Voltaje de Recuperación Transitorio (TRV) en la Interrupción de Corrientes Inductivas Pequeñas por Interruptores
Análisis de Fenómenos Transitorios en Sistemas Lineales Utilizando el Principio de Superposición
En el análisis de fenómenos transitorios causados por operaciones de conmutación en sistemas lineales, el principio de superposición es una herramienta poderosa. Al combinar la solución en estado estacionario que existía antes de la operación de circuito abierto con las respuestas transitorias inducidas por fuentes de voltaje de cortocircuito y fuentes de corriente de circuito abierto, y considerando la corriente inyectada a través de los contactos del interruptor, se puede obtener una descripción completa del proceso de conmutación.
Análisis Transitorio de Operaciones de Circuito Abierto
Durante una operación de circuito abierto, la corriente que fluye a través de los terminales del interruptor debe convertirse en cero después de la operación. Por lo tanto, la corriente inyectada en el sistema debe ser igual a la corriente que fluía a través de los terminales del interruptor antes de la operación de apertura. A medida que los contactos del interruptor comienzan a separarse, se desarrolla inmediatamente un voltaje de recuperación transitorio (TRV) a través de los contactos. El TRV aparece inmediatamente después de que la corriente alcanza cero y generalmente dura milisegundos en sistemas reales. En sistemas de potencia prácticos, las características del TRV son cruciales para el rendimiento y la confiabilidad de los interruptores de circuito.
Importancia del Voltaje de Recuperación Transitorio (TRV)
Una comprensión profunda de los fenómenos transitorios asociados con las operaciones de interruptores de circuito en sistemas de potencia puede mejorar significativamente las prácticas de prueba y aumentar la confiabilidad de los equipos de conmutación. Las normas especifican valores característicos recomendados para simular el TRV, lo que ayuda a los ingenieros a predecir y diseñar mejor el comportamiento de los dispositivos de conmutación.
Diferentes Tipos de Conmutación de Circuitos
El siguiente diagrama ilustra el TRV en los terminales del interruptor de circuito al interrumpir la corriente en circuitos muy simples. Cada caso resulta en diferentes formas de onda, dependiendo de la naturaleza del circuito:
Carga Resistiva: Para cargas puramente resistivas, la corriente disminuye rápidamente a cero después de la operación de conmutación, resultando en una forma de onda de TRV relativamente suave.
Carga Inductiva: Para cargas inductivas, el voltaje a través del inductor alcanza su valor máximo cuando la corriente se convierte en cero. Dado que el inductor almacena energía, que necesita ser disipada a través de otros componentes (como condensadores), ocurren oscilaciones. Estas oscilaciones son causadas por la transferencia de energía entre el inductor y el condensador.
Carga Capacitiva: Para cargas capacitivas, la corriente disminuye gradualmente después de la operación de conmutación, mientras que el voltaje aumenta rápidamente. La forma de onda de TRV generalmente muestra un pulso de voltaje de rápido ascenso.
Interrupción de Corrientes Pequeñas y Fenómenos de Cortado de Corriente
En sistemas de potencia, la interrupción de corrientes pequeñas puede llevar a fenómenos conocidos como cortado de corriente y cortado virtual. Estos fenómenos tienen un impacto significativo en el voltaje de recuperación transitorio (TRV) y pueden resultar en sobretensiones y problemas de reinicio.
Interrupción Normal vs. Cortado de Corriente
Interrupción Normal: Cuando la corriente se interrumpe naturalmente en su punto de cruce cero, esta es la operación de conmutación ideal. En este caso, el TRV generalmente se mantiene dentro de los límites especificados, y no ocurre sobretensión ni reinicio.
Cortado de Corriente: Si la corriente se interrumpe prematuramente antes de alcanzar cero, este fenómeno se llama cortado de corriente. La interrupción súbita de la corriente lleva a la generación de sobretensiones transitorias, que pueden causar reinicio de alta frecuencia. Este tipo de interrupción anormal presenta riesgos potenciales para el interruptor de circuito y el sistema.
Consecuencias del Cortado de Corriente
Cuando un interruptor de circuito interrumpe la corriente cerca de su pico, el voltaje casi instantáneamente sube. Si esta sobretensión excede la resistencia dieléctrica especificada para el interruptor de circuito, ocurre el reinicio. Cuando este proceso se repite varias veces, el voltaje continúa aumentando rápidamente debido al reinicio de alta frecuencia. Esta oscilación de alta frecuencia está controlada por los parámetros eléctricos del circuito asociado, la configuración del circuito y el diseño del interruptor de circuito, lo que lleva a un cruce cero antes de que la corriente de frecuencia de red real alcance cero.
Diferencia Entre Cortado de Corriente y Cortado Virtual
Cortado de Corriente: Ocurre cuando la corriente se interrumpe antes de alcanzar cero, resultando en sobretensión transitoria y reinicio de alta frecuencia.
Cortado Virtual: Ocurre cuando la corriente se interrumpe justo antes de alcanzar cero, aunque está muy cerca de cero. Esto aún puede causar sobretensión y reinicio menores.
Comparación del Voltaje del Lado de la Carga y el TRV
El siguiente diagrama compara el voltaje del lado de la carga y el TRV bajo dos escenarios diferentes:
Interrupción en el Punto de Corriente Cero: En este caso, el voltaje del lado de la carga aumenta de manera constante, y el TRV se mantiene dentro de los límites especificados, asegurando el funcionamiento normal del sistema.
Interrupción Antes del Punto de Corriente Cero (Cortado de Corriente): Aquí, el voltaje del lado de la carga aumenta rápidamente, y el TRV aumenta significativamente, potencialmente llevando a sobretensión y reinicio. Es claro en este ejemplo que el segundo escenario es más severo.
Importancia de Comprender el Cortado de Corriente
Para comprender mejor el impacto del cortado de corriente, considere ignorar los efectos de las pérdidas del lado de la carga. Después de que la corriente se interrumpe en el punto cero, la energía almacenada en el lado de la carga está principalmente en los condensadores, donde el voltaje alcanza su valor máximo. Sin embargo, si la corriente se corta antes de alcanzar cero, la energía en los condensadores no puede disiparse completamente, lo que lleva a un aumento rápido del voltaje y a problemas subsiguientes de sobretensión y reinicio.
(a) Circuito Equivalente. (b) Interrupción de Arco en el Punto de Corriente Cero. (c) Interrupción de Arco Antes del Punto de Corriente Cero.
Cortado de Corriente y Fenómenos Transitorios de Alta Frecuencia
En el caso del cortado de corriente, la inestabilidad del arco cerca del punto de corriente cero puede llevar a corrientes transitorias de alta frecuencia que fluyen hacia componentes de red adyacentes. Esta corriente de alta frecuencia se superpone a la corriente de frecuencia de red más pequeña, que se corta eficazmente a cero. Específicamente:
Inestabilidad del Arco Cerca del Punto de Corriente Cero: A medida que la corriente se acerca a cero, el arco puede volverse inestable, generando corrientes transitorias de alta frecuencia. Estas corrientes se superponen a la ya pequeña corriente de frecuencia de red, complicando aún más la respuesta transitoria del sistema.
Impacto de las Corrientes Transitorias de Alta Frecuencia: La presencia de corrientes transitorias de alta frecuencia puede causar sobretensión y reinicio, especialmente en cargas inductivas. Debido a los cambios rápidos en estas corrientes, pueden producir picos de voltaje extremadamente altos en un corto tiempo, representando una amenaza para los materiales de aislamiento del sistema.
Cortado Virtual y Sus Efectos
En el caso del cortado virtual, la inestabilidad del arco se ve exacerbada por las oscilaciones con fases adyacentes, lo que lleva a la generación de corrientes de alta frecuencia incluso antes de que la corriente alcance cero. Específicamente:
Mecanismo del Cortado Virtual: El cortado virtual generalmente ocurre cuando la corriente está cerca pero no ha alcanzado cero. En este punto, el arco puede interactuar con las oscilaciones de las fases adyacentes, resultando en la generación de corrientes de alta frecuencia. Esto desestabiliza aún más el sistema e incrementa el riesgo de reinicio.
Fenómeno Observado: El cortado virtual se ha observado en arcos gaseosos en aire, SF6 y aceite. Los arcos en vacío también son altamente sensibles al cortado de corriente porque el arco en un entorno de vacío es más susceptible a las condiciones externas, lo que lleva a una mayor inestabilidad.
Causas del Cortado y Reinicio
Los fenómenos de cortado y reinicio, junto con las sobretensiones oscilatorias de alta frecuencia asociadas, se atribuyen principalmente al diseño del interruptor de circuito. Específicamente:
Diseño para Corrientes de Falla Altas: Los interruptores de circuito generalmente están diseñados para manejar corrientes de falla altas. Si el diseño se centra solo en el rendimiento efectivo para corrientes altas, también puede ser igualmente efectivo para corrientes pequeñas, intentando interrumpirlas antes de su cruce cero natural.
Consecuencias Adversas: Este enfoque de diseño puede llevar a cortado de corriente y reinicio, resultando en sobretensión y otros efectos indeseables. Por ejemplo, la sobretensión puede dañar el aislamiento del sistema, llevando a fallos de equipo o reducción de la vida útil.
Optimización del Diseño del Interruptor de Circuito
Para abordar eficazmente tanto las corrientes pequeñas como las grandes, el diseño del interruptor de circuito debe incorporar múltiples características para garantizar un rendimiento confiable en diversas condiciones. Recomendaciones específicas incluyen:
Equilibrio del Rendimiento para Corrientes Pequeñas y Grandes: El diseño del interruptor de circuito debe considerar tanto las corrientes pequeñas como las grandes, evitando la sobreoptimización de un tipo a expensas del otro. Por ejemplo, ajustar los materiales de contacto, el diseño de la cámara de extinción de arco y las estrategias de control puede ayudar a equilibrar el rendimiento en diferentes niveles de corriente.
Reducción de Oscilaciones de Alta Frecuencia: El diseño debe buscar minimizar las oscilaciones de alta frecuencia, especialmente cerca del punto de corriente cero. Esto se puede lograr introduciendo elementos de amortiguación apropiados o optimizando los parámetros del circuito para suprimir las corrientes transitorias de alta frecuencia.
Mejora del Rendimiento de Aislamiento: Para manejar las posibles sobretensiones, el diseño de aislamiento del interruptor de circuito debe tener suficiente resistencia dieléctrica. Seleccionar materiales de aislamiento de alto rendimiento y optimizar la estructura de aislamiento puede garantizar un aislamiento confiable incluso en condiciones extremas.
