Fenómenos creados durante la conmutación de transformadores sin carga por el interruptor desconectador de alta tensión AIS
Introducción a los Aisladores de Alta Tensión
Diferencia entre Interruptores de Circuito de Alta Tensión y Interruptores de Tierra
Interruptor de Circuito de Alta Tensión (Interruptor de Circuito) e Interruptor de Tierra son dos dispositivos de conmutación mecánicos diferentes, cada uno desempeñando un papel crucial en los sistemas de energía.
Interruptor de Circuito de Alta Tensión: Se utiliza principalmente para indicar si un circuito está abierto o cerrado. El interruptor de circuito tiene la capacidad de interrumpir la corriente, permitiéndole cortar corrientes grandes bajo condiciones de alimentación y mantener la estabilidad cuando los puntos de contacto se separan y se establece una tensión de recuperación. Los interruptores de circuito de alta tensión se utilizan típicamente para proteger los sistemas de energía de fallas como cortocircuitos y sobrecargas.
Interruptor de Tierra: Su función principal es conectar a tierra diversas partes de un circuito, incluyendo equipos, asegurando un contacto seguro. Un interruptor de tierra no tiene la capacidad de interrumpir la corriente, por lo que no puede usarse para cortar corrientes de carga. Generalmente se usa en conjunto con un interruptor de circuito de alta tensión para asegurar que, después de que el interruptor de circuito se abra, todas las partes del circuito puedan ser confiablemente conectadas a tierra para prevenir descargas eléctricas accidentales.
Limitaciones Operativas de los Interruptores de Circuito de AIS de Alta Tensión
En los Equipos de Maniobra Aislados al Aire (AIS), un interruptor de circuito de alta tensión no puede interrumpir la corriente mientras está conduciendo o después de que los contactos se han separado y se ha establecido una tensión de recuperación entre ellos. Esto significa que, si el interruptor de circuito opera bajo condiciones de alimentación, solo puede interrumpir eficazmente corrientes pequeñas. Específicamente, cuando aparece la tensión nominal a través de los contactos, el interruptor de circuito puede interrumpir corrientes pequeñas, pero no puede manejar corrientes altas o cargas pesadas.
Función de los Interruptores de Tierra
El papel principal de un interruptor de tierra es conectar a tierra diversas partes de un circuito, asegurando la seguridad durante el mantenimiento o la inspección. Puede usarse en conjunto con un interruptor de circuito de alta tensión o de forma independiente. Al conectar a tierra el circuito, el interruptor de tierra elimina efectivamente la acumulación de carga electrostática, previene descargas eléctricas accidentales y proporciona seguridad para el trabajo de mantenimiento posterior.
Resumen de la Conmutación de Transformadores sin Carga y Capacitiva
Capacidad de Conmutación de Corriente Capacitiva de los Interruptores de Circuito de Alta Tensión
Según los estándares IEC, los interruptores de circuito de alta tensión no están diseñados específicamente para interrumpir corrientes de falla, pero dado que operan bajo condiciones de alimentación, se espera que interrumpan corrientes pequeñas. La definición IEC de aisladores (interruptores de desconexión) establece que un interruptor de circuito (aislador) puede abrir o cerrar un circuito donde se interrumpe o conecta una corriente insignificante, o donde la tensión entre los terminales de los polos del interruptor de circuito no cambia.
Aunque no se especifica explícitamente, esta descripción puede interpretarse para referirse a pequeñas corrientes de carga capacitiva y conmutación de bucles (también conocida como conmutación paralela), que en aplicaciones específicas se llaman interruptores de transferencia de barras. La norma IEC 62271-102 confirma esto y establece un límite superior de 0.5 A para las corrientes de carga capacitiva "insignificantes", con valores más altos requiriendo acuerdo entre el usuario y el fabricante.
Corriente Nominal de Transferencia de Barras
Según la norma IEC 62271-102, la corriente nominal de transferencia de barras se especifica de la siguiente manera:
Para niveles de tensión 52 kV < Ur < 245 kV, la corriente de transferencia de barras es el 80% de la corriente normal nominal del interruptor de circuito, pero limitada a 1600 A.
Para niveles de tensión 245 kV ≤ Ur ≤ 550 kV, la corriente de transferencia de barras es el 60% de la corriente normal nominal del interruptor de circuito.
Para niveles de tensión Ur > 550 kV, la corriente de transferencia de barras es el 80% de la corriente normal nominal del interruptor de circuito, pero limitada a 4000 A.
Aplicación de la Conmutación de Transformadores sin Carga
En la práctica, especialmente en América del Norte, se utilizan comúnmente interruptores de circuito al aire para la conmutación de transformadores sin carga. La corriente de magnetización de un transformador sin carga es generalmente muy baja, usualmente 1 A o menos. En este caso, el transformador puede representarse como un circuito RLC en serie (como se muestra en la Figura 1), con oscilaciones relacionadas subamortiguadas, y un factor de amplitud de 1.4 o menos por unidad.
Conmutación de Bucles de Transmisión Paralelos
Otra práctica común es extender la transferencia de barras a la conmutación entre bucles de transmisión paralelos, aunque la corriente es menor debido a la impedancia del bucle más alta. Este enfoque puede reducir eficazmente la generación de arcos y las fluctuaciones de tensión durante la conmutación.
Aplicación de Dispositivos de Conmutación Auxiliares
Una práctica ampliamente utilizada en América del Norte, pero menos común en otras regiones, es la adición de dispositivos de conmutación auxiliares para mitigar la severidad de los eventos de conmutación. Por ejemplo, estos dispositivos pueden minimizar la ocurrencia de restrikes o lograr una mayor capacidad de corte. El uso de dispositivos de conmutación auxiliares puede mejorar la confiabilidad y la seguridad del sistema, especialmente al manejar corrientes altas o circuitos complejos.
Conmutación de Transformadores sin Carga Utilizando Aisladores de Alta Tensión de AIS
Para la conmutación de transformadores sin carga en el rango de 72.5–245 kV, se utilizan comúnmente aisladores de alta tensión de AIS. Dado que la corriente de magnetización de un transformador sin carga es generalmente muy baja (usualmente 1 A o menos), los aisladores pueden realizar la operación de conmutación de forma segura. El transformador puede simplificarse como un circuito RLC en serie, con oscilaciones relacionadas subamortiguadas, y un factor de amplitud de 1.4 o menos por unidad.
En este escenario, la tarea principal del aislador es asegurar que la corriente de magnetización del transformador no cause arcos significativos o fluctuaciones de tensión durante la conmutación. A través de un diseño y operación adecuados, los aisladores de alta tensión de AIS pueden cumplir eficazmente esta tarea, asegurando el funcionamiento seguro y estable del sistema de energía.
Se muestra un rastro de un evento de conmutación real en la Fig. 2.
La tensión de recuperación transitoria (TRV) a través del interruptor de desconexión es, por lo tanto, la diferencia entre la tensión de fuente y la oscilación del lado del transformador, como se ilustra en la Fig. 3.
Interrupción de Corriente: Un Evento Dieléctrico
La interrupción de corriente ocurre fundamentalmente cuando la brecha entre los contactos se vuelve lo suficientemente grande para soportar la tensión de recuperación transitoria (TRV). Este proceso es inherentemente un evento dieléctrico, donde la resistencia aislante del aire o vacío entre los contactos supera la tensión aplicada, apagando efectivamente el arco e interrumpiendo el flujo de corriente.
Interrupción de la Corriente de Magnetización de un Transformador sin Carga
Interrumpir la corriente de magnetización de un transformador sin carga es un evento repetitivo de apertura-cierre que puede resultar en múltiples restrikes. Cada restrike puede inducir corrientes de impulso, que prolongan la duración del arco, extienden el tiempo total de conmutación y causan desgaste en los contactos del arco. La naturaleza repetitiva de estos eventos puede generar un estrés significativo en el equipo de conmutación y potencialmente degradar su rendimiento con el tiempo.
Para mitigar estos efectos, es crucial asegurar que el dispositivo de conmutación sea capaz de manejar las características específicas de la corriente de magnetización, como su comportamiento de inrush y las tensiones transitorias asociadas. Un diseño y selección adecuados del equipo de conmutación, junto con el uso de dispositivos auxiliares como protectores contra sobretensiones o resistencias de amortiguación, pueden ayudar a reducir la probabilidad de restrikes y minimizar el impacto en el sistema.
