Medición de la Condición al Vacío en el Interruptor al Vacío por el Método de Monitoreo de Presión Mecánica

Monitoreo de Condiciones de Vacío en Interruptores de Vacío

Los interruptores de vacío (IV) sirven como el medio principal de interrupción de circuitos para sistemas de potencia de media tensión y se utilizan cada vez más en sistemas de baja, media y alta tensión. El rendimiento de los IV depende de mantener una presión interna inferior a 10 hPa (donde 1 hPa equivale a 100 Pa o 0,75 torr). Antes de salir de la fábrica, los IV se prueban para asegurar que su presión interna es ≤10^-3 hPa.
El rendimiento de un IV está correlacionado con su nivel de vacío; sin embargo, no es simplemente proporcional a la presión interna. En cambio, la presión dentro de un IV puede categorizarse en tres grupos:

•    Baja Presión: Por debajo de 10^-6 hPa
•    Presión Media: Desde aproximadamente 10^-3 hPa hasta la presión mínima de Paschen
•    Alta Presión: Generalmente indicativa de un fallo que lleva a la exposición al aire

En el rango de baja presión, los IV funcionan eficazmente. Sin embargo, en el rango medio, tanto la resistencia dieléctrica como las capacidades de interrupción se degradan, una degradación que continúa en el rango "hasta el aire". Curiosamente, aunque el rendimiento dieléctrico es el más bajo en las presiones medias, en realidad mejora algo en el rango "hasta el aire", aunque no al nivel observado en el rango de baja presión.
Es crucial reconocer que ninguna de las técnicas de monitoreo discutidas cubre todo el rango de presiones dentro de un IV, desde la baja presión hasta las condiciones "hasta el aire". Cada técnica se aplica a un rango específico, detallado en el texto y resumido en la Tabla 1. Además, la efectividad de ciertos métodos varía según el diseño del IV, y algunas salidas pueden verse influenciadas por la composición y presión de los gases que potencialmente se filtran en el IV, como el aire atmosférico o el gas SF6 utilizado en los equipos de interruptores de GIS.

La extensa implementación de IV en equipos de interruptores de media tensión subraya el desafío de confirmar la integridad del vacío en el campo, especialmente después de décadas de servicio. Las inspecciones de IV después de más de 20 años de uso han arrojado resultados mixtos. Es importante tener en cuenta que los IV son solo un componente de un sistema más grande; la funcionalidad del mecanismo, la electrónica de control, el diseño del circuito y otros elementos son igualmente críticos para el funcionamiento efectivo de los IV.

La Tabla 1 proporciona un resumen de las aplicaciones generales de estas técnicas de monitoreo en entornos de SF6, junto con consideraciones prácticas para su uso con equipos de interruptores de GIS. Esta tabla también destaca los resultados de varios métodos de prueba, resaltando las complejidades involucradas en garantizar la confiabilidad a largo plazo de los IV en diversos contextos operativos. Comprender estos matices es esencial para optimizar el rendimiento y la longevidad de los sistemas eléctricos que dependen de la tecnología de interruptores de vacío.

Medición de la Condición de los Interruptores de Vacío Utilizando Monitoreo de Presión Mecánica

La presión atmosférica ejerce una fuerza de cierre considerable sobre el terminal móvil de los interruptores de vacío (IV). Para los IV utilizados en interruptores, esta fuerza generalmente asciende a varios cientos de newtons. Cuando el vacío dentro del IV se pierde completamente, la presión interna se iguala con la presión atmosférica externa, reduciendo significativamente la fuerza de cierre y alterando el comportamiento mecánico del IV. Los métodos de diagnóstico basados en la detección de este cambio solo pueden identificar cuando el IV ha perdido completamente su vacío, es decir, cuando se ha vuelto "hasta el aire". Notablemente, incluso a presiones tan altas como las cercanas al mínimo de Paschen, sigue habiendo suficiente presión dentro del IV para mantener la fuerza de cierre completa.

Método Principal para el Monitoreo de Presión Mecánica

El enfoque principal para el monitoreo de presión mecánica implica adjuntar un componente móvil adicional al IV utilizando una campana u otro mecanismo similar (ver Figura 1). Cuando el vacío se pierde completamente, esta parte adicional se mueve debido a la igualación de las presiones interna y externa. A diferencia del contacto móvil, que está restringido por el mecanismo del interruptor, esta parte adicional es libre de moverse. Un sistema de detección monitorea los cambios de posición de esta parte adicional y reacciona en consecuencia. Dependiendo del sistema de detección utilizado, esta configuración permite un monitoreo continuo del IV. El movimiento de la parte adicional está determinado por su propio diseño, no por el diseño general del IV, lo que hace que este método sea aplicable a IV de baja, media y alta tensión.
Consideraciones Prácticas

