Comportamiento de los interruptores de circuito de vacío al aire libre en entornos simulados
Los interruptores de circuito al vacío para exteriores se utilizan principalmente en el segmento de Media Alta Tensión (MAT). Son un componente crucial en el sector de distribución, especialmente en redes de 11 kV y 33 kV. Se emplean diversos materiales compuestos en la construcción de estos interruptores. Entre ellos, el interrumpidor al vacío es el componente más vital. Para los interruptores de circuito para exteriores, el interrumpidor al vacío generalmente está alojado en una carcasa de porcelana.
Estos interruptores están conectados al mecanismo de operación mediante varillas de operación fundidas en resina reforzada con fibra de vidrio, que a su vez están vinculadas a una varilla de operación común de acero. El mecanismo de operación de los interruptores de circuito al vacío para exteriores generalmente adopta un diseño de tipo de resorte, alojado en un cajón de chapa de acero. Dado el uso de múltiples materiales, es esencial evaluar la compatibilidad de estos, así como el diseño y la calidad de fabricación, bajo diversas condiciones ambientales donde se prevé que los interruptores operen. Esta evaluación asegura un rendimiento sin problemas y, en consecuencia, la estabilidad de la red eléctrica a la que pertenecen.
Las pruebas ambientales para interruptores de circuito, específicamente las pruebas de baja y alta temperatura, están cubiertas en la cláusula 6.101.3 de la IEC 62271-100[1]. Para climas fríos, el rango de temperatura preferido para valores mínimos y máximos es de -50°C a +40°C, mientras que para climas muy calurosos, es de -5°C a +50°C. A altitudes de hasta 1000 metros, las temperaturas ambientales mínimas preferidas para la prueba de baja temperatura son -10°C, -25°C, -30°C y -40°C. En aplicaciones exteriores, el diseño de los interruptores de circuito al vacío debe tener en cuenta los cambios rápidos de temperatura. En India, numerosas ubicaciones en regiones como Cachemira, Himachal Pradesh, Uttarakhand y Sikkim experimentan tales variaciones de temperatura.
Las temperaturas pueden descender hasta -25°C. En tales ubicaciones, los problemas relacionados con las condiciones frías se agravan por la frecuente ocurrencia de fenómenos como el viento frío y las tormentas de nieve. Durante el verano, en muchas partes de India, las temperaturas pueden alcanzar hasta 50°C. Los fabricantes que exportan interruptores de circuito a países que experimentan temperaturas extremadamente bajas o altas necesitan determinar el rendimiento de sus productos bajo estas condiciones climáticas extremas.
Este documento profundiza en el rendimiento de los interruptores de circuito al vacío (ICVs) de clase 36 kV para exteriores bajo condiciones ambientales simuladas de acuerdo con la IEC 62271-100. Las pruebas discutidas aquí incluyen (a) la prueba de baja temperatura y (b) la prueba de alta temperatura. Además, el documento explora el tiempo de operación, la diferencia de tiempo entre fases y el tiempo de carga del mecanismo de operación para un ICV de clase 36 kV para exteriores.
Prueba de Baja Temperatura
Para comprender el rendimiento de los ICVs para exteriores en condiciones de baja temperatura, se adoptó como referencia el procedimiento especificado en la IEC-62271-100. Este estándar IEC establece que para los interruptores de circuito de un solo recinto con un mecanismo de operación común, se deben realizar pruebas trifásicas. Para interruptores de circuito de múltiples recintos con fases independientes, se permite probar una fase completa. En casos donde existan limitaciones de instalaciones de prueba, los interruptores de circuito de múltiples recintos pueden ser probados utilizando una o más de las siguientes alternativas, siempre y cuando las condiciones mecánicas de operación del interruptor en la configuración de prueba no sean más favorables que las condiciones normales:
Durante la prueba, cualquier mantenimiento, reemplazo de piezas o readjuste del interruptor de circuito está prohibido. A menos que el diseño del interruptor de circuito requiera una fuente de calor, los suministros de líquidos o gases para el interruptor de circuito deben estar a la temperatura del aire de prueba.
Las siguientes características de operación del interruptor deben ser probadas:
Tiempo de cierre
Tiempo de apertura
Diferencia de tiempo entre fases
Distribución de tiempo entre unidades de una fase (si se prueba una fase múltiple)
Tiempo de recarga del dispositivo de operación
Consumo del circuito de control
Consumo de dispositivos de desenganche y registro de liberadores paralelos
Duración de los impulsos de comando de cierre y apertura
Prueba de estanqueidad si aplica
Presión de gas si aplica
Resistencia del circuito principal
Gráfico de tiempo-desplazamiento
Estas características deberán registrarse en:
Los parámetros que cambian con la presión no son aplicables para los ICVs, ya que el contacto está alojado en botellas al vacío y esta asamblea de interrupción al vacío está encapsulada en una carcasa de porcelana aislada al aire para aplicaciones exteriores.
