs poden requerir més d'un interruptor en sèrie, mentre que la tecnologia SF6 ha implementat correctament interruptors de circuit de única interrupció fins a 550 kV des de 1994, que s'utilitzen ampliament en molts països.
Característiques de l'Arc: La tensió de l'arc en els HV VCBs és molt més baixa que en els interruptors de circuit SF6, típicament oscil·lant entre deuenes de volts en comparació amb centenes de volts en el SF6. A més, la durada de l'arc durant la comutació de falla és més curta en el quadre de commutació sota buit, amb un temps mínim d'arc de 5-7 ms en comparació amb 10-15 ms per als interruptors de circuit SF6. Això resulta en un nombre més elevat d'operacions de comutació possibles per als HV VCBs.
Emissions de Raigs X: Els HV VCBs amb tensions nominals fins a 145 kV emeten raigs X dins del límit estandarditzat de 5 µSv/h en condicions normals d'operació. Els interruptors de circuit SF6 no emeten raigs X.
Característiques Elèctriques
Interrupció de Corrent de Falla: Els HV VCBs excel·leixen en interrompre corrents de falla amb taxes de creixement molt agudes de la tensió de recuperació transitori (TRV) gràcies a la seva ràpida recuperació dielèctrica, que és més ràpida que la dels interruptors de circuit SF6.
Estadístiques de Descàrrega: Si bé els intervals de buit teòricament tenen tensions de descàrrega molt altes, hi ha una petita probabilitat de descàrrega a tensions relativament moderades. Els intervals de buit també poden experimentar descàrregues espontànies tardanes, que ocorren fins a diversos centenars de mil·lisegons després de la interrupció de corrent. Tanmateix, les conseqüències d'aquests esdeveniments són limitades perquè l'interval de buit restaura immediatament la seva aïllament. Les implicacions del sistema de les descàrregues tardanes encara no són totalment compreses.
Commutació de Càrrecs Inductius: En aplicacions que impliquen càrrecs inductius, com la commutació de reactances shunt, els HV VCBs tendeixen a experimentar un nombre més elevat de re-encensions repetitives a un zero de corrent de freqüència d'ona. Això és degut a la capacitat del buit per interrompre corrents de freqüència alta que segueixen la re-encenci. Els efectes d'aquests transitoris de re-encenci en l'aparellat interactuant, com els atenuadors RC i els arresters d'òxid metàl·lic, estan actualment sota investigació.
Commutació de Bancs de Capacitors: Quan es commuten bancs de capacitors, és crucial evitar corrents d'entrada molt altes, ja que poden degradar les propietats dielèctriques del sistema de contacte a través d'arcs precontacte. Aquest repte s'aplica tant als HV VCBs com als interruptors de circuit SF6. Les estratègies de mitigació inclouen l'ús de reactances en sèrie o la commutació controlada, encara que hi ha experiència de camp limitada amb aquesta última per als HV VCBs.
Perspectives Futurs i Percepció del Mercat
Una enquesta realitzada entre usuaris de quadres de commutació de corrent fort va revelar que l'absència de SF6 es veu com la principal avantatge del quadre de commutació sota buit, sempre que l'aïllament extern també sigui lliure de SF6. No obstant això, la falta d'experiència de servei extensa a nivells de tensió de transmissió roman una gran reticència per a l'adopció generalitzada dels HV VCBs. Malgrat això, els beneficis ambientals i operatius de la tecnologia sota buit estan impulsant un interès i desenvolupament continu en aquest àmbit.
Els potencials usuaris dels interruptors de corrent fort sota buit (HV VCBs) sovint plantejan preocupacions sobre la generació de sobretensions deguda a la tallada de corrent i la possibilitat d'emissions de raigs X durant les operacions de comutació. Aquests assumptes són crítics per assegurar una operació segura i fiable dels HV VCBs, especialment com són cada vegada més considerats per aplicacions de tensió de transmissió.
Emissió de Raigs X
Per a dispositius de única interrupció, les emissions de raigs X dels HV VCBs amb tensions nominals fins a i inclos 145 kV romandran ben per sota del límit estandarditzat de 5 µSv/h en condicions normals d'operació. Els dispositius de múltiples interrupcions presenten encara nivells més baixos d'emissions de raigs X. Aquesta és una consideració important per la conformitat reguladora i la seguretat, ja que assegura que els HV VCBs es puguin implementar sense posar riscos significatius de radiació al personal o a l'ambient.
Projectes Pilòt
La majoria de respondents expressaren un fort interès en iniciar projectes pilòt per aconseguir experiència pràctica amb la tecnologia HV VCB. Aquests projectes permetrien a les utilities i operadors de sistema avaluar el rendiment, la fiabilitat i les característiques operatives dels HV VCBs en condicions reals. Es recomana xarxes solidament aterrades per a aquests projectes pilòt, ja que les condicions de la xarxa en sistemes de tensió mitja no són sempre comparables a les de les xarxes de tensió de transmissió, especialment en relació amb les condicions d'aterrament. Aquest enfocament ajudaria a assegurar que les experiències aconseguides siguin rellevants i aplicables a les aplicacions de nivell de transmissió.
Standardització
L'estàndard actual de l'IEC per a interruptors de circuit, IEC 62271-100, té un fort enfoque en la tecnologia de commutació SF6, que pot no abordar completament les característiques úniques i els reptes de la commutació sota buit. Per exemple, les proves que són difícils per al SF6, com les proves de falla en línia curta, poden no ser tan crítiques per la tecnologia sota buit. Al contrari, l'aplicació de tensió de recuperació contínua en proves sintètiques, que és menys rellevant per al SF6, podria ser més important per demostrar l'absència de descàrregues tardanes en els interruptors sota buit. Com els HV VCBs guanyen més tracció, pot ser necessari revisar o complementar els estàndards existents per millor acomodar la tecnologia sota buit.
Implicacions Tècniques del Disseny Lliure de SF6
Quan el SF6 està absent com a medi aïllant extern, altres implicacions tècniques han de ser considerades. Per exemple, els mètodes d'aïllament alternatius poden requerir pressions més altes, pes més gran, superfície més gran o consideracions de disseny diferents per assegurar un rendiment adequat d'aïllament. Els fabricants estan explorant activament aquestes alternatives per desenvolupar substituts viables per al SF6, però fins que no es trobi una nova tecnologia que pugui cobrir totes les classificacions de tensió, el SF6 probablement seguirà essent essencial per a certes aplicacions de xarxes de transmissió.
Compromís del Fabricant
Els fabricants estan compromesos a desenvolupar i fer disponibles alternatives industrialment viables a la tecnologia SF6. Tot i que el SF6 ha estat el gas aïllant dominant per a aplicacions de tensió alta degut a les seves excel·lents propietats dielèctriques, les preocupacions ambientals associades al SF6, especialment el seu alt potencial de calenta global, han impulsat la cerca de solucions més verdes. Els HV VCBs representen una de les solucions, oferint una alternativa sostenible per a aplicacions on es requereixen comutacions freqüents i un manteniment més baix. No obstant això, la transició fora del SF6 serà gradual, ja que els fabricants continuen innovant i refinant noves tecnologies per atendre les diverses necessitats de la indústria elèctrica.
