Interruptor de circuito HVDC

Interruptores de Circuito HVDC: Funcionalidad, Desafíos y Soluciones

Un interruptor de circuito HVDC (Corriente Directa de Alta Tensión) es un dispositivo de conmutación especializado diseñado para interrumpir el flujo de corriente directa anormal dentro de un circuito eléctrico. Cuando ocurre un fallo en el sistema, los contactos mecánicos del interruptor de circuito se separan, abriendo efectivamente el circuito. Sin embargo, interrumpir el circuito en un sistema HVDC es una tarea más desafiante en comparación con su contraparte de CA (Corriente Alterna). Esto se debe principalmente a que la corriente en un circuito HVDC fluye en una sola dirección y no pasa naturalmente por valores de corriente cero, que son cruciales para la extinción del arco en los interruptores de circuito de CA.

La función principal de un interruptor de circuito HVDC es interrumpir los flujos de corriente directa de alta tensión en la red eléctrica. En contraste, los interruptores de circuito de CA pueden interrumpir fácilmente el arco cuando la corriente alcanza su punto natural de cero corriente en la forma de onda de CA. En este instante de cero corriente, la energía que necesita ser interrumpida también es cero, permitiendo que la brecha de contacto recupere su resistencia dieléctrica y soporte la tensión de recuperación transitoria natural.

En los interruptores de circuito HVDC, la situación es mucho más compleja. Dado que la forma de onda de CD carece de ceros de corriente naturales, la interrupción forzada del arco puede generar tensiones de recuperación transitorias extremadamente altas. Sin una interrupción adecuada del arco, existe el riesgo de restrikes, que pueden resultar en la destrucción de los contactos del interruptor. Al diseñar interruptores de circuito HVDC, los ingenieros deben abordar tres desafíos clave:

1. Creación de Ceros de Corriente Artificiales: Esto es esencial para la extinción del arco, ya que la falta de ceros de corriente naturales en CD dificulta la interrupción del arco.

2. Prevención de Arcos de Restrike: Una vez interrumpido el arco, se deben tomar medidas para evitar que se reencienda, lo que podría causar daños al interruptor y perturbar el sistema.

3. Disipación de la Energía Almacenada: La energía almacenada en los componentes del sistema necesita ser disipada de manera segura para evitar posibles peligros.

Para superar la falta de ceros de corriente naturales, los interruptores de circuito HVDC emplean el principio de crear ceros de corriente artificiales para la extinción del arco. Un enfoque común implica introducir un circuito paralelo L - C (inductor - capacitor). Cuando este circuito se activa, causa que la corriente del arco oscile. Estas oscilaciones son intensas y generan múltiples ceros de corriente artificiales. El interruptor de circuito entonces extingue el arco en uno de estos puntos de cero corriente artificial. Para que este método sea efectivo, la corriente de cresta de la oscilación debe superar la corriente directa que necesita ser interrumpida.

Una implementación más detallada implica conectar un circuito resonante en serie compuesto por un inductor (L) y un capacitor (C) a través del contacto principal (M) de un interruptor de circuito DC convencional mediante un contacto auxiliar (S1). Además, un resistor (R) está conectado a través del contacto (S2). Bajo condiciones normales de operación, el contacto principal (M) y el contacto de carga (S2) permanecen cerrados. El capacitor (C) se carga a la tensión de línea a través de la alta resistencia (R). Mientras tanto, el contacto (S1) permanece abierto, con la tensión de línea a través de él. Esta configuración establece las bases para crear las condiciones necesarias para interrumpir la corriente de CD durante un escenario de fallo, generando ceros de corriente artificiales y manejando los procesos eléctricos asociados.

Cuando se trata de interrumpir la corriente principal Id, el mecanismo de operación inicia una secuencia de acciones. Primero, abre el contacto S2 y simultáneamente cierra el contacto S1. Esta configuración desencadena la descarga del capacitor C a través de la inductancia L, el contacto principal M y el contacto auxiliar S1. Como resultado, se establece una corriente oscilatoria, como se muestra en la figura a continuación. Esta corriente oscilatoria genera ceros de corriente artificiales, que son cruciales para el funcionamiento correcto del interruptor de circuito. El contacto principal M del interruptor de circuito se abre precisamente en uno de estos puntos de cero corriente artificial. Una vez que el contacto principal M ha interrumpido exitosamente la corriente, el contacto S1 se abre y el contacto S2 se cierra, reiniciando el sistema para operaciones futuras potenciales y asegurando la integridad del proceso de interrupción de circuito HVDC.

Método Alternativo para Interrumpir la Corriente Principal Directa

Un enfoque alternativo para interrumpir la corriente principal directa en un sistema de corriente directa de alta tensión (HVDC) implica desviar la corriente a un capacitor, lo que reduce efectivamente la magnitud de la corriente que los interruptores de circuito necesitan interrumpir. Este método se ilustra en la figura a continuación y comienza con un capacitor C que inicialmente se encuentra sin cargar.

Cuando el contacto principal M del interruptor de circuito comienza a abrirse, ocurre un evento crucial: la corriente del circuito principal, que anteriormente fluía a través del contacto principal M, se redirige y comienza a fluir hacia el capacitor C. Como resultado de esta redirección, la carga de corriente que los contactos principales M tienen que manejar durante el proceso de interrupción se reduce significativamente. Esta reducción en la magnitud de la corriente alivia la carga sobre el interruptor de circuito, haciendo que el proceso de interrupción sea más manejable y menos propenso a causar daños o fallas.

Además del papel del capacitor en desviar la corriente, un resistor no lineal R también es un componente esencial de este sistema. El resistor no lineal R juega un papel vital en absorber la energía asociada con el flujo de corriente sin causar un aumento sustancial en la tensión a través del contacto principal M. Al disipar eficientemente la energía, el resistor no lineal ayuda a mantener la integridad del interruptor de circuito y del sistema eléctrico en general, asegurando que los niveles de tensión permanezcan dentro de límites aceptables durante el proceso de interrupción de la corriente. Esta operación coordinada del capacitor C y el resistor no lineal R proporciona un método eficaz y confiable para interrumpir la corriente principal directa en un sistema HVDC.

La tasa de aumento de la tensión de recuperación a través de M se expresa como

En los interruptores de circuito de CD que dependen de corrientes oscilantes para interrumpir el flujo, el desafío de prevenir restrikes es particularmente formidable. Esto se debe a la duración extremadamente corta en la que la corriente se interrumpe o "corta". Cuando la corriente se interrumpe rápidamente en tan poco tiempo, genera un pico súbito y pronunciado en la tensión de restrike a través de los terminales del interruptor. Esta tensión de alta magnitud y rápida subida representa una amenaza significativa para la integridad del interruptor de circuito. Para garantizar un funcionamiento confiable, el interruptor de circuito debe estar diseñado con suficiente resistencia dieléctrica y capacidades de soportar tensión para resistir esta intensa tensión de restrike sin sucumbir a restrikes, lo que podría llevar a daños, arcos eléctricos y fallas del sistema.