La aplicación de interruptores de vacío de 10kV
Características de Aislamiento del Vacío
El vacío exhibe propiedades de aislamiento extremadamente fuertes. En un interruptor de circuito de vacío, el gas está extremadamente rarefacto, y las moléculas de gas tienen trayectorias libres medias relativamente largas, lo que resulta en una muy baja probabilidad de colisiones mutuas. Por lo tanto, la ionización debido a colisiones no es la causa principal del fallo en los espacios de vacío. En cambio, las partículas metálicas emitidas por los electrodos bajo la acción de un campo eléctrico de alta intensidad son los factores principales que llevan al fallo del aislamiento.
La resistencia aislante en un espacio de vacío no solo está relacionada con el tamaño del espacio y el grado de uniformidad del campo eléctrico, sino que también se ve significativamente influenciada por las propiedades del material del electrodo y su estado superficial. Cuando el espacio de vacío es relativamente pequeño (en el rango de 2-3 milímetros), tiene propiedades de aislamiento más altas que el aire a alta presión y el gas SF6. Es por eso que la brecha de contacto en un interruptor de circuito de vacío generalmente no es grande.
La influencia de los materiales de los electrodos en el voltaje de ruptura se refleja principalmente en la resistencia mecánica (resistencia a la tracción) y el punto de fusión del material metálico. Cuanto mayor sea la resistencia a la tracción y el punto de fusión, mayor será la resistencia aislante del electrodo en el vacío.
Los experimentos han demostrado que cuanto mayor es el nivel de vacío, mayor es el voltaje de ruptura del espacio gaseoso. Sin embargo, por encima de 10⁻⁴ Torr, básicamente permanece constante. Por lo tanto, para mantener la resistencia aislante de la cámara de extinción de arco de vacío, el nivel de vacío no debe ser inferior a 10⁻⁴ Torr.
Formación y Extinción de Arcos en el Vacío
Los arcos de vacío difieren significativamente de los fenómenos de descarga de arco en gas que estudiamos anteriormente. La ionización del gas no es el factor principal que contribuye a la generación del arco. En cambio, la descarga de arco de vacío se forma en el vapor metálico emitido por los electrodos de contacto. Además, las características del arco varían según la magnitud de la corriente de interrupción. Generalmente, los categorizamos en arcos de vacío de corriente baja y arcos de vacío de corriente alta.
Arcos de Vacío de Corriente Baja: Cuando los contactos se separan en el vacío, se generan puntos catódicos altamente concentrados con corriente y energía. Una gran cantidad de vapor metálico se evapora de estos puntos catódicos, donde la densidad de átomos de metal y partículas cargadas es muy alta, y el arco se quema en este entorno. Mientras tanto, el vapor metálico y las partículas cargadas en la columna del arco se difunden continuamente hacia afuera, y los electrodos siguen evaporando nuevas partículas para reponer. Cuando la corriente pasa por cero, la energía del arco disminuye, la temperatura del electrodo desciende, el efecto de evaporación se reduce, la densidad de partículas en la columna del arco disminuye, y finalmente, los puntos catódicos desaparecen cuando pasan por cero, lo que lleva a la extinción del arco. A veces, si el efecto de evaporación no puede mantener la tasa de difusión de la columna del arco, el arco se extingue repentinamente, resultando en un corte de corriente.
Arcos de Vacío de Corriente Alta: Cuando se interrumpe una corriente grande, la energía del arco de vacío aumenta, y el ánodo también se calienta severamente, formando una columna de arco fuertemente restringida. Al mismo tiempo, el efecto de la fuerza electrodinámica se vuelve más pronunciado. Por lo tanto, para los arcos de vacío de corriente alta, la distribución del campo magnético entre los contactos tiene una influencia decisiva en la estabilidad del arco y el rendimiento de extinción del arco. Si la corriente es demasiado grande, superando la corriente de interrupción límite, ocurrirá un fallo de interrupción. En este punto, los contactos se calientan severamente, continúan evaporándose incluso después de que la corriente pasa por cero, y es difícil que el dieléctrico se recupere, haciendo imposible la interrupción de la corriente.
Estructura y Principio de Funcionamiento de los Interruptores de Circuito
Tomando como ejemplo el zw27-12, se explica a continuación su estructura y principio de funcionamiento.
El cuerpo principal del interruptor de circuito consiste en el circuito conductor, el sistema de aislamiento, los sellos y la carcasa. Tiene una estructura de caja común trifásica. El circuito conductor está compuesto por barras conductoras de entrada y salida, soportes aislantes de entrada y salida, abrazaderas conductoras, conexiones flexibles y una cámara de extinción de arco de vacío. Este mecanismo cuenta con almacenamiento de energía eléctrica y apertura y cierre eléctricos, además de tener una función de operación manual. La estructura completa está compuesta por componentes como el resorte de cierre, el sistema de almacenamiento de energía, el dispositivo de desconexión por sobrecorriente, los bobinados de apertura y cierre, el sistema de apertura y cierre manual, el interruptor auxiliar e indicador de almacenamiento de energía.
Un interruptor de circuito de vacío utiliza el fenómeno de que, cuando la corriente en un ambiente de alto vacío pasa por cero, el plasma se difunde rápidamente, lo que extingue el arco y logra el objetivo de cortar la corriente.
Ajuste del Interruptor de Circuito
Distancia de Apertura y Sobrepaso
La medición de la distancia de apertura y el sobrepaso del interruptor de circuito: La diferencia en los valores x medidos cuando el interruptor de circuito está en estado abierto y cerrado es la distancia de apertura del interruptor de circuito, y la diferencia en los valores y medidos es el sobrepaso del interruptor de circuito. El ajuste se logra alargando o acortando la varilla de operación aislante o la varilla de conexión entre el mecanismo y el eje principal.
Ajuste del Mecanismo de Apertura y Cierre
Circuito de Control de los Interruptores de Circuito
En la mayoría de las subestaciones estandarizadas de 35 kV en redes rurales, se adopta el principio de separar la barra de control de la barra de cierre. Debido a los frecuentes rayos, lluvia y vientos fuertes en las zonas montañosas, que llevan a múltiples salidas de protección y un aumento en el número de operaciones de cierre de los interruptores, los bobinados de cierre de los interruptores son extremadamente propensos a quemarse. Aquí, sugiero hacer una pequeña mejora en el circuito de control.
Inserte un par de contactos normalmente abiertos del interruptor de viaje de almacenamiento de energía del interruptor de circuito en serie entre los contactos auxiliares normalmente cerrados del interruptor de circuito y el bobinado de cierre. De esta manera, cuando el interruptor de circuito no está energizado (no almacenado), no se puede realizar la operación de cierre. Esto previene el cierre cuando el interruptor de circuito no está energizado, evitando así la situación en la que el circuito de cierre permanezca activado y queme el bobinado de cierre.
Mientras tanto, durante el proceso de cableado, es necesario asegurar que las polaridades de la barra de cierre y la barra de control en los contactos del interruptor de viaje de almacenamiento de energía sean consistentes. Esto es para prevenir que el arco en el circuito de cierre perfore el interruptor de viaje cuando el interruptor se está energizando, lo que podría causar que el fusible de control se queme o que el interruptor automático de control se dispare. Este punto requiere especial atención en subestaciones automatizadas integradas.
Operación, Mantenimiento y Pruebas de Inspección
Los interruptores de circuito de vacío tienen un tiempo de arco corto, una alta resistencia aislante y una vida útil eléctrica relativamente larga. Con distancias de apertura de contactos pequeñas y sobrepaso, y una energía de operación mínima, también disfrutan de una larga vida útil mecánica. Durante la operación diaria, las tareas de mantenimiento son relativamente pocas. Principalmente, es necesario verificar el desgaste de las partes móviles del mecanismo, asegurarse de que los elementos de fijación no estén sueltos, limpiar el polvo de la superficie de aislamiento y aplicar un poco de grasa lubricante a las partes móviles.
Durante las pruebas preventivas, los resultados de la prueba de resistencia DC del interruptor deben compararse con los datos históricos. Si se identifican problemas, se requiere un reemplazo o corrección oportuna. La prueba de tensión a frecuencia de red para el interruptor es un método eficaz para verificar fugas en el interruptor de vacío. (Para los interruptores de circuito de vacío de interior, el color del destello dentro del interruptor de vacío cuando se desconecta la carga se puede utilizar para evaluar preliminarmente el nivel de vacío. Un color rojo oscuro indica un nivel de vacío reducido, mientras que un color azul claro indica un buen nivel de vacío.)
Durante la verificación de la configuración de protección, se realiza una prueba de cierre a baja tensión en el interruptor de circuito para verificar si el interruptor opera de manera confiable cuando la barra de alimentación está en estado de falla y la tensión disminuye.
