Breve Historia del Pasado y el Presente de los Interruptores de Circuito de Alta Tensión al Vacío
Interruptores de alta tensión al vacío: Una visión general
Introducción
Los interruptores de alta tensión al vacío (HV VCBs) han surgido como una alternativa viable a los interruptores aislados con gas SF6 tradicionales, especialmente en aplicaciones donde el cambio frecuente y los costos de mantenimiento más bajos son críticos. Desde 2014, los HV VCBs se han adoptado cada vez más como alternativa a los interruptores de gas de alta tensión, ofreciendo una solución más verde y sostenible al eliminar el uso del SF6, un potente gas de efecto invernadero.
El equipo de conmutación al vacío se ha utilizado extensivamente en sistemas de distribución durante más de tres décadas, principalmente para hacer y romper corrientes de falla y conmutar cargas de diversos tipos. La confiabilidad y el rendimiento de la tecnología de conmutación al vacío en el rango de media tensión (hasta 52 kV) han sido excepcionales, lo que ha llevado a su dominio en los sistemas de distribución. Sin embargo, los esfuerzos para extender la tecnología de conmutación al vacío a niveles de tensión de transmisión comenzaron a principios de la década de 1960, con hitos significativos logrados alrededor de 1980, cuando se instalaron los primeros interruptores de alta tensión al vacío en Japón. Para 2010, aproximadamente 10,000 HV VCBs estaban en operación, principalmente en entornos industriales, pero también en aplicaciones de servicios públicos. La preferencia por la tecnología al vacío sobre el SF6 se debió a su capacidad para manejar operaciones de conmutación frecuentes y menores requisitos de mantenimiento.
En los Estados Unidos, los interruptores de bancos de condensadores al vacío se han utilizado durante varias décadas a tensiones de hasta 242 kV. Alrededor de 2008, programas intensivos de investigación y desarrollo (I+D) en China y Europa apuntaron a desarrollar HV VCBs, con un enfoque en reducir o eliminar el uso de SF6. Esto llevó a la introducción de productos capaces de operar a tensiones de hasta 145 kV. En China, se espera que la rápida adopción de HV VCBs en aplicaciones comerciales continúe, con cientos de unidades ya en servicio a niveles de tensión de hasta 126 kV. En Europa, las pruebas de campo están en curso para validar el rendimiento de los dispositivos tipo probados antes de que ingresen al mercado.
Tecnología y Diseño
Todos los productos HV VCB se basan en la bien establecida tecnología de interrupción al vacío de media tensión, que se ha perfeccionado a lo largo de los años. No se requirieron características técnicas fundamentalmente nuevas para extender esta tecnología a niveles de tensión más altos. El desafío principal radica en escalar la geometría del interructor para acomodar las calificaciones de tensión más altas. Por ejemplo, el diámetro y la longitud del espacio de contacto deben aumentarse para manejar tensiones superiores a 52 kV. En algunos casos, para tensiones que superan los 126 kV, se utilizan dos espacios al vacío en serie para garantizar un funcionamiento confiable.
Características Operativas
Manejo de Corriente Normal: Para corrientes normales de hasta 2,500 A, no hay diferencias significativas entre los HV VCBs y los interruptores de circuito SF6. Sin embargo, lograr calificaciones de corriente más altas (superiores a 2,500 A) en HV VCBs es desafiante debido a la generación de calor desde la estructura de contacto y la capacidad limitada de transferencia de calor del interructor.
Monitoreo: Es más fácil monitorear la calidad del medio de interrupción en los interruptores de circuito SF6, ya que el grado de vacío en los HV VCBs no se puede monitorear de manera práctica durante el servicio.
Operaciones de Conmutación: Los HV VCBs pueden realizar un mayor número de operaciones de conmutación en comparación con los interruptores de circuito SF6 debido a la superior resistencia del sistema de contacto al vacío al arco eléctrico. Esto hace que la tecnología al vacío sea particularmente atractiva para aplicaciones que requieren conmutación frecuente, como las operaciones diarias.
