Últimas Tendencias de Desarrollo de Interruptores de Alta Tensión Basados en Gases Alternativos al SF₆

1. Introducción
El SF₆ se utiliza ampliamente en sistemas de transmisión y distribución eléctrica, como equipos de conmutación aislados por gas (GIS), interruptores (CB) y interruptores de carga de media tensión (MV). Posee capacidades únicas de aislamiento eléctrico y extinción de arco. Sin embargo, el SF₆ también es un potente gas de efecto invernadero, con un potencial de calentamiento global de aproximadamente 23,500 en un horizonte de 100 años, y por lo tanto, su uso está regulado y sujeto a discusiones continuas sobre restricciones. En consecuencia, la investigación sobre gases alternativos para aplicaciones de energía ha sido llevada a cabo durante aproximadamente dos décadas.

El "Club Zéro" (CZC), en cooperación con CIGRE, lanzó recientemente una iniciativa para evaluar el estado del arte de los gases alternativos al SF₆ para aplicaciones de conmutación. Se realizó una encuesta para recopilar toda la literatura disponible reciente sobre este tema. Los resultados se presentaron y discutieron en una sesión conjunta durante la Sesión CIGRE en 2016. Este documento presenta los principales hallazgos de esa encuesta. Dado que la tecnología de conmutación al vacío constituye una actividad en curso separada, no se cubrirá en esta revisión.

2. Gases Alternativos

Tras la adopción del Protocolo de Kioto en 1997, la investigación en gases alternativos se intensificó y ha aumentado aún más en la última década. Se han identificado como requisitos clave para los gases alternativos: bajo potencial de calentamiento global (GWP), cero potencial de agotamiento del ozono (ODP), baja toxicidad, no inflamabilidad, alta resistencia dieléctrica, alta capacidad de extinción de arco y disipación de calor, estabilidad química, compatibilidad con materiales y disponibilidad en el mercado.

Entre los diversos gases de origen natural investigados, el CO₂ se ha demostrado como el gas de extinción de arco más prometedor, con su rendimiento potencialmente mejorado por aditivos como O₂ o CF₄. Sin embargo, los estudios han mostrado que tanto el rendimiento de interrupción como el aislante del CO₂ son inferiores a los del SF₆. Otros candidatos interesantes se han identificado entre los gases fluorados, como CF₃I, hidrofluoroolefinas (HFO-1234ze y HFO-1234yf), perfluorocetonas (por ejemplo, C₅F₁₀O), perfluoronitrilos (C₄F₇N), éteres fluorados (HFE-245cb2), epóxidos fluorados y hidroclorofluoroolefinas (HCFO-1233zd).

Considerando todos los requisitos, los candidatos más prometedores actuales son la perfluorocetona C₅ (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ o C₅-PFK) y el perfluoronitrilo iso-C₄ ((CF₃)₂CF-CN o C₄-PFN). Para gases puros, el rendimiento dieléctrico es proporcional al punto de ebullición, es decir, los gases con alta resistencia dieléctrica generalmente también tienen puntos de ebullición altos. A 0.1 MPa, los puntos de ebullición de C₅-PFK y C₄-PFN son 26.5°C y –4.7°C, respectivamente. Por lo tanto, para aplicaciones en equipos de conmutación que requieren puntos de ebullición suficientemente bajos para cumplir con las demandas operativas a bajas temperaturas, deben agregarse gases amortiguadores. Debido a su buena capacidad de extinción de arco, el CO₂ se selecciona como gas amortiguador en aplicaciones de alta tensión. En aplicaciones de media tensión, también se ha informado que el aire se usa como gas amortiguador en combinación con C₅-PFK para fines de aislamiento.

3. Propiedades de Gases Puros y Mezclas de Gases

La Tabla 1 presenta las propiedades de los gases alternativos seleccionados en relación con el SF₆. Los GWP de estos gases varían significativamente: el C₄-PFN presenta un GWP mucho mayor que el CO₂ o el C₅-PFK, ambos con GWP de aproximadamente 1. Todos los gases candidatos de interés son no inflamables, tienen cero ODP y se reportan como no tóxicos según las hojas de datos técnicos y de seguridad proporcionadas por los fabricantes químicos. La resistencia dieléctrica de C₄-PFN y C₅-PFK puros es casi el doble que la del SF₆. El voltaje de resistencia dieléctrica del CO₂ es comparable al del aire, es decir, significativamente menor que el del SF₆.

Tabla 1: Comparación de las Propiedades de Gases Puros con el SF₆

La tabla 2 muestra las características de los gases y mezclas de gases cuando se utilizan en equipos de conmutación. Las concentraciones de C₄-PFN y C₅-PFK en mezclas con gases amortiguadores se indican en la segunda columna, generalmente por debajo del 13% (concentración molar). Es importante señalar que para el uso de C₅-PFK en CO₂, también se han reportado aditivos de oxígeno, ya que la presencia de oxígeno puede reducir la formación de subproductos perjudiciales (como el CO) y subproductos sólidos (como el hollín).