Aunque teóricamente posible, utilizar la fuerza de cierre sobre el terminal móvil del IV para detectar la pérdida de vacío presenta desafíos. La presión atmosférica normalmente aplica una fuerza de varios cientos de newtons al terminal móvil del IV, mientras que el interruptor mismo aplica una fuerza de cierre de varios miles de newtons. Por lo tanto, identificar una reducción en la fuerza de cierre del IV a través del comportamiento mecánico del interruptor es difícil debido a la magnitud relativamente pequeña de la fuerza de cierre del IV en comparación con la del interruptor. En contactores de vacío, sin embargo, donde la fuerza aplicada por el mecanismo del contactor es menor, diagnosticar la pérdida completa de vacío a través del comportamiento mecánico puede ser más factible.

Al emplear una parte móvil adicional y un sistema de detección, el monitoreo de presión mecánica ofrece una solución práctica para evaluar continuamente la condición de vacío de los IV. Esta técnica proporciona un medio confiable para detectar la pérdida total de vacío, aunque no puede identificar aumentos parciales de presión dentro del IV. No obstante, representa una herramienta valiosa para garantizar la integridad y funcionalidad de los IV en diversos niveles de tensión y aplicaciones.

Este método asegura que cualquier pérdida significativa de vacío se detecte de inmediato, permitiendo acciones de mantenimiento o reemplazo oportunas, lo que mejora la confiabilidad y seguridad de los sistemas eléctricos que dependen de los IV.

Antecedentes del Monitoreo de Interruptores de Vacío Utilizando el Método de Monitoreo de Presión Mecánica

La técnica de monitoreo de presión mecánica evalúa la integridad del vacío de un Interruptor de Vacío (IV) detectando cambios en el comportamiento mecánico debido a la pérdida de la fuerza de cierre causada por la presión atmosférica en el terminal móvil. Este método proporciona una medición binaria, aprobado/reprobado, que indica si el IV ha perdido su vacío y está "hasta el aire". Las presiones alrededor del mínimo de Paschen y otros puntos críticos donde el rendimiento del IV comienza a degradarse son demasiado bajas para causar algún cambio mecánico detectable utilizando este método.

Ventajas y Desventajas del Método de Monitoreo de Presión Mecánica

Ventajas:
•    Compatibilidad: El método es generalmente compatible con diversos tipos de aislamiento, incluyendo SF6, aceite y aislamiento sólido, siempre que se puedan manejar problemas prácticos como restricciones de espacio y la guía de luz hacia el equipo de detección.
•    Beneficios de la Técnica Óptica: Utilizar una técnica óptica permite reubicar componentes no ópticos en el compartimento de baja tensión del equipo de interruptores, lo que puede mejorar la seguridad y facilitar el mantenimiento.
Desventajas:
•    Requisito de Instalación: La parte móvil necesaria para el monitoreo de presión debe instalarse durante la fabricación inicial del IV. No se puede adaptar a IV ya construidos. Aunque podría ser teóricamente posible integrar IV equipados con esta característica en interruptores existentes junto con el equipo de monitoreo necesario, los desafíos prácticos relacionados con la adaptación de la extensión para la parte adicional en instalaciones existentes a menudo hacen esto impráctico.
•    Preocupaciones de Fiabilidad: La fiabilidad del equipo de medición en comparación con el IV en sí misma plantea un riesgo significativo. Las partes adicionales soldadas al IV introducen posibles nuevas vías de fuga y pueden ser más susceptibles a daños durante la instalación, lo que potencialmente puede llevar a la pérdida de vacío.

Fragilidad de Componentes:

• Técnicas Ópticas: Las fibras ópticas utilizadas en el sistema de detección son vulnerables a desalineaciones, daños durante la instalación y obstrucciones por condensación o polvo.

• Método de Contacto Eléctrico: La detección de movimiento mediante contactos eléctricos requiere un microcircuito alimentado cerca del IV, que también debe estar aislado eléctricamente. Esto introduce varios modos potenciales de fallo, incluyendo problemas con la fiabilidad del microcircuito, la transmisión exitosa de la señal, la alimentación del circuito y el mantenimiento del aislamiento eléctrico.

En resumen, aunque el método de monitoreo de presión mecánica ofrece una forma sencilla de confirmar si un IV ha perdido completamente su vacío, viene con limitaciones notables. Estas incluyen la incapacidad de adaptar IV existentes, preocupaciones de fiabilidad con componentes adicionales y desafíos prácticos relacionados con la instalación y operación. Una consideración cuidadosa de estos factores es esencial al decidir sobre la idoneidad de este método para aplicaciones específicas. Asegurar un diseño y una implementación robustos puede ayudar a mitigar algunos de estos riesgos, mejorando así la confiabilidad y eficacia general de los sistemas de monitoreo de interruptores de vacío.