Breve Historia do Pasado e o Presente dos Interruptores de Circuito de Vacío de Alta Tensión

Interruptores de alta tensión a vacío: Unha visión xeral

Introdución

Os interruptores de alta tensión a vacío (HV VCBs) emerxeron como unha alternativa viable aos interruptores de circuito tradicionais aislados con gas SF6, especialmente en aplicacións onde as operacións de conmutación frecuentes e os custos de mantemento reducidos son críticos. Desde 2014, os HV VCBs foron cada vez máis adoptados como alternativa aos interruptores de circuito de alta tensión a gas, ofrecendo unha solución máis verde e sostenible ao eliminar o uso do SF6, un potente gas de efecto invernadero.

O equipamento de conmutación a vacío foi ampliamente utilizado en sistemas de distribución durante máis de tres décadas, principalmente para facer e cortar correntes de fallo e conmutar cargas de diversos tipos. A fiabilidade e o rendemento da tecnoloxía de conmutación a vacío no rango de tensión media (hasta 52 kV) foron excepcionais, levando á súa dominancia nos sistemas de distribución. No entanto, os esforzos para estender a tecnoloxía de conmutación a vacío a niveis de tensión de transmisión comezaron xa na década de 1960, coñecéndose logros significativos cara 1980, cando se instaláron os primeiros interruptores de circuito de alta tensión a vacío en Xapón. Para 2010, aproximadamente 10.000 HV VCBs estaban en funcionamento, principalmente en entornos industriais, pero tamén en aplicacións de utilidades. A preferencia pola tecnoloxía a vacío sobre o SF6 foi motivada pola súa capacidade para manexar operacións de conmutación frecuentes e os menores requisitos de mantemento.

Nos Estados Unidos, os interruptores de bancos de condensadores a vacío foron utilizados durante varias décadas a tensións de ata 242 kV. Preto de 2008, programas intensivos de investigación e desenvolvemento (I+D) en China e Europa apuntaron ao desenvolvemento de HV VCBs, con enfoque en reducir ou eliminar o uso do SF6. Isto levou á introdución de produtos capaces de operar a tensións de ata 145 kV. En China, a rápida adopción de HV VCBs en aplicacións comerciais é esperada que continúe, con centos de unidades xa en servizo a nivels de tensión de ata 126 kV. En Europa, están en marcha probas de campo para validar o rendemento dos dispositivos tipo-probado antes de entrar no mercado.

Tecnoloxía e deseño

Todos os produtos HV VCB están baseados na ben establecida tecnoloxía de interrupción a vacío de tensión media, que foi refinada ao longo dos anos. Non foron necesarios características técnicas fundamentalmente novas para estender esta tecnoloxía a niveis de tensión máis altos. O principal reto está en escalar a xeometría do interrumpidor para acomodar as clasificacións de tensión máis altas. Por exemplo, o diámetro e a lonxitude da brecha de contacto deben incrementarse para manexar tensións superiores a 52 kV. En algúns casos, para tensións superiores a 126 kV, empreganse dúas brechas de vacío en serie para asegurar un funcionamento fiable.

Características operativas

• Manexo de corrente normal: Para correntes normais de ata 2.500 A, non hai diferenzas significativas entre os HV VCBs e os interruptores de circuito de SF6. No entanto, conseguir clasificacións de corrente máis altas (superiores a 2.500 A) nos HV VCBs é desafiante debido á xeración de calor da estrutura de contacto e á capacidade limitada de transferencia de calor do interrumpidor.

• Monitorización: É máis fácil monitorizar a calidade do medio de interrupción nos interruptores de circuito de SF6, xa que o grao de vacío nos HV VCBs non pode ser prácticamente monitorizado durante o servizo.

• Operacións de conmutación: Os HV VCBs poden realizar un número maior de operacións de conmutación comparados cos interruptores de circuito de SF6 debido á superior resistencia do sistema de contacto a vacío ao arco eléctrico. Isto fai que a tecnoloxía a vacío sexa particularmente atractiva para aplicacións que requiren conmutacións frecuentes, como as operacións diarias.