Tabla 2: Características/Desempeño de Gases Puros y Mezclas de Gases en Aplicaciones de Equipos de Conmutación de Media y Alta Tensión

Debido a la menor tensión dieléctrica de las mezclas en comparación con el SF₆ a la misma presión (Columna 6), la presión mínima de operación para C₅-PFK y C₄-PFN con CO₂ como gas amortiguador en aplicaciones de alta tensión debe aumentarse a aproximadamente 0,7-0,8 MPa. Para aplicaciones de media tensión que utilizan mezclas de aire/C₅-PFK, se puede mantener una presión de 0,13 MPa, logrando una tensión dieléctrica cercana a la del SF₆.

La alta tensión dieléctrica lograda con relaciones de mezcla relativamente bajas de C₄-PFN o C₅-PFK se puede explicar por un efecto sinérgico, es decir, la resistencia dieléctrica aumenta de forma no lineal con la concentración del aditivo, un fenómeno observado previamente en mezclas de SF₆/N₂. El PGE de las mezclas de C₅-PFK es insignificante, pero esto tiene como costo una temperatura mínima de operación más alta. Las aplicaciones a baja temperatura (por ejemplo, -25°C) pueden abordarse utilizando ya sea CO₂ puro o mezclas de CO₂ + C₄-PFN, aunque con compromisos: una tensión dieléctrica significativamente reducida en el caso de CO₂ puro, o un PGE sustancialmente mayor cuando se usan mezclas de C₄-PFN.

4. Rendimiento de Conmutación de Gases Alternativos
El Tabla 3 recopila información preliminar sobre el rendimiento de conmutación del CO₂ puro y las mezclas basadas en CO₂, proporcionándose el rendimiento del SF₆ para comparación. Aumentando la presión de operación en relación con el SF₆, se puede llevar la resistencia dieléctrica en frío—utilizada, por ejemplo, como métrica para el rendimiento de conmutación capacitiva—al nivel del SF₆.

Tabla 3: Comparación del Rendimiento de Conmutación de Gases y Mezclas Gaseosas a Presiones de Operación Elevadas frente al SF₆ en Aplicaciones de Alta Tensión

En la literatura revisada, solo se encontraron declaraciones cualitativas sobre el rendimiento de conmutación de las mezclas C₄-PFN y C₅-PFK. Para el CO₂, están disponibles algunas comparaciones cuantitativas. En general, con CO₂ puro a una presión de llenado aumentada de aproximadamente 1 MPa, se puede esperar un rendimiento de aislamiento y de interrupción de fallas en línea corta (SLF) de alrededor de dos tercios del SF₆.

Al agregar O₂ al CO₂ (con proporciones de mezcla de hasta el 30%), se puede anticipar una mejora en el rendimiento de interrupción de SLF y un ligero aumento en la resistencia dieléctrica. La adición de C₄-PFN o C₅-PFK al CO₂ permite que el rendimiento dieléctrico se acerque al del SF₆. Los estudios informan que el rendimiento de conmutación de SLF de las mezclas CO₂/O₂/C₅-PFK es aproximadamente un 20% inferior al del SF₆. Por otro lado, se afirma que los interruptores adaptados específicamente para mezclas de CO₂/C₄-PFN logran un rendimiento de SLF comparable al del SF₆.

Sin embargo, también hay estudios que comparan directamente el CO₂ puro con las mezclas de CO₂/C₄-PFN y CO₂/C₅-PFK bajo condiciones geométricas y de presión idénticas, mostrando un rendimiento de interrupción térmica similar para el CO₂ con o sin aditivos. Con modificaciones de diseño menores o una reducción moderada, las nuevas mezclas han pasado exitosamente las pruebas IEC L90 (SLF) y T100 (falla terminal del 100%), lo que indica que su rendimiento de conmutación no es significativamente inferior al del SF₆. Esto también se ha demostrado para la función de interrupción del interruptor.

Se espera que en el futuro se produzcan mejoras adicionales en el rendimiento de conmutación a través de optimizaciones de diseño dedicadas. Un asunto importante es la toxicidad de los gases después del arco. C₅-PFK y C₄-PFN son moléculas complejas que comienzan a descomponerse por encima de aproximadamente 650 °C en el caso de C₄-PFN. Al descomponerse, estas moléculas no se recombinan en sus estructuras originales, sino que forman fragmentos más pequeños. Se ha informado una tasa de descomposición de 0,5 mol/MJ para las mezclas CO₂/O₂/C₅-PFK durante la interrupción de corrientes altas. Para las descargas parciales, la tasa de descomposición se observó que era más de un orden de magnitud menor que el valor anterior.

