HECI GCB para Generadores – Interruptor Rápido de Circuito SF₆
1. Definición y Función
1.1 Papel del Interruptor de Circuito del Generador
El Interruptor de Circuito del Generador (GCB) es un punto de desconexión controlable ubicado entre el generador y el transformador elevador, sirviendo como interfaz entre el generador y la red eléctrica. Sus funciones principales incluyen aislar las fallas del lado del generador y permitir el control operativo durante la sincronización del generador y la conexión a la red. El principio de funcionamiento de un GCB no difiere significativamente del de un interruptor de circuito estándar; sin embargo, debido al alto componente DC presente en las corrientes de falla del generador, los GCB deben operar extremadamente rápido para aislar rápidamente las fallas.
1.2 Comparación Entre Sistemas Con y Sin un Interruptor de Circuito del Generador
La Figura 1 ilustra el escenario de interrupción de la corriente de falla del generador en un sistema sin un Interruptor de Circuito del Generador.
La Figura 2 muestra el escenario de interrupción de la corriente de falla del generador en un sistema equipado con un Interruptor de Circuito del Generador (GCB).
Como se ilustra en la comparación anterior, las ventajas de instalar un Interruptor de Circuito del Generador (GCB) pueden resumirse de la siguiente manera:
Durante el arranque y apagado normal de la unidad generadora, no se requiere el cambio de suministro auxiliar de energía—solo se necesita operar el interruptor de circuito del generador, lo que mejora significativamente la confiabilidad de la alimentación de servicio de la estación.
En caso de una falla interna dentro del generador (es decir, del lado del generador del GCB), solo se necesita accionar el interruptor de circuito del generador, reduciendo considerablemente la complejidad operativa durante las fallas de la unidad.
Proporciona mejor protección para el transformador principal y el transformador de servicio de alta tensión. Cuando ocurre una falla interna en cualquiera de estos transformadores, el generador continúa alimentando corriente de falla durante el período de decaimiento de su corriente de campo (excitación)—incluso después de que el interruptor de circuito de alta tensión del transformador principal haya sido abierto por el relé de protección. Con un GCB instalado, el generador puede ser desconectado rápidamente, minimizando así el daño al transformador principal—un beneficio crítico para las grandes unidades generadoras.
Otra ventaja significativa es la mitigación o eliminación del daño al generador causado por la operación no simultánea (desacuerdo de polos) del interruptor de circuito de alta tensión. En las conexiones generador-transformador, el interruptor de circuito de alta tensión opera a un voltaje nominal alto, y en el equipo de conmutación de tipo abierto, el gran espacio entre fases impide el bloqueo mecánico de tres polos. Como consecuencia, puede ocurrir la operación no simultánea incluso durante la conmutación normal. Estas condiciones inducen corrientes de secuencia negativa en el estator del generador, y el rotor tiene una tolerancia muy limitada a los campos magnéticos de secuencia negativa—potencialmente llevando a un daño severo del rotor. Sin embargo, los GCB modernos están diseñados y fabricados con un bloqueo mecánico de tres fases, previniendo efectivamente la operación no simultánea.
Para las fallas que ocurren del lado del generador del GCB, solo se necesita accionar el interruptor de circuito del generador—sin abrir el interruptor de alta tensión del transformador principal—minimizando el impacto en la estructura general de la red y beneficiando la estabilidad del sistema.
La disposición de la planta se vuelve más simple y económica, reduciendo el tiempo y costos de instalación y puesta en marcha. Se puede eliminar el transformador de servicio y su equipo de conmutación de media y alta tensión asociado. Con la implementación del GCB, la disponibilidad promedio de la planta aumenta en un 0.3%–0.6%, y una mayor disponibilidad del generador se traduce directamente en mayores ingresos por energía.
2. Estructura y Función
2.1 Estructura General
El sistema de interruptores de circuito esencialmente consta de los siguientes componentes y equipos, todos montados en un bastidor de soporte común. Dependiendo de las especificaciones del pedido, ciertos componentes listados pueden ser excluidos.
El diseño estándar del equipo de conmutación HEC/HECI incluye:
Interruptor de circuito SF₆
Seccionador (interruptor de aislamiento)
Interruptor de tierra (interruptor de puesta a tierra)
Condensadores
Transformadores de corriente (TCs)
Transformadores de tensión (TTs)
Los pararrayos, los enlaces de cortocircuito y el interruptor de arranque (para el Convertidor de Frecuencia Estático, SFC) están disponibles como artículos opcionales.
1 – Interruptor de circuito 2 – Seccionador (Interruptor de aislamiento) 3a – Interruptor de tierra 3b – Interruptor de tierra 4 – Enlace de cortocircuito 5 – Interruptor de arranque (SFC) 6 – Condensador
7 – Transformador de corriente 8 – Transformador de tensión 9 – Pararrayos 10 – Caja de protección
El interruptor está lleno de gas SF₆ como medio de extinción del arco. Los contactos principales y los contactos de arco están separados. Los contactos son operados por un mecanismo de muelle. Los tres polos del interruptor están interconectados mecánicamente.
1 – Conexión flexible 2 – Interruptor de desconexión (interruptor de seccionamiento) 3 – Cámara de extinción de arco 4 – Aislamiento 5 – Caja 6 – Interruptor de tierra (interruptor de puesta a tierra) 7 – Conexión de busbar de fase aislada
8 – Transformador de corriente
Los componentes internos dentro de la caja del GCB se muestran en la figura siguiente.
2.2 Composición y Función de los Componentes
1) Mecanismo de Operación
El interruptor HECI5 tipo GCB utiliza el mecanismo de operación AHMA 4. La foto física de este mecanismo de operación es la siguiente:
1 – Motor combinado (motor de bomba de aceite) 2 – Contactos auxiliares de la válvula de control 3 – Contactos auxiliares
① Módulo de Operación:
El módulo adopta una estructura de diferencia de presión constante, donde el aceite de alta presión actúa continuamente sobre el extremo superior del émbolo. Las velocidades de apertura y cierre pueden ajustarse por separado mediante tornillos de estrangulación correspondientes.
② Módulo de Almacenamiento de Energía:
Bajo la acción del aceite hidráulico, el pistón del acumulador comprime los resortes de disco y almacena la energía hidráulica a largo plazo en el cilindro del pistón de almacenamiento, proporcionando la reserva de energía necesaria para las operaciones de apertura y cierre.
③ Módulo de Control:
Las señales de comando eléctricas desde la sala de control principal activan las válvulas solenoides de apertura/cierre, que a su vez cambian la válvula de control de dirección para lograr la apertura o cierre del interruptor.
④ Módulo Adaptador (de Enlace):
Durante el movimiento del émbolo, un brazo de manivela conectado hace girar el interruptor auxiliar, cambiando así las señales de posición de apertura/cierre.
⑤ Módulo de Bomba Hidráulica:
Un motor eléctrico impulsa la bomba hidráulica para inyectar aceite en el acumulador, convirtiendo la energía eléctrica en energía hidráulica.
⑥ Módulo de Monitoreo:
La compresión de los resortes de disco impulsa un cam de un interruptor de límite, que gira para abrir o cerrar los contactos de un microinterruptor. Esto proporciona señales de alarma y funciones de bloqueo automático para la sala de control principal. (Cuando la presión excede el valor especificado, la válvula de alivio de presión se abre automáticamente para lograr la protección contra sobrepresión.)
2) Interruptor
El interruptor es el componente principal del GCB. Su principio estructural no es complejo, y su diagrama esquemático funcional se muestra a continuación:
S1 – Interruptor de límite de muelle S0 – Interruptor auxiliar SA – Indicador de posición Y1 – Bobina de cierre Y2, Y3 – Bobinas de apertura 1 y 2 M0 – Motor de almacenamiento de energía R10 – Calentador DI – Indicador de densidad
F6 – Monitor de densidad
3) Sistema de Gas SF₆
En el GCB, el gas SF₆ solo está presente en el interruptor, el relé de densidad, el indicador de densidad y la tubería de conexión de gas.
El monitor de densidad es un dispositivo de monitoreo de presión compensado por temperatura utilizado para monitorear la densidad del gas SF₆ en el interruptor de tres polos (tres fases). La presión del gas puede observarse directamente a través del manómetro. Cuando la presión cae por debajo de un umbral especificado, el monitor de densidad envía una señal de “REPOSTAR GAS”. Si la presión de SF₆ continúa disminuyendo, dos microinterruptores independientes activarán interbloqueos que impedirán cualquier operación de conmutación—el interruptor queda bloqueado mecánica y eléctricamente.
Los puntos de ajuste del monitor de densidad se especifican en los diagramas de control relevantes y en las curvas características de densidad del gas SF₆.
El panel de control del armario de control consta principalmente de cuatro partes:
Interruptor de interbloqueo
Contador de operaciones
Indicadores de operación y alarma
Botones de modo de operación local
4) Gabinete de Control
Todas las funciones del mecanismo operativo del interruptor están integradas dentro del gabinete de control. La configuración final y la disposición funcional se detallan en los diagramas de control pertinentes. Los siguientes componentes de control están alojados dentro del gabinete de control:
S2 – Selector de Modo Local/Remoto: El modo de operación se selecciona mediante el conmutador S2.
En la posición Remota, los comandos solo pueden emitirse desde la sala de control principal.
En la posición Local, los comandos solo pueden iniciarse desde el gabinete de control del interruptor.
Cuando está en la posición Local, la llave del conmutador selector S2 no puede ser removida. Se recomienda mantener la llave almacenada en la sala de control.
S11/S12 – Botones iluminados para la operación del interruptor.
5) Sistema de Alivio de Presión (Protección contra Explosiones)
Disco de Ruptura: En caso de un fallo de arco interno (causado por una corriente de cortocircuito prolongada), si la presión del gas dentro del encierro alcanza el umbral de activación, el disco de ruptura se rompe para liberar la presión excesiva inmediatamente. Este desagüe rápido evita la falla catastrófica del encierro al descargar de manera segura el gas SF₆ sobrepresurizado.