• Enerxía de accionamento: A unha clasificación típica de 72,5 kV, a enerxía de accionamento requerida para un interruptor de circuito a vacío é significativamente menor, aproximadamente o 20% da necesaria para un interruptor de circuito de SF6 equivalente. As dimensións físicas dos dous tipos de dispositivos son comparables.

• Configuración do interrumpidor: Por encima de 145 kV, os HV VCBs poden requerir máis dun interrumpidor en serie, mentres que a tecnoloxía de SF6 implementou satisfactoriamente interruptores de circuito de unha única interrupción ata 550 kV desde 1994, que son ampliamente utilizados en moitos países.

• Características do arco: A tensión de arco nos HV VCBs é moito menor que nos interruptores de circuito de SF6, tipicamente entre decenas de voltios comparados con centos de voltios en SF6. Ademais, a duración do arco durante a conmutación de fallos é menor no equipamento de conmutación a vacío, con un tempo mínimo de arco de 5-7 ms comparado con 10-15 ms para os interruptores de circuito de SF6. Isto resulta nun número maior de posibles operacións de conmutación para os HV VCBs.

• Emisións de raíos X: Os HV VCBs con tensións nominais de ata 145 kV emiten raíos X dentro do límite estandarizado de 5 µSv/h en condicións normais de funcionamento. Os interruptores de circuito de SF6 non emiten raíos X.

Características eléctricas

• Interrupción de correntes de fallo: Os HV VCBs destacan na interrupción de correntes de fallo con taxas de subida moi pronunciadas da tensión de recuperación transitória (TRV) debido á súa rápida recuperación dieléctrica, que é máis rápida que a dos interruptores de circuito de SF6.

• Estadísticas de ruptura: Mentres que as brechas de vacío teñen teoricamente unhas tensións de ruptura moi altas, hai unha pequena probabilidade de ruptura a voltaxes relativamente moderados. As brechas de vacío tamén poden experimentar rupturas tardías espontáneas, que ocorren ata varios centos de milisegundos despois da interrupción da corrente. No entanto, as consecuencias destes eventos son limitadas porque a brecha de vacío restaura inmediatamente a súa aislación. As implicacións do sistema das rupturas tardías aínda non están completamente comprendidas.

• Conmutación de cargas inductivas: En aplicacións que involucran cargas inductivas, como a conmutación de reactores paralelos, os HV VCBs tenden a experimentar un número maior de reencendidos repetidos nun cero de corrente de frecuencia de rede. Isto debeuse á capacidade do vacío para interromper correntes de alta frecuencia que seguen o reencendido. Os efectos destas transitoriedades de reencendido nos equipos interactuantes, como atenuadores RC e arrestadores de óxido metálico, están actualmente en investigación.

• Conmutación de bancos de condensadores: Ao conmutar bancos de condensadores, é crucial evitar correntes de entrada moi altas, xa que poden degradar as propiedades dieléctricas do sistema de contacto a través de arcos pre-strike. Este reto aplica tanto a HV VCBs como a interruptores de circuito de SF6. As estratexias de mitigación inclúen o uso de reactores en serie ou a conmutación controlada, aínda que a experiencia de campo con esta última para HV VCBs é limitada.

Perspectivas futuras e percepción do mercado

Unha encuesta realizada entre usuarios de equipamentos de conmutación de alta tensión revelou que a ausencia de SF6 é vista como a principal ventaxe do equipamento de conmutación a vacío, sempre que o aislamento externo tamén sexa libre de SF6. No entanto, a falta de extensa experiencia de servizo a nivels de tensión de transmisión permanece como unha significativa reticencia para a adopción xeralizada de HV VCBs. A pesar diso, os beneficios ambientais e as vantaxes operativas da tecnoloxía a vacío están impulsando o continuo interese e desenvolvemento nesta área.