Energía de Accionamiento: A una calificación típica de 72.5 kV, la energía de accionamiento requerida para un interruptor de circuito al vacío es significativamente menor, aproximadamente el 20% de la requerida para un interruptor de circuito SF6 equivalente. Los tamaños físicos de los dos tipos de dispositivos son comparables.
Configuración del Interructor: Por encima de 145 kV, los HV VCBs pueden requerir más de un interructor en serie, mientras que la tecnología SF6 ha implementado exitosamente interruptores de un solo corte hasta 550 kV desde 1994, que se utilizan ampliamente en muchos países.
Características del Arco: El voltaje del arco en los HV VCBs es mucho menor que en los interruptores de circuito SF6, típicamente en decenas de voltios en comparación con cientos de voltios en SF6. Además, la duración del arco durante la conmutación de fallas es más corta en el equipo de conmutación al vacío, con un tiempo mínimo de arco de 5-7 ms en comparación con 10-15 ms para los interruptores de circuito SF6. Esto resulta en un mayor número de posibles operaciones de conmutación para los HV VCBs.
Emisiones de Rayos X: Los HV VCBs con tensiones nominales de hasta 145 kV emiten rayos X dentro del límite estandarizado de 5 µSv/h en condiciones de operación normales. Los interruptores de circuito SF6 no emiten rayos X.
Características Eléctricas
Interrupción de Corriente de Falla: Los HV VCBs sobresalen en la interrupción de corrientes de falla con tasas de ascenso muy pronunciadas de la tensión de recuperación transitoria (TRV) debido a su rápida recuperación dieléctrica, que es más rápida que la de los interruptores de circuito SF6.
Estadísticas de Ruptura: Aunque los espacios al vacío teóricamente tienen voltajes de ruptura muy altos, existe una pequeña probabilidad de ruptura a tensiones relativamente moderadas. Los espacios al vacío también pueden experimentar una ruptura tardía espontánea, ocurriendo hasta varios cientos de milisegundos después de la interrupción de la corriente. Sin embargo, las consecuencias de tales eventos son limitadas porque el espacio al vacío restaura inmediatamente su aislamiento. Las implicaciones del sistema de la ruptura tardía aún no se comprenden completamente.
Conmutación de Cargas Inductivas: En aplicaciones que involucran cargas inductivas, como la conmutación de reactancias paralelas, los HV VCBs tienden a experimentar un mayor número de reencendidos repetidos en un cero de corriente de frecuencia de red. Esto se debe a la capacidad del vacío para interrumpir corrientes de alta frecuencia que siguen el reencendido. Los efectos de estos transitorios de reencendido en los equipos interactuantes, como amortiguadores RC y arrestadores de óxido metálico, están actualmente bajo investigación.
Conmutación de Bancos de Capacitores: Al conmutar bancos de capacitores, es crucial evitar corrientes de entrada muy altas, ya que pueden degradar las propiedades dieléctricas del sistema de contacto a través de arcos prechispazo. Este desafío se aplica tanto a los HV VCBs como a los interruptores de circuito SF6. Las estrategias de mitigación incluyen el uso de reactancias en serie o conmutación controlada, aunque la experiencia de campo con esto último para HV VCBs es limitada.
Perspectivas Futuras y Percepción del Mercado
Una encuesta realizada entre usuarios de equipos de conmutación de alta tensión reveló que la ausencia de SF6 se ve como la principal ventaja de los equipos de conmutación al vacío, siempre y cuando el aislamiento externo también sea libre de SF6. Sin embargo, la falta de una amplia experiencia de servicio a niveles de tensión de transmisión sigue siendo una gran reticencia para la adopción generalizada de los HV VCBs. A pesar de esto, los beneficios ambientales y las ventajas operativas de la tecnología al vacío están impulsando el interés continuo y el desarrollo en esta área.
Los potenciales usuarios de interruptores de alta tensión al vacío (HV VCBs) a menudo expresan preocupaciones sobre la generación de sobretensiones debido al corte de corriente y la posibilidad de emisiones de rayos X durante las operaciones de conmutación. Estos problemas son críticos para garantizar la operación segura y confiable de los HV VCBs, especialmente a medida que se consideran cada vez más para aplicaciones de tensión de transmisión.
Emisión de Rayos X
Para dispositivos de un solo corte, las emisiones de rayos X de los HV VCBs con tensiones nominales de hasta 145 kV permanecen bien por debajo del límite estandarizado de 5 µSv/h en condiciones de operación normales. Los dispositivos de múltiples cortes exhiben niveles aún más bajos de emisiones de rayos X. Esta es una consideración importante para el cumplimiento regulatorio y la seguridad, ya que asegura que los HV VCBs puedan implementarse sin presentar riesgos de radiación significativos para el personal o el medio ambiente.
Proyectos Piloto
Una gran mayoría de los encuestados expresó un fuerte interés en iniciar proyectos piloto para ganar experiencia práctica con la tecnología HV VCB. Tales proyectos permitirían a las empresas de servicios públicos y operadores de sistemas evaluar el rendimiento, la confiabilidad y las características operativas de los HV VCBs en condiciones reales. Se recomienda que estas redes sean firmemente aterrizadas, ya que las condiciones de la red en los sistemas de media tensión no siempre son comparables a las de las redes de tensión de transmisión, especialmente en cuanto a las condiciones de aterramiento. Este enfoque ayudará a garantizar que las experiencias obtenidas sean relevantes y aplicables a las aplicaciones de nivel de transmisión.
Estándarización
El estándar actual de interruptores de circuito IEC, IEC 62271-100, tiene un fuerte enfoque en la tecnología de conmutación con SF6, que puede no abordar completamente las características únicas y los desafíos de la conmutación al vacío. Por ejemplo, las pruebas de deberes que son desafiantes para el SF6, como las pruebas de falla en línea corta, pueden no ser tan críticas para la tecnología al vacío. Por el contrario, la aplicación de tensión de recuperación continua en pruebas sintéticas, que es menos relevante para el SF6, podría ser más importante para demostrar la ausencia de ruptura tardía en los interructores al vacío. A medida que los HV VCBs ganan más tracción, puede haber necesidad de revisar o complementar los estándares existentes para adaptarlos mejor a la tecnología al vacío.
Implicaciones Técnicas del Diseño Libre de SF6
Cuando el SF6 está ausente como medio de aislamiento externo, deben considerarse otras implicaciones técnicas. Por ejemplo, los métodos alternativos de aislamiento pueden requerir presiones más altas, mayor peso, huella más grande o diferentes consideraciones de diseño para garantizar un rendimiento de aislamiento adecuado. Los fabricantes están explorando activamente estas alternativas para desarrollar reemplazos viables para el SF6, pero hasta que se encuentre una nueva tecnología que pueda cubrir todas las calificaciones de tensión, el SF6 probablemente seguirá siendo esencial para ciertas aplicaciones de redes de transmisión.
Compromiso de los Fabricantes
Los fabricantes están comprometidos a desarrollar y poner a disposición alternativas industrialmente viables a la tecnología SF6. Si bien el SF6 ha sido el gas aislante dominante para aplicaciones de alta tensión debido a sus excelentes propiedades dieléctricas, las preocupaciones ambientales asociadas con el SF6, especialmente su alto potencial de calentamiento global, han impulsado la búsqueda de soluciones más verdes. Los HV VCBs representan una de estas soluciones, ofreciendo una alternativa sostenible para aplicaciones donde se requiere conmutación frecuente y menor mantenimiento. Sin embargo, la transición lejos del SF6 será gradual, ya que los fabricantes continúan innovando y refinando nuevas tecnologías para satisfacer las diversas necesidades de la industria eléctrica.