La secuencia de prueba para la prueba de baja temperatura está definida en la cláusula 6.101.3.3 de la IEC 62271-100. Las características iniciales de operación [1.4] se caracterizan después de exponer el interruptor a 20 ± 5°C. Después del examen inicial con el interruptor en posición cerrada, la temperatura se disminuirá a la temperatura ambiente mínima según la categoría de temperatura. El interruptor permanecerá en posición cerrada durante 24 horas con los calentadores anticondensación encendidos. Después de 24 horas, el interruptor se abrirá y cerrará a los valores nominales de voltaje de alimentación. El tiempo de apertura y cierre se registra para establecer las características de operación a baja temperatura. Luego, el suministro a los calentadores anticondensación se desconecta por un período de tiempo (t₁) según lo especificado por el fabricante, con un mínimo de dos horas. Durante este intervalo, se admiten alarmas, pero no se admiten bloqueos. Después del tiempo t₁, el interruptor se abre y se registra el tiempo de apertura. Si es posible, también se miden las características de desplazamiento mecánico para permitir la evaluación de la capacidad de interrupción.
El interruptor permanecerá en posición abierta durante 24 horas, después de lo cual se cerrará y abrirá. Luego se realizan 50 operaciones CO, con las primeras tres operaciones CO realizadas sin ningún retraso. Las operaciones CO restantes se realizan como C - tₑ - O - tₑ. El tiempo tₑ es el período de tiempo entre operaciones. Se permitirá un intervalo de 3 minutos para cada ciclo o secuencia. Después de completar 50 operaciones CO, la temperatura de la cámara de prueba climática se aumenta a una tasa de 10 K/hora. Durante el período de transición, se realizan operaciones C - tₑ - O - tₑ y O - tₑ - C - tₑ - O de tal manera que el interruptor permanezca en posición cerrada y abierta durante un período de 30 minutos entre las secuencias de operación. Después de que el interruptor de circuito se estabilice a la temperatura ambiente, se realiza una medición repetida de las características de operación a 20 ± 5°C para compararlas con las características iniciales a 20 ± 5°C.
CPRI ha estado realizando pruebas de baja y alta temperatura en equipos de media alta tensión (MAT) de hasta 36 kV durante más de diez años. La figura 1 muestra un arreglo de prueba típico para un interruptor de circuito al vacío (ICV) de 36 kV para exteriores instalado en la cámara de prueba para pruebas de alta y baja temperatura.
Se presentan los resultados experimentales de un ICV de clase 36 kV para exteriores durante las pruebas de baja y alta temperatura. Los ICVs probados estaban equipados con mecanismos de operación de resorte.
La prueba de alta temperatura se realizó a +55°C, y las pruebas de baja temperatura se realizaron a -10°C y -25°C. Se examinaron las siguientes características para analizar el rendimiento del ICV:
Tiempo de cierre y apertura (tiempo de operación): El tiempo de cierre se define como el intervalo de tiempo entre la energización del circuito de cierre, con el interruptor de circuito en posición abierta, y el instante en que los contactos tocan en todas las fases. El tiempo de apertura de un interruptor de circuito se define como el intervalo de tiempo entre el instante de energización del desenganche, con el interruptor de circuito en posición cerrada, y el instante en que los contactos de arco se separan en todas las fases.
Para obtener datos volumétricos, se considera el valor promedio de los tiempos de operación de las tres fases para fines de comparación. Dado que se ha comparado la distribución de tiempo entre fases, el cambio máximo entre el tiempo máximo y mínimo de las fases individuales se representa automáticamente.
a) Distribución de tiempo entre fases
b) Características del dispositivo de recarga, como el tiempo de recarga y el consumo de corriente.
c) Cambio en las características de operación en relación con las características de operación iniciales.
El rendimiento de los interruptores durante las pruebas de alta y baja temperatura se ha comparado en referencia a las características mencionadas, y los resultados se discuten en las secciones siguientes.
Evaluación del rendimiento a alta temperatura
Los resultados de la prueba de alta temperatura se presentan en la Tabla 1. Las características iniciales se midieron a 20°C. La IEC 62271-100 no especifica ningún valor para el tiempo de operación o el tiempo de cierre. Los tiempos iniciales de apertura medidos son de aproximadamente 36 ms, y el tiempo de cierre es de alrededor de 44 ms. De manera similar, el tiempo de recarga del dispositivo de operación varía de 9,6 segundos a 11,3 segundos, y la corriente de recarga está en el rango de 2,8 A a 3,1 A.