Os potenciais usuarios de interruptores de circuito de alta tensión a vacío (HV VCBs) frecuentemente expresan preocupacións sobre a xeración de sobretensiones debido ao corte de corrente e a posibilidade de emisións de raíos X durante as operacións de conmutación. Estas cuestións son críticas para garantir o funcionamento seguro e fiable dos HV VCBs, especialmente á medida que se consideran cada vez máis para aplicacións de tensión de transmisión.

Emisións de raíos X

Para dispositivos de unha única interrupción, as emisións de raíos X dos HV VCBs con tensións nominais de ata e incluíndo 145 kV permanecen ben por debaixo do límite estandarizado de 5 µSv/h en condicións normais de funcionamento. Os dispositivos de múltiples interrupcións exhiben incluso niveis máis baixos de emisións de raíos X. Esta é unha consideración importante para a conformidade reguladora e a seguridade, xa que asegura que os HV VCBs poden ser implantados sen supor riscos significativos de radiación para o persoal ou o medio ambiente.

Proxectos piloto

A gran maioría dos respondentes expresou un forte interese en iniciar proxectos piloto para gañar experiencia práctica coa tecnoloxía HV VCB. Tales proxectos permitirían ás utilidades e aos operadores de sistemas avaliar o rendemento, a fiabilidade e as características operativas dos HV VCBs en condicións do mundo real. Recoméndanse redes terradas sólidamente para estes proxectos piloto, xa que as condicións da rede en sistemas de tensión media non son sempre comparables ás das redes de tensión de transmisión, especialmente en relación coas condicións de terra. Este enfoque axudará a asegurar que as experiencias gañadas sexan relevantes e aplicables a aplicacións de nivel de transmisión.

Normalización

O estándar actual de interruptores de circuito IEC, IEC 62271-100, ten un enfoque forte na tecnoloxía de conmutación de SF6, que pode non abordar completamente as características únicas e os desafíos da conmutación a vacío. Por exemplo, as tarefas de proba que son desafiantes para o SF6, como as probas de fallo de liña curta, poden non ser tan críticas para a tecnoloxía a vacío. Ao contrario, a aplicación de tensión de recuperación continua nas probas sintéticas, que é menos relevante para o SF6, podería ser máis importante para demostrar a ausencia de rupturas tardías nos interrumpidores a vacío. Á medida que os HV VCBs gañan máis tracción, pode haber unha necesidade de revisar ou complementar os estándares existentes para mellor acomodar a tecnoloxía a vacío.

Implicacións técnicas do deseño sen SF6

Cando o SF6 está ausente como medio de aislamento externo, deben considerarse outras implicacións técnicas. Por exemplo, os métodos alternativos de aislamento poden requerir presións máis altas, maior peso, maior pegada ou diferentes consideracións de deseño para asegurar un rendemento adecuado de aislamento. Os fabricantes están explorando activamente estas alternativas para desenvolver substitutos viáveis para o SF6, pero ata que se atope unha nova tecnoloxía que poida cubrir todas as clasificacións de tensión, o SF6 probablemente seguirá sendo esencial para certas aplicacións de redes de transmisión.

Compromiso do fabricante

Os fabricantes están comprometidos a desenvolver e facer dispoñibles alternativas industrialmente viables á tecnoloxía de SF6. Mentres que o SF6 foi o gas aislante dominante para aplicacións de alta tensión debido ás súas excelentes propiedades dieléctricas, as preocupacións ambientais asociadas ao SF6, especialmente o seu alto potencial de calentamento global, impulsaron a busca de soluciones máis verdes. Os HV VCBs representan unha tal solución, ofertando unha alternativa sostenible para aplicacións onde se requiren conmutacións frecuentes e menor mantemento. No entanto, a transición leva de SF6 será gradual, a medida que os fabricantes continúan innovando e refinando novas tecnoloxías para cumprir as diversas necesidades da industria eléctrica.