El comportamiento de descomposición de estos nuevos gases no es directamente comparable al del SF₆, que se descompone principalmente debido a reacciones químicas con materiales de contacto y boquillas ablacionados. Para los nuevos gases, la descomposición a lo largo de la vida útil del equipo no se considera un problema crítico, pero la concentración de gas dentro del equipo debe ser monitoreada o verificada periódicamente. Los productos de descomposición más tóxicos en aplicaciones de alta presión (es decir, mezclas con CO₂) son CO y HF. Los subproductos del arco de estas mezclas se consideran tener una toxicidad similar o menor que la del SF₆ expuesto al arco. Por lo tanto, se recomiendan procedimientos de manejo similares a los utilizados para el SF₆ expuesto al arco.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que las declaraciones anteriores se basan en un conocimiento limitado de la toxicidad de estos nuevos gases. Se necesita más experiencia respecto a la toxicidad post-arco de los posibles sustitutos del SF₆. Otras preocupaciones reportadas incluyen la compatibilidad de materiales (por ejemplo, efectos en juntas y grasas), la integridad del sellado de gas y los procedimientos de manejo de gas. En consecuencia, no se debe esperar que el equipo de alta tensión existente opere de manera segura con estos nuevos gases sin modificaciones apropiadas de diseño o material.

Se han realizado pruebas de arcos internos con todas las mezclas, y no se han reportado problemas graves. La conductividad térmica de las mezclas es ligeramente inferior a la del SF₆, lo que puede requerir una reducción moderada o ajustes de diseño para la capacidad de conducción de corriente. Los interruptores de circuito de tanque muerto con CO₂ ya han ganado experiencia de campo, con implementaciones que comenzaron hace varios años, y ahora están comercialmente disponibles los interruptores llenos de CO₂.

Las instalaciones piloto de alta y media tensión utilizando mezclas de C₅-PFK han estado operando con éxito en Suiza y Alemania desde 2015. Proyectos piloto utilizando mezclas de CO₂/C₄-PFN están planeados o en curso en varios países europeos, incluyendo un GIS interior de 145 kV en Suiza, un transformador de corriente exterior de 245 kV en Alemania, y sistemas GIL exteriores de 420 kV en el Reino Unido y Escocia.

5. Conclusiones y perspectivas
Se ha revisado la información publicada sobre gases alternativos al SF₆ para aplicaciones de conmutación. En la etapa actual, esta investigación aún está en sus fases iniciales y es mucho menos extensa que el cuerpo de trabajo de décadas sobre el SF₆. Los datos disponibles de los fabricantes indican que los nuevos gases, como C₅-PFK y C₄-PFN, son opciones viables que, cuando se mezclan con CO₂ como gas amortiguador, pueden emparejar parcialmente el rendimiento del SF₆, aunque pueden no replicar completamente todas las capacidades del SF₆.

Las principales diferencias radican en el rendimiento de aislamiento e interrupción, así como en el punto de ebullición, que determina la temperatura mínima especificada de operación del equipo de conmutación. Una temperatura mínima de operación baja (por ejemplo, –50 °C) se puede lograr con CO₂ puro. Sin embargo, el CO₂ parece exhibir un rendimiento de interrupción generalmente más bajo, especialmente en términos de resistencia a la tensión de recuperación y capacidad de interrupción, en comparación con las mezclas de gas que contienen C₄-PFN o C₅-PFK.

Una ventaja de las mezclas de CO₂/C₅-PFK sobre las mezclas de CO₂/C₄-PFN es su potencial de calentamiento global (GWP) insignificante (~1 frente a 427/600 para C₄-PFN). Por otro lado, las mezclas de CO₂/C₄-PFN ofrecen una temperatura mínima de operación más baja (aproximadamente –25 °C) en comparación con las mezclas de CO₂/C₅-PFK (aproximadamente –5 °C).

6. Interruptor de circuito de vacío de tanque muerto de 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV

Descripción:

Los interruptores de circuito de vacío de tanque muerto de 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV y 245kV son dispositivos de protección esenciales para los sistemas de energía de alta tensión. Utilizando el vacío como medio de extinción de arco e aislamiento, presentan capacidades excepcionales de extinción de arco, interrumpiendo rápidamente las corrientes de falla y previniendo eficazmente la reencendido del arco para garantizar el funcionamiento estable del sistema de energía. El diseño de tanque muerto ofrece un tamaño compacto y estabilidad mecánica robusta, facilitando la instalación y el mantenimiento. Equipados con mecanismos de operación de resorte altamente confiables, estos interruptores tienen una vida útil mecánica que supera las 10,000 operaciones, proporcionando respuestas rápidas y precisas. Con una excelente adaptabilidad ambiental, pueden operar de manera estable en condiciones climáticas adversas al aire libre. Ampliamente aplicados en subestaciones, líneas de transmisión y otros escenarios, proporcionan un control eficiente y seguro de la conmutación de energía, así como una protección confiable en diversos niveles de tensión.

Introducción de la función principal:

• Extinción eficiente del arco: Utiliza el vacío para una extinción rápida y confiable del arco, evitando la reencendido.

• Amplio rango de voltaje: Disponible en calificaciones de 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV y 245kV para aplicaciones versátiles en redes.

• Diseño robusto de carcasa muerta: Estructura compacta que asegura estabilidad mecánica y simplifica la instalación/mantenimiento.

• Operación confiable: Mecanismo de operación basado en resorte con más de 10,000 ciclos de resistencia mecánica.

• Sellado mejorado: Diseño de flange de doble sello que ofrece protección impermeable y hermética, ideal para uso al aire libre.