Después de 24 horas de exposición a 55°C con el interruptor en posición cerrada, el tiempo de apertura y el tiempo de cierre aumentaron uniformemente en aproximadamente un 5%. Después de una exposición adicional de 24 horas a 55°C con el interruptor en posición abierta, el tiempo de cierre aumentó en aproximadamente un 2,5%, y el tiempo de apertura aumentó en un 4%.
No hubo un cambio significativo en la distribución de tiempo entre fases para las tres muestras de prueba durante toda la prueba. Por lo tanto, se puede inferir que el comportamiento es similar en todas las fases del ICV. El tiempo de recarga disminuyó de 11,3 segundos a 9,6 segundos, pero la corriente cambió de 2,9 A a 3,4 A.
Al comparar los tiempos de apertura y cierre entre los valores iniciales y finales a temperaturas ambiente, se observó un cambio de menos del 1% en el tiempo de operación, lo cual es insignificante.
Las características iniciales de operación se midieron a 20°C. Los valores iniciales medidos del tiempo de apertura fueron de aproximadamente 36 ms, y el tiempo de cierre fue de 44 ms. De manera similar, el tiempo de recarga del dispositivo de operación fue de 10,6 segundos, y la corriente del dispositivo de recarga fue de 2,8 A.
Después de 24 horas de exposición a -10°C con el interruptor en posición cerrada, el tiempo de apertura disminuyó en aproximadamente un 0,7%, y el tiempo de cierre aumentó en aproximadamente un 2%, sin un cambio significativo.
Durante el período de dos horas sin calentadores anticondensación, el tiempo de apertura disminuyó en un 1,36%. Después de una exposición adicional de 24 horas a -10°C con el interruptor en posición abierta, el tiempo de cierre aumentó en aproximadamente un 3%, y el tiempo de apertura disminuyó en aproximadamente un 2%.
Durante la prueba final a temperatura ambiente, el cambio fue de menos del 1%. A lo largo de todo el período de prueba a baja temperatura a -10°C, no hubo un cambio significativo en la distribución de tiempo entre fases.
El rendimiento del interruptor a diversas temperaturas, comenzando desde +55°C, -10°C y -25°C, se presenta en la Tabla 1.
Se observaron cambios significativos en el tiempo de operación cuando el interruptor operó a una baja temperatura de -25°C. Los resultados en la Tabla 3 indican que el interruptor mostró lentitud durante la apertura y el cierre a -25°C. El porcentaje de cambio en el tiempo de operación a -25°C fue notablemente diferente. Después de 24 horas de exposición, el tiempo de apertura aumentó en un 30%, y el tiempo de cierre aumentó en aproximadamente un 25%. De manera similar, después de que los elementos de calefacción anticondensación se apagaron por dos horas, el tiempo de apertura aumentó en un 46%. Una exposición adicional de 24 horas a -25°C con el interruptor en posición abierta y el suministro de los elementos de calefacción anticondensación restaurado llevó a un aumento del 44% en el tiempo de apertura y un 21% en el tiempo de cierre. Los gráficos de tiempo para el tiempo de cierre y apertura registrados durante la prueba muestran claramente estos cambios.
La prueba a una temperatura ambiente de 20°C se muestra en la Figura 2. Los gráficos de tiempo del tiempo de cierre registrados después de 50 horas de exposición a -25°C se proporcionan en la Figura 3. Al comparar, la lentitud del interruptor a -25°C es evidente.
Al comparar su rendimiento a -10°C, donde el cambio en el tiempo de operación fue solo alrededor del 0,5% al 3%, las características del interruptor a -25°C han empeorado significativamente. A -25°C, los cambios en el tiempo de operación durante varias etapas de la prueba alcanzaron aproximadamente el 45%.
Este documento presenta los resultados experimentales de la comparación del rendimiento de los interruptores de circuito al vacío (ICVs) de clase 36 kV para exteriores durante las pruebas de baja y alta temperatura de acuerdo con la IEC 62271-100.
Los hallazgos clave de este documento son los siguientes:
Durante la prueba de alta temperatura a 55°C, los ICVs para exteriores funcionaron satisfactoriamente. Los cambios observados en el tiempo de operación y la distribución de tiempo entre fases fueron insignificantes.
Durante la prueba de baja temperatura a -10°C, los cambios en el tiempo de operación y la distribución de tiempo entre fases fueron insignificantes.
Se observaron cambios significativos en el tiempo de operación cuando el interruptor operó a una baja temperatura de -25°C. Los cambios observados en el tiempo de apertura variaron entre el 20% y el 46%, y los cambios en el tiempo de cierre estuvieron en el rango del 25% al 43%.
Las pruebas realizadas indican que incluso si un ICV para exteriores puede operar normalmente a -10°C, no hay garantía de que lo haga de la misma manera en condiciones más frías, como -25°C. Por lo tanto, es esencial verificar su rendimiento a la temperatura baja requerida